第二章液壓傳動介質(zhì)

第二章液壓傳動介質(zhì)礦物油乳化劑磷酸酯海水Ⅰ、液壓傳動介質(zhì)的要求與種類液壓傳動及控制所用的工作介質(zhì)為液壓油液或其他合成液體，其應(yīng)具備的功能如下：1）傳動把由液壓泵所賦予的能量傳遞給執(zhí)行元件；2）潤滑潤滑液壓泵、液壓閥、液壓執(zhí)行元件等運動件；3）冷卻吸收并帶出液壓裝置所產(chǎn)生的熱量；4）去污帶走工作中產(chǎn)生的磨粒和來自外界的污染物；5）防銹防止液壓元件所用各種金屬的銹蝕。為使液壓系統(tǒng)長期保持正常的工作性能，對其工作介質(zhì)提出的要求是：1）可壓縮性可壓縮性盡可能小，響應(yīng)性好；2）粘性溫度及壓力對粘度影響小，具有適當(dāng)?shù)恼扯?，粘溫特性好?）潤滑性通用性對液壓元件滑動部位充分潤滑；4）穩(wěn)定性不因熱、氧化或水解而變質(zhì)，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長；5）防銹和抗腐蝕性對鐵及非鐵金屬的銹蝕性??；6）抗泡沫性介質(zhì)中的氣泡容易逸出并消除；7）抗乳化性除含水液壓液外的油液，油水分離要容易；8）潔凈性質(zhì)地要純凈，盡可能不含污染物，當(dāng)污染物從外部侵入時能迅速分離；9）阻燃性燃點高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性；能夠同時滿足上述各項要求的理想的工作介質(zhì)是不存在的，但工作介質(zhì)的性質(zhì)對設(shè)備的正常工作和使用壽命有著決定性的影響，需要注意工作介質(zhì)的選用。工作介質(zhì)類別組成與特性代號石油基液壓液（液壓油）無添加劑的石油基液壓液HH+抗氧化劑、防銹劑HL+抗磨劑HL+增粘劑HM+增粘劑HM+防爬劑無特定難燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS難燃液壓液含水液壓液高含水液壓液水包油乳化液水的化學(xué)溶液含水大于80%（休積分?jǐn)?shù)）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液含水小于80%（體積分?jǐn)?shù)）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液壓液磷酸酯無水合成液L－HFDL－HFDR氯化烴無水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的無水合成液L－HFDT其他成分的無水合成液L－HFDU表1-1液壓傳動工作介質(zhì)的種類有關(guān)液壓工作介質(zhì)的分類標(biāo)準(zhǔn):ISO標(biāo)準(zhǔn)：ISO6743/4—1982《潤滑劑、工業(yè)潤滑油和有關(guān)產(chǎn)品（L類）的分類—第四部分：H組（液壓系統(tǒng)）》國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7631.2—1987等效采用上述標(biāo)準(zhǔn)。

有關(guān)液壓油的分類標(biāo)準(zhǔn):

GB11118.1—1994《礦物油型和合成烴型液壓油》將我國長期以來液壓油產(chǎn)品品種集中在一個國家標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，形成了新的液壓油品種系列，包括HH、HL、HM、HR、HV、HG、HS等類。其品種基本上能滿足各類液壓設(shè)備的需要，并與國際上液壓油的品種相當(dāng)。常用的礦物液壓油：常添加抗磨、防銹、抗氧化、抗泡和抗乳化二、液壓油1、石油的生成

在地球不斷演化的漫長歷史過程中，大量的植物和動物死亡后，構(gòu)成其身體的有機物質(zhì)不斷分解，與泥沙等物質(zhì)混合組成沉積層。當(dāng)溫度和壓力達(dá)到一定程度后，沉積物中動植物的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳氧化合物分子，最終生成石油和天然氣。2、石油產(chǎn)品的分類石油經(jīng)過加工提煉，可以得到的產(chǎn)品大致可分為四大類：

一、石油燃料航空汽油，車用汽油、航空煤油、柴油機燃料、液化石油氣燃料二、潤滑油和潤滑脂的基本成分?jǐn)?shù)量只占全部石油產(chǎn)品的5%左右。

三、蠟、瀝青和石油焦

四、溶劑和石油化工產(chǎn)品3、潤滑油——液壓油

潤滑油用在液壓系統(tǒng)時稱為液壓油，一般可以互相取代。潤滑油一般由基礎(chǔ)油和添加劑兩部分組成?；A(chǔ)油是潤滑油的主要成分，由原油提煉而成，決定著潤滑油的基本性質(zhì)，添加劑是潤滑油的精髓，正確選用合理加入，可改善其物理化學(xué)性質(zhì)，對潤滑油賦予新的特殊性能。

目前90%以上的液壓設(shè)備采用石油基液壓油液。為了改善液壓油液的性能，以滿足液壓設(shè)備的不同要求，往往在基油中加入各種添加劑。添加劑有兩類：一類是改善油液化學(xué)性能的，如抗氧化劑、防腐劑、防銹劑等；另一類是改善油液物理性能的，如增粘劑、抗磨劑、防爬劑等。一般常用的添加劑有：粘度指數(shù)改進(jìn)劑，傾點下降劑，抗氧化劑，清凈分散劑，摩擦緩和劑，油性劑，極壓劑，抗泡沫劑，金屬鈍化劑，乳化劑，防腐蝕劑，防銹劑，破乳化劑，抗氧抗腐劑等。（1）液壓油（L-HH）不加或少加抗氧劑和其它任何添加劑的精練礦物油，不宜作為液壓油，可用作潤滑油。（2）普通液壓油（L-HL）添加防銹和抗氧化穩(wěn)定劑，用于機床主軸箱和齒輪箱潤滑油，要求較高的低壓系統(tǒng)。5、液壓油的種類

（3）抗磨液壓油（L-HM）在防銹、抗氧化型液壓油的基礎(chǔ)上添加抗磨劑。適用中高壓系統(tǒng)和承受中等載荷的潤滑油。（4）液壓導(dǎo)軌油（L-HG）加油性劑，防低速爬行，用于液壓和機床靜壓導(dǎo)軌合用一個系統(tǒng)的場合，但不適用高壓液壓系統(tǒng)。（5）低凝液壓油（L-HV）低溫使用。添加粘度指數(shù)改進(jìn)劑、降凝劑等多種添加劑調(diào)制而成。粘度指數(shù)大，適合工作溫度變化范圍大、高寒野外作業(yè)的場合。（6）高粘度指數(shù)液壓油（L-HR）粘溫特性好，粘度指數(shù)可達(dá)175。適合環(huán)境溫度變化大的應(yīng)用場合。（7）L-HS液壓油用低溫性能好的合成油為基礎(chǔ)油，添加與低凝液壓油（L-HV）相似的添加劑，構(gòu)成凝點達(dá)-45℃以下的低溫液壓油。適合嚴(yán)寒地區(qū)冬季野外作業(yè)使用。（8）專用液壓油航空液壓油，艦船液壓油等三、難燃液壓液ISO6743/4—1982”的規(guī)定，難燃液壓液主要有下列4種類型（HFA、HFB、HFC、HFD）1．HFA液壓液（HFAE、HFAS）（1）HFAEHFAE又名高水基乳化液，或稱水包油乳化液。由95%左右的水與由礦物油（或其他類型油類）及乳化劑、緩蝕劑、防霉劑等組成的濃縮液調(diào)制而成。通過乳化劑的作用，油液以分散顆粒的形式分布在作為連續(xù)相的水中，油粒尺寸比較大（8μm以上），呈乳白色。它的缺點是乳化穩(wěn)定性差，油水易分離，潤滑性不好，過濾性差，目前國外很少用它作液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)。

（2）HFASHFAS又名高水基合成液。其中不含油，由95%左右的水和含有多種水溶性（或半水溶性）添加劑的濃縮液調(diào)制而成，為透明狀。其潤滑性、過濾性能等均比HFAE好。2．HFB液壓液HFB又稱油包水乳化液。它由60%的礦物油、40%的水及多種添加劑借助乳化劑的作用形成相對穩(wěn)定的乳化混合體，水以分散顆粒的形式分布。3.HFC液壓液HFC又稱水-乙二醇。它含35%~55%的水，其余為能溶于水的乙二醇、丙二醇或它們的聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、防銹、消泡等添加劑.HFC為呈透明的真溶液。4、HFDR無水合成液HFDR又名磷酸酯液壓液。它是由無水磷酸酯作為基礎(chǔ)液再加入粘度指數(shù)改進(jìn)劑、抗氧防銹劑、抗泡劑等多種添加劑調(diào)制而成。主要用于兩方面，一是用在大型民航客機的液壓系統(tǒng)中；二是在接近高溫?zé)嵩椿蛎骰鸶浇母邷?、高壓系統(tǒng)中作為工業(yè)難燃液壓液。

5、水介質(zhì)水便于使用、易于獲得成本低、環(huán)保和消防安全等優(yōu)點使水壓技術(shù)重新獲得應(yīng)用。特別是在海洋環(huán)境和江河湖泊等場合更顯優(yōu)勢，如艦船液壓系統(tǒng)。考慮方面內(nèi)容系統(tǒng)工作環(huán)境是否阻燃（閃點、燃點）抑制嗓聲的能力（空氣溶解度、消泡性）廢液再生處理及環(huán)保要求系統(tǒng)工作條件壓力范圍（潤滑性、承載能力）溫度范圍（粘度、粘－溫特性、剪切損失、熱穩(wěn)定性、揮發(fā)度、低溫流動性）轉(zhuǎn)速（氣蝕、對支承面浸潤能力）工作介質(zhì)的品質(zhì)物理化學(xué)指標(biāo)對金屬和密封件等的相容性過濾性能、吸氣情況、去垢能力銹蝕性抗氧化穩(wěn)定性剪切穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性價格及使用壽命貨源情況維護(hù)、更換的難易程度選擇工作介質(zhì)時考慮的因素四、工作介質(zhì)的選用工作介質(zhì)的選擇通常要經(jīng)歷下述四個基本步驟：1）列出液壓系統(tǒng)對工作介質(zhì)以下性能變化范圍的要求：粘度、密度、體積模量、飽和蒸氣壓、空氣溶解度、溫度界限、壓力界限、阻燃性、潤滑性、相容性、污染性等；2）查閱產(chǎn)品說明書，選出符合或基本符合上述各項要求的工作介質(zhì)品種；3）進(jìn)行綜合權(quán)衡，調(diào)整各方面的要求和參數(shù)；4）與供貨廠商聯(lián)系，最終決定所采用的合適工作介質(zhì)。一、重量、重度、密度、比重

1.重量

所有物質(zhì)，不論固體或流體，都受到地心引力的作用。這個力稱為物體的重力，并與物體的質(zhì)量成正比，定義為：

W－流體的重量（N）；

m－流體的質(zhì)量（kg）；

g－重力加速度（9.8m/s2）。Ⅱ、液壓油主要的物理性質(zhì)2.重度

重度被定義為單位體積流體的重量，即：

γ－重度（N/m3）；

W－重量（N）；

V－體積（m3）；大多數(shù)油液的重度大約為8792N/m3。然而，根據(jù)油液種類的不同，其重度在8635N/m3和9106N/m3之間變化。3.密度

其定義是單位體積的質(zhì)量：

ρ－密度（kg/m3）

m－質(zhì)量（kg）

V－體積（m3）密度與重度有如下關(guān)系：

4.比重

給定流體的比重（Sg）是流體的重度與4℃純水的重度之比，即油液的比重：

工作介質(zhì)密度ρ/（kg·m－3）工作介質(zhì)密度ρ/（kg·m－3）抗磨液壓液L－HM32抗磨液壓液L－HM46油包水乳化液L－HFB水包油乳化液L－HFAE0.8×1030.8875×1030.932×1030.9977×103水－乙二醇液壓液L－HFC通用磷酸脂液壓液L－HFDR飛機用磷酸酯液壓液L－HFDR10號航空液壓油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表1-2常用液壓傳動工作介質(zhì)的密度（20℃）純水的密度：1.0×103kg/m3

一般液壓油的密度可?。?00kg/m3

二、可壓縮性——體積彈性模量

液體受壓力而發(fā)生體積變小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。1、液體的壓縮系數(shù)

單位壓力引起的液體體積變化率：

k－壓縮系數(shù)（MPa-1）V－初始體積（m3）Δp－壓力變化值（MPa）ΔV－體積變化值（m3）注：負(fù)號說明隨著壓力的增加，體積減小。同時使k為正值。ΔV=壓縮后體積-初始體積2、體積彈性模量液壓系統(tǒng)的剛度與油液的不可壓縮性有直接關(guān)系。體積彈性模量是不可壓縮性的度量值。體積彈性模量越高，流體的可壓縮性越小或流體的剛性越大。

其中：K－體積彈性模量（MPa）；

V－初始體積（m3）；

Δp－壓力變化值（MPa）；ΔV－體積變化值（m3）。

注：ΔV=壓縮后體積-初始體積工作介質(zhì)體積模量K/MPa工作介質(zhì)體積模量K/MPa石油基液壓油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液壓液磷酸酯液壓液3.45×1032.65×103表1-3各種工作介質(zhì)的體積模量（20℃，大氣壓）3、液體的彈性模量的特點（1）、油液的體積彈性模量隨其壓力和溫度的變化而變化，但是，在大多數(shù)流體傳動系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，這些變化因素均可忽略不計。（2）、一般計算時，液壓油的可壓縮性忽略不計，但做液壓元件或液壓系統(tǒng)的動態(tài)分析時，必須考慮彈性模量。（3）、當(dāng)液體中混入空氣時，可壓縮性將顯著增加，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作性能，因而在液壓系統(tǒng)中應(yīng)使油液中的空氣含量減少到最低限度。例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設(shè)氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設(shè)氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設(shè)氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設(shè)氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-3：圖示為充滿油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸內(nèi)的長度L=6cm,油液的體積彈性模量K=1.5×109Pa?，F(xiàn)加重物W=5×104N，若加壓前缸內(nèi)壓力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁變形，求加重物后柱塞下降距離是多少？例題2-3：圖示為充滿油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸內(nèi)的長度L=6cm,油液的體積彈性模量K=1.5×109Pa?，F(xiàn)加重物W=5×104N，若加壓前缸內(nèi)壓力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁變形，求加重物后柱塞下降距離是多少？三、液體的粘性和粘度1、液體的粘性液體在外力作用下流動時，液體分子間的內(nèi)聚力（內(nèi)摩擦力）阻礙其相對運動的性質(zhì)內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦應(yīng)力（液層的切應(yīng)力）2、液體的粘度度量液體粘性大小的物理量(1)動力粘度單位速度梯度上的內(nèi)摩擦力——表征液體粘性的內(nèi)摩擦系數(shù)Pa?S單位：(2)運動粘度動力粘度與密度之比值，沒有明確的物理意義,但是工程實際中常用的物理量。單位：m2/s、mm2/sN32=32mm2/s/dydu==粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110常用液壓油運動粘度等級國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已規(guī)定統(tǒng)一采用運動粘度來表示油的粘度。習(xí)題2-4圖示一粘度計，若D=100mm，d=98mm，L=200mm，外筒轉(zhuǎn)速n=8r/s,測得轉(zhuǎn)矩T=40N．cm，試求油液的粘度。習(xí)題2-6圖示一直徑為200mm的圓盤，與固定圓盤端面的間隙為0.02mm，其間充滿液壓油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度為900kg/m3,轉(zhuǎn)盤以1500r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，求驅(qū)動轉(zhuǎn)盤所需的轉(zhuǎn)矩。習(xí)題2-6圖示一直徑為200mm的圓盤，與固定圓盤端面的間隙為0.02mm，其間充滿液壓油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度為900kg/m3,轉(zhuǎn)盤以1500r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，求驅(qū)動轉(zhuǎn)盤所需的轉(zhuǎn)矩。rdr(3)相對粘度雷式粘度〞R——英國、歐洲賽式粘度SSU——美國

恩式粘度°E——俄國、德國、中國

單位：無量綱21tt0Et=

工程上常先測出液體的恩氏粘度，再根據(jù)關(guān)系式或查表換算出動力粘度或運動粘度（例題2-1）。關(guān)系式：200ml溫度為t的被測液體流經(jīng)恩氏粘度計小孔（直徑為28mm）所用時間t1與同體積20度的水通過小孔所用時間t2之比（1）溫度對粘度的影響溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液體的粘度對溫度的變化十分敏感：溫度升高，粘度下降，這一特性稱為液體的粘－溫特性。3、影響粘度的因素（2）壓力對粘度的影響

壓力增大時，液體分子間距離縮小，內(nèi)聚力增加，粘度也會有所變大。但是這種影響在低壓時并不明顯，可以忽略不計；當(dāng)壓力大于50MPa時，其影響才趨于顯著。壓力對粘度的影響可用下式計算：vp=vaecp≈va(1+cp)

式中p—液體的壓力，單位為MPa；

vp—壓力為p時液體的運動粘度，單位為m2/s；

va—大氣壓力下液體的運動粘度，單位為m2/s；

e—自然對數(shù)的底；

c—系數(shù)，對于石油基液壓油，c=0.015~0.035MPa-1

（3）氣泡對粘度的影響

液體中混入直徑為0.25~0.5mm懸浮狀態(tài)氣泡時，對液體的粘度有一定影響，其值可按下式計算：vb=v0(1+0.015b)

式中b—混入空氣的體積分?jǐn)?shù)；

vb—混入b空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s；

v0—不含空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s。在液壓系統(tǒng)所有元件中，液壓泵的工作條件最為嚴(yán)峻，不但壓力高、轉(zhuǎn)速高和溫度高，而且工作介質(zhì)在被液壓泵吸入和由液壓泵壓出時要受到剪切作用，所以一般根據(jù)液壓泵的要求來確定介質(zhì)的粘度。表1-8（見教材P15）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍及推薦牌號。此外，選擇工作介質(zhì)的粘度時，還應(yīng)考慮環(huán)境溫度、系統(tǒng)工作壓力、執(zhí)行元件運動類型和速度以及泄漏等因素：當(dāng)環(huán)境溫度高、壓力高，往復(fù)運動速度低或旋轉(zhuǎn)運動時，或泄漏量大，而運動速度不高時宜有用粘度較高的工作介質(zhì)，以減少系統(tǒng)泄漏；當(dāng)環(huán)境溫度低、壓力低，往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)運動速度高時，宜采用粘度低的工作介質(zhì)，以減少液流功率損失。固體顆粒和膠狀生成物堵塞濾油器，使液壓泵吸油不暢、運轉(zhuǎn)困難、產(chǎn)生噪聲；堵塞閥類元件的小孔或縫隙，使閥類元件動作失靈。微小固體顆粒會加速有相對滑動零件表面的磨損，使液壓元件不能正常工作；同時還會劃傷密封件，使泄漏流量增加。水分和空氣的混入會降低液壓油液的潤滑性，并加速其氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞；使液壓傳動系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等現(xiàn)象。第二節(jié)、液壓油的污染及控制1、液壓油污染的危害工作介質(zhì)的維護(hù)關(guān)鍵是控制污染。實踐證明，工作介質(zhì)被污染是系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，它嚴(yán)重影響著液壓系統(tǒng)的可靠性及元件的壽命。工作介質(zhì)遭受污染的原因是多方面的，污染物的來源如表所示。表中液壓裝置組裝時殘留下來的污染物主要是