第02章液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)

1、第2章 液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，石油型介質(zhì)液壓油具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，在應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。此外還有各種特性不同的液壓介質(zhì)可供選擇，以滿足各類應(yīng)用需要。為合理選擇與使用液壓油，必須了解它的一些重要特性。2.1 液壓油2.1.1液壓油的主要物理性質(zhì)l密度與重度均質(zhì)液體中單位體積所具有的質(zhì)量稱為密度（），即式中 m液體的質(zhì)量；v液體的體積。均質(zhì)液體中單位體積所具有的重量稱為重度()，即式中 G液體的重量；V液體的體積。因?yàn)镚=mg，所以 =g。在國(guó)際單位制（SI）中，液體的密度單位用kg/，重度單位用N/ 。液體的密度和重度隨著壓力和溫度的變化而變化。在一般工作條件下，壓力和溫度對(duì)石油型液壓

2、油的密度和重度的影響很小，可以忽略。在計(jì)算時(shí)可取= 900 kg/，8.83 10 N/ 。2壓縮性液體受壓力作用體積縮小的性質(zhì)叫壓縮性。壓縮性的大小用體積壓縮系數(shù)表示。其定義為：體積壓縮系數(shù)即單位壓力變化時(shí)，液體體積的相對(duì)變化量。其表示式為 式中 P液體壓力的變化值；V液體體積在壓力變化如時(shí)的變化量；V液體的初始體積。式中負(fù)號(hào)是因?yàn)閴毫υ龃髸r(shí)，液體的體積減小，反之則增大。為了使值為正值，故加一負(fù)號(hào)。液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為液體體積彈性模量，用K表示，即液壓油的體積壓縮系數(shù)=（57）10 (Pa )，其體積彈性模量K= (1.42.0) 10Pa。鋼的體積彈性模量K= 2.06 x 1011

3、Pa，液壓油的彈性模量為鋼的。因此，在系統(tǒng)壓力變化不大時(shí)，液壓油的壓縮性可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為液壓油是不可壓縮的。當(dāng)系統(tǒng)壓力變化較大，或研究液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、設(shè)計(jì)液壓伺服系統(tǒng)時(shí)，則必須考慮其壓縮性。在實(shí)際液壓系統(tǒng)中，油中混有空氣，使壓縮性顯著增加，體積彈性模量顯著減小。設(shè)封閉容器中壓力增加p后，油液體積縮小了V，而容器體積增大了V，這時(shí)油液的等效體積彈性模量K的表達(dá)式則式中 K油液的體積彈性模量；Kc封閉容器的體積彈性模量。3黏性液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于液體分子間的內(nèi)聚力而產(chǎn)生阻止液體分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，液體的這種特性稱為黏性。黏性的大小用黏度表示。黏度是液體最重要的物理特性之一，是選

4、擇液壓油的主要依據(jù)。在圖2-1中，設(shè)兩平行平板之間充滿油液，上平板以速度u0向右運(yùn)動(dòng)，下平板固定不動(dòng)，緊貼在上平板的油液在附著力的作用下隨上平板以相等的速度u0向右運(yùn)動(dòng)，緊貼在下平板的油液保持靜止不動(dòng)。當(dāng)兩平板間距離較小時(shí)，中間油液層的速度按線性分布。由于各層的速度不同，運(yùn)動(dòng)快的流層拖動(dòng)慢的流層，運(yùn)動(dòng)慢的流層阻滯運(yùn)動(dòng)快的流層。流層之間產(chǎn)生相互作用力，即內(nèi)摩擦力。實(shí)驗(yàn)測(cè)定，流層間的內(nèi)摩擦力Fr與流層接觸面積A及流層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度du成正比，而與流層間的距離dy成反比，即 式中 比例系數(shù)，稱為動(dòng)力黏度；速度梯度，即流層相對(duì)速度對(duì)流層距離的變化率。由式（2-6）知，對(duì)靜止液體來說，du= 0，則F=

5、0。所以靜止液體不呈現(xiàn)黏性如以=表示切應(yīng)力，則有當(dāng)0時(shí)取“+”；0時(shí)，取“-”。動(dòng)力黏度為常數(shù)的液體稱為牛頓液體；速度梯度變化而值也隨之變化的液體稱為非牛頓液體。除高黏度或含有特殊添加劑的液體外，一般液壓油均視為牛頓液體。由式2-7可得動(dòng)力黏度式（2-8）的物理意義是，液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。在國(guó)際單位制（SI）中，動(dòng)力黏度的單位是帕斯卡秒（Ps），代號(hào)為帕秒。在工程制中用泊（P）表示，即1P= 1dyncm，或用厘泊（cP）表示。之所以稱為動(dòng)力黏度，是因?yàn)樵谄淞烤V中有動(dòng)力學(xué)的要素力的緣故。兩種單位制的換算關(guān)系是：1 Pas= 10 P=10cP。動(dòng)力黏度與液體密度

6、之比值叫做運(yùn)動(dòng)黏度（），即在國(guó)際單位制（SI）中運(yùn)動(dòng)黏度以ms為單位。在CGS制中以cm/s為單位，常稱為“ 沲”（Stocks），1St=100cSt,又有t=10mm/s運(yùn)動(dòng)黏度并無特殊的物理意義，只是因?yàn)樵诶碚摲治龊陀?jì)算中常遇到，為方便起見采用表示。它的量綱中只有長(zhǎng)度與時(shí)間，故稱其為運(yùn)動(dòng)黏度。我國(guó)液壓油一般都采用運(yùn)動(dòng)黏度表示。機(jī)械油的運(yùn)動(dòng)黏度直接表示在它的牌號(hào)上；每一種機(jī)械油的牌號(hào)，就是表示這種油在40時(shí)以mm /s（cst或稱厘沲）為單位的運(yùn)動(dòng)黏度的平均值。例如，N32機(jī)械油，就表示其在40時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度平均值為32 mm/s 。ISO規(guī)定統(tǒng)一采用運(yùn)動(dòng)黏度。動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度都難以直接測(cè)

7、量。工程上常用的是便于測(cè)量的相對(duì)黏度。相對(duì)黏度又稱條件黏度。根據(jù)測(cè)量條件不同，我國(guó)、俄羅斯和德國(guó)用恩氏黏度，美國(guó)用國(guó)際賽氏秒SSU，英國(guó)用商用雷氏秒。恩氏黏度的測(cè)定方法如下：測(cè)定200 cm溫度為t的被測(cè)液體在重力作用下流過直徑為2.8 mm小孔所需的時(shí)間t，然后測(cè)出同體積的蒸餾水在20時(shí)流過同一小孔所需時(shí)間t。t與t的比值即為被測(cè)液體在t的恩氏黏度值，表示為工業(yè)一般以20、50和100作為測(cè)定恩氏黏度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，并相應(yīng)地以符號(hào)、和表示之。各種黏度的單位、符號(hào)、采用國(guó)家與換算公式見表2-1。液壓油黏度對(duì)溫度的變化是十分敏感的，溫度升高，油的黏度下降。不同種類的油的黏度隨溫度變化的規(guī)律也不同。我

8、國(guó)常用黏溫圖表示油液黏度隨溫度變化的關(guān)系。不同黏度等級(jí)的油液黏度與溫度的關(guān)系（黏度指數(shù)95）如圖2-2所示。液壓油的黏度指數(shù)（VI），表明液壓油的黏度隨溫度變化的程度同標(biāo)準(zhǔn)油黏度變化程度比值的相對(duì)值。黏度指數(shù)高，則黏溫特性好。一般液壓油的黏度指數(shù)要求在90以上，優(yōu)異的在100以上。油液的黏度也受壓力變化的影響。壓力增加，其分子間距離縮小，黏度增大。但壓力在20 MPa以下時(shí)，黏度變化不大，實(shí)際應(yīng)用中可忽略不計(jì)。當(dāng)壓力很高時(shí)，黏度將急劇增大，不容忽視。礦物油系液壓油的黏度與壓力的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示： (2-11)式中 vp壓力為P時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；vp壓力為1個(gè)大氣壓時(shí)的運(yùn)動(dòng)a度；b系數(shù)，對(duì)于

9、一般液壓傳動(dòng)油，為(0.0020.004)10-5Pa-1；P油的壓力（Pa）。2.1.2對(duì)液壓油的要求液壓介質(zhì)是液壓系統(tǒng)中最重要的材料成分，是系統(tǒng)的生命線。它將系統(tǒng)中各元件溝通起來成為一個(gè)有機(jī)整體。液壓系統(tǒng)對(duì)所用油液的要求主要有以下幾點(diǎn)：1)黏度適宜和黏溫特性好 適宜的黏度和良好的黏溫特性對(duì)液壓系統(tǒng)是十分重要的。一般液壓系統(tǒng)所用的液壓油的黏度范圍為v(11.535.3)10-6m2/s。2)潤(rùn)滑性能好 液壓機(jī)械設(shè)備中，除液壓元件外，還有一些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件，也需要潤(rùn)滑，因此，液壓油應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑性和很高的油膜強(qiáng)度。3)穩(wěn)定性要好 即對(duì)熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)。油液抵抗

10、受熱時(shí)發(fā)生化學(xué)變化的能力叫做它的熱穩(wěn)定。熱穩(wěn)定性差的油液在溫度升高時(shí)油的分子容易裂化或聚合，產(chǎn)生脂狀瀝青、焦油等物質(zhì)。這種化學(xué)反應(yīng)是隨溫度升高而加快的，所以一般液壓油的工作溫度限制在65以下。油液與空氣中的氧或其他含氧物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后生成酸性化合物，能腐蝕金屬。這種化學(xué)反應(yīng)的速度越慢，氧化穩(wěn)定性就越好。油液遇水發(fā)生分解變質(zhì)的程度稱為水解穩(wěn)定性。水解變質(zhì)后的油液黏度降低，腐蝕性增加。油液在很高的壓力下流過很小的縫隙或孔時(shí)，由于機(jī)械剪切作用使油的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，黏度減小。液壓系統(tǒng)所用的油液必須具有抗剪切穩(wěn)定性不致受機(jī)械剪切作用而使黏度顯著變化。4)消泡性好 油液中的泡沫一旦進(jìn)人液壓系統(tǒng)，就會(huì)造成振

11、動(dòng)、噪聲以及增大油的壓縮性等，因此需要液壓油具有能夠迅速而充分地放出氣體而不致形成泡沫的性質(zhì)，即消泡性。為了改善油的消泡性，油中可加人消泡添加劑。5)凝固點(diǎn)低 低溫流動(dòng)性好。為了保證能夠在寒冷氣候情況下正常工作，液壓油的凝固點(diǎn)應(yīng)低于工作環(huán)境的最低溫度，保證低溫流動(dòng)性，在低溫下能夠正常工作。6)閃點(diǎn)高 對(duì)于高溫或有明火的工作場(chǎng)合，為滿足防火、安全的要求，油的閃點(diǎn)要高。7)雜質(zhì)少 質(zhì)地純凈，雜質(zhì)含量少。2.1.3液壓油的選用正確、合理地選用液壓油，是保證液壓設(shè)備高效運(yùn)行的前提，也是保證各液壓元件性能、延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵。選擇液壓油，應(yīng)該以液壓元件生產(chǎn)廠推薦的油品及黏度為依據(jù)。各廠家的產(chǎn)品不同，所推

12、薦的黏度值也有所不同。但液壓系統(tǒng)中工作最繁重的元件是泵和馬達(dá)，針對(duì)泵和馬達(dá)選擇的油液黏度一般也適用于閥類元件。廠家推薦的黏度范圍見表2-2。正常工作黏度范圍是指液壓系統(tǒng)油溫穩(wěn)定后油液黏度范圍。石油型液壓油的溫度范圍為-20+ 80。為使油液和液壓系統(tǒng)獲得最佳使用壽命，最高溫度不宜超過+65。含水液壓油液的溫度范圍為+10+54。無論實(shí)際溫度范圍如何，都必須保證油液黏度值在表2-2規(guī)定的范圍內(nèi)。同一廠家生產(chǎn)的不同設(shè)備也應(yīng)盡量選用同一牌號(hào)的油品。根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、工作溫度、液壓元件種類及經(jīng)濟(jì)性等因素全面考慮，一般是先確定適用的黏度范圍，再選擇合適的液壓油品種。同時(shí)還要考慮液壓系統(tǒng)工作條件的特

13、殊要求，如在寒冷地區(qū)工作的系統(tǒng)則要求油的黏度指數(shù)高、低溫流動(dòng)性好、凝固點(diǎn)低；伺服系統(tǒng)則要求油質(zhì)純、壓縮性??；高壓系統(tǒng)則要求油液抗磨性好。在選用液壓油時(shí)，黏度是一個(gè)重要的參數(shù)。黏度的高低將影響運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑、縫隙的泄漏以及流動(dòng)時(shí)的壓力損失、系統(tǒng)的發(fā)熱溫升等。所以，在環(huán)境溫度較高，工作壓力高或運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，為減少泄漏，應(yīng)選用黏度較高的液壓油，否則相反。在選用油的品種時(shí)，一般要求不高的液壓系統(tǒng)可選用機(jī)械油、汽輪機(jī)油或普通液壓油。對(duì)于要求條件較高或?qū)Ｓ靡簤簜鲃?dòng)設(shè)備可選用各種專用液壓油，如抗磨液壓油、稠化液壓油、低溫液壓油、航空液壓油等。這些油都加入了各種改善性能的添加劑，性能較好。部分國(guó)產(chǎn)液壓油質(zhì)量

14、指標(biāo)及應(yīng)用見表2-3,要選用優(yōu)質(zhì)油品，不得選用劣質(zhì)油。劣質(zhì)油對(duì)液壓元件會(huì)造成較大的損害，對(duì)系統(tǒng)造成更多的污染，容易發(fā)生故障，影響系統(tǒng)的性能，縮短重要液壓元件的壽命使用液壓油，不得在受污染的油液或臟油中加兌新油液，必須清洗系統(tǒng)后，更換新的經(jīng)過濾的油液。2.1.4 抗燃型液壓介質(zhì)石油型液壓油具有眾多的優(yōu)良特性，但它們會(huì)燃燒，且燃點(diǎn)比其他液壓介質(zhì)低。有幾種抗燃液壓液可替代使用。1水包油乳化液（高水基液）水包油乳化液的主要組分是基礎(chǔ)油、乳化劑和防銹劑，并根據(jù)需要添加助溶劑、防霉劑和抗泡劑等。基礎(chǔ)油( 5%10% )主要作為各種添加劑的載體。乳化液黏度低，所以通過液壓元件間隙的泄漏量增加，使系統(tǒng)效率降低

15、，液壓系統(tǒng)最高工作壓力不超過7 Mpa；采用增黏型水包油乳化液壓力可達(dá)14 MPa。由于水的飽和蒸氣壓較高，為防止產(chǎn)生氣蝕，液壓泵轉(zhuǎn)速不宜超過1 200 r/min。該液pH值高，應(yīng)避免使用鎂合金、鋅、錫之類的金屬。2油包水乳化液油包水乳化液是用黏度、凝點(diǎn)合適的基礎(chǔ)油（60%）和水（40%）加人乳化劑、抗磨劑、防銹劑等調(diào)制而成。它既具有石油型液壓油的良好性能，又具有抗燃性。它對(duì)密封橡膠材料、油箱涂料以及金屬的相容性與一般液壓油相近。其使用溫度不宜超過65 。3水乙二醇液水乙二醇液是真正的溶液，而非乳化液。它含有三種成分，即水、乙二醇、水溶性高分子聚乙二醇。它具有很好的抗燃性和潤(rùn)滑性。其黏度選擇

16、范圍很寬，黏度指數(shù)高，與大多數(shù)金屬材料，如鋼、鋁、銅等相適應(yīng)。其使用溫度為18+65。4.磷酸醋液磷酸醋液是一種純凈的合成液，具有很好的潤(rùn)滑性能。它也是最好的抗燃介質(zhì)，在高溫、高壓下具有更好的特性。它對(duì)大多數(shù)金屬不腐蝕，可與丁基膠、乙丙膠、氟橡膠、硅橡膠、聚四氟乙烯相溶。其工作溫度可達(dá)135，但價(jià)格較高。幾種常見液壓油（液）性能比較見表2-4.2.2液壓介質(zhì)的污染與控制液壓系統(tǒng)多數(shù)故障與液壓介質(zhì)受到污染有關(guān)。污染物來自多種渠道并具有不同的形式，例如鐵屑、灰塵、砂粒、水分、管件密封膠、焊渣、涂料及清洗液等均會(huì)造成液壓介質(zhì)污染。2.2.1污染源污染源為數(shù)眾多，摘要如下：液壓系統(tǒng)管道及液壓元件內(nèi)的型

17、砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在安裝和使用前未清洗干凈，系統(tǒng)工作時(shí)，這些污染物進(jìn)入液壓油；液壓系統(tǒng)周邊環(huán)境中的污染物經(jīng)空氣濾清器、油路板以及密封處進(jìn)人介質(zhì)中；液壓系統(tǒng)工作中，液壓缸活塞桿防塵圈并不能將活塞桿上非常細(xì)小的污染物刮除，相當(dāng)多的微小顆粒將進(jìn)人系統(tǒng)；由于磨損和元件老化，污染物不斷進(jìn)入液壓系統(tǒng)；液壓油本身也帶有污染物，即使新油也可能超過系統(tǒng)所要求的污染度，另外，這些油品在生產(chǎn)、灌裝、儲(chǔ)運(yùn)中也不同程度受到污染，因此說“新油”未必清潔。2.2.2 污染的影響污染是導(dǎo)致絕大多數(shù)液壓元件出現(xiàn)故障、性能不良及失效的主要原因。1)突發(fā)性失效較大顆粒進(jìn)人液壓泵或閥內(nèi)，使元件完全失靈。2)間歇性

18、失效污染物在閥座上造成。3)退化性失效污染物濃度超過元件承受能力，元件磨損加劇。元件在磨損、侵蝕及氣蝕的持續(xù)作用下發(fā)生，導(dǎo)致系統(tǒng)元件內(nèi)泄漏增加。90的污染失效是由磨蝕造成的。2.2.3 污染的控制從污染對(duì)液壓系統(tǒng)的危害中可以看出，對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓元件危害最大的是顆粒性污染。為了控制和減輕這種顆粒性污染，采取過濾是液壓油凈化行之有效的方法之一。目前液壓系統(tǒng)中主要是采用過濾器濾掉液壓油中的顆粒污染，保持液壓油的清潔，達(dá)到凈化的目的。從對(duì)液壓油的要求來說，液壓油中的污染顆粒越少越好。雖然過濾的方法可以做到這一點(diǎn)，但是液壓油還不斷地被污染，而且污染的速度又較快時(shí)，所使用的過濾器的壽命也就很短。這就需要

19、頻繁地更換濾芯，其成本和代價(jià)是昂貴的。為此用過濾的方法來控制液壓油的顆粒污染時(shí)，并不要求液壓油達(dá)到最干凈的程度，而是從如下兩方面出發(fā)提出對(duì)過濾程度的要求：根據(jù)液壓元件對(duì)污染的敏感度，在保證液壓系統(tǒng)正常工作時(shí)所允許進(jìn)入系統(tǒng)的最大顆粒來選擇過濾精度，即只濾掉液壓油中較大的污染顆粒以保證液壓元件不致卡住、堵塞，而能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如泵進(jìn)口的粗濾器及個(gè)別液壓元件前的精濾器等。各種液壓元件對(duì)污染顆粒尺寸的最大允許值可參看表2-5。對(duì)于使液壓元件磨損加劇的微小顆粒，采用部分過濾的方法，將這些細(xì)微顆粒濾出。由于前面提到的原因，不可能將所有的細(xì)微顆粒全部濾出，因此只是在保證液壓元件正常使用壽命的前提下使液壓油含有細(xì)

20、微顆粒的濃度保持在一定的范圍之內(nèi)，也就是使濾出的污染顆粒數(shù)量和進(jìn)人液壓油的污染顆粒數(shù)量相等，使污染程度處于平衡狀態(tài)。除了采取凈化的措施外，還應(yīng)設(shè)法減少或避免液壓油被污染，如系統(tǒng)溫度不得過高以免油氧化變質(zhì)，外漏的油不得直接流回油箱，在油箱的通氣孔及活塞桿處加防塵裝置等。2.2.4 污染測(cè)定和污染等級(jí)液壓油污染的程度可以通過測(cè)定它的污染度判別。測(cè)定污染度的方法有目測(cè)法、比色法、淤積指數(shù)法、稱重法和顆粒計(jì)數(shù)法等多種。目測(cè)法是用眼直接觀察油液的污染程度。由于人的視力只能觀察到40 m大小的顆粒，因此這種方法判別的精度較低。比色法是將一定體積的油液試樣的污垢用濾紙濾出來，再根據(jù)濾紙的顏色來判別油液的污染程度。這種方法需要預(yù)先制定出用做比較的標(biāo)準(zhǔn)。淤積指數(shù)法是根據(jù)油液中的污垢堵塞過濾器的程度來判別油液污染程度的方法。這種方法是：取