液压系统工作介质讲稿.docx
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液压系统工作介质讲稿
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第2章液压系统工作介质
在液压传动系统中，石油型介质——液压油具有优良的润滑性能，在应用中占主导地位。
此外还有各种特性不同的液压介质可供选择，以满足各类应用需要。
为合理选择与使用液压油，必须了解它的一些重要特性。
2.1液压油
2.1.1液压油的主要物理性质
l．密度与重度
⑴密度：
均质液体中单位体积所具有的质量称为密度（ρ），即
式中m——液体的质量；
v——液体的体积。
⑵重度：
均质液体中单位体积所具有的重量称为重度（γ），即
式中G——液体的重量；
V——液体的体积。
因为G=mg，所以
=ρg。
在国际单位制（SI）中，液体的密度单位用kg/
，重度单位用N/
。
⑶液体的密度和重度与着压力和温度的关系：
液体的密度和重度随着压力和温度的变化而变化。
在一般工作条件下，压力和温度对石油型液压油的密度和重度的影响很小，可以忽略。
在计算时可取ρ=900kg/
，
＝8.83×10
N/
。
2．压缩性
⑴压缩性：
液体受压力作用体积缩小的性质叫压缩性。
⑵压缩性的度量：
压缩性的大小用体积压缩系数
表示。
体积压缩系数：
即单位压力变化时，液体体积的相对变化量。
其单位为：
Pa-1。
其表示式为
式中△P——液体压力的变化值；
△V——液体体积在压力变化如时的变化量；
V——液体的初始体积。
式中负号是因为压力增大时，液体的体积减小，反之则增大。
为了使
值为正值，故加一负号。
⑶弹性模量：
液体体积压缩系数的倒数称为液体体积弹性模量，其单位为：
Pa。
用K表示，即
液压油的体积压缩系数
=
（5~7）×10
（Pa
），其体积弹性模量K=（1.4~2.0）×10
Pa。
钢的体积弹性模量K=2.06×1011Pa，液压油的弹性模量为钢的
。
因此，在系统压力变化不大时，液压油的压缩性可以忽略不计，即认为液压油是不可压缩的。
当系统压力变化较大，或研究液压系统的动态性能、设计液压伺服系统时，则必须考虑其压缩性。
⑷实际液压系统中油液的体积弹性模量：
在实际液压系统中，油中混有空气，使压缩性显著增加，体积弹性模量显著减小。
设封闭容器中压力增加△p后，油液体积缩小了△V
，而容器体积增大了△V
，这时油液的等效体积弹性模量K'的表达式
则
式中K—油液的体积弹性模量；
Kc—封闭容器的体积弹性模量。
3．黏性
黏性的定义：
液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生阻止液体分子相对运动的内摩擦力，液体的这种特性称为黏性。
黏性的度量：
黏性的大小用黏度表示。
黏度是液体最重要的物理特性之一，是选择液压油的
主要依据。
⑴牛顿内摩擦力定律：
①内摩擦力的产生
在图2-1中，设两平行平板之间充满油液，上平板以速度u0向右运动，下平板固定不动，紧贴在上平板的油液在附着力的作用下随上平板以相等的速度u0向右运动，紧贴在下平板的油液保持静止不动。
当两平板间距离较小时，中间油液层的速度按线性分布。
由于各层的速度不同，运动快的流层拖动慢的流层，运动慢的流层阻滞运动快的流层。
流层之间产生相互作用力，即内摩擦力。
②牛顿内摩擦力定律
实验测定，流层间的内摩擦力Fr与流层接触面积A及流层间相对运动速度du成正比，而与流层间的距离dy成反比，即
式中μ—比例系数，称为动力黏度；
—速度梯度，即流层相对速度对流层距离的变化率。
由式（2-6）知，对静止液体来说，du=0，则Fτ=0。
所以静止液体不呈现黏性。
如以τ=
表示切应力，则有
当
＞0时取“+”；
＜0时，取“-”。
动力黏度μ为常数的液体称为牛顿液体；速度梯度变化而μ值也随之变化的液体称为非牛顿液体。
除高黏度或含有特殊添加剂的液体外，一般液压油均视为牛顿液体。
⑵动力黏度
由式2-7可得动力黏度
①物理意义：
液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。
②单位：
在国际单位制（SI）中，动力黏度的单位是帕斯卡·秒（P·s），代号为帕·秒。
在工程制中用泊（P）表示，即1P=1dyn·cm
，或用厘泊（cP）表示。
之所以称为动力黏度，是因为在其量纲中有动力学的要素——力的缘故。
两种单位制的换算关系是：
1Pa·s=10P=10
cP。
⑶运动黏度
①定义：
动力黏度μ与液体密度ρ之比值叫做运动黏度（
），即
②单位：
在国际单位制（SI）中运动黏度ν以m
／s为单位。
在CGS制中以cm
/s为单位，常称为“沲”（Stocks），1St=100cSt,又有
1m2/s=106cst=10
mm
/s
运动黏度并无特殊的物理意义，只是因为在理论分析和计算中常遇到
，为方便起见采用
表示。
它的量纲中只有长度与时间，故称其为运动黏度。
③运动黏度的重要作用
我国液压油一般都采用运动黏度表示。
机械油的运动黏度直接表示在它的牌号上；每一种机械油的牌号，就是表示这种油在40℃时以mm
/s（cst或称厘沲）为单位的运动黏度ν的平均值。
例如，N32机械油，就表示其在40℃时的运动黏度平均值为32mm
/s。
ISO规定统一采用运动黏度。
⑷相对黏度
动力黏度和运动黏度都难以直接测量。
工程上常用的是便于测量的相对黏度。
相对黏度又称条件黏度。
根据测量条件不同，我国、俄罗斯和德国用恩氏黏度
，美国用国际赛氏秒SSU，英国用商用雷氏秒。
恩氏黏度的测定方法如下：
测定200cm3温度为t℃的被测液体在重力作用下流过直径为2.8mm小孔所需的时间t1，然后测出同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需时间t2。
t1与t1的比值即为被测液体在t℃的恩氏黏度值，表示为
工业一般以20℃、50℃和100℃作为测定恩氏黏度的标准温度，并相应地以符号
、
和
表示之。
⑸各种黏度的单位、符号、采用国家与换算公式
见表2-1。
⑹黏度与温度的变化关系
①变化关系：
温度升高，油的黏度下降。
②黏温图：
不同种类的油的黏度随温度变化的规律也不同。
我国常用黏温图表示油液黏度随温度变化的关系。
不同黏度等级的油液黏度与温度的关系（黏度指数＝95）如图2-2所示。
③液压油的黏度指数（VI）：
表明液压油的黏度随温度变化的程度同标准油黏度变化程度比值的相对值。
黏度指数高，则黏温特性好。
一般液压油的黏度指数要求在90以上，优异的在100以上。
⑹黏度与压力的变化关系
①变化关系：
压力增加，其分子间距离缩小，黏度增大。
②经验公式：
但压力在20MPa以下时，黏度变化不大，实际应用中可忽略不计。
当压力很高时，黏度将急剧增大，不容忽视。
矿物油系液压油的黏度与压力的关系可用下列经验公式表示：
（2-11）
式中vp—压力为P时的运动黏度；
v0—压力为1个大气压时的运动黏度；
b—系数，对于一般液压传动油，为（0.002~0.004）×10-5Pa-1；
P—油的压力（Pa）。
2.1.2 对液压油的要求
液压介质是液压系统中最重要的材料成分，是系统的生命线。
它将系统中各元件沟通起来成为一个有机整体。
液压系统对所用油液的要求主要有以下几点：
1）黏度适宜和黏温特性好适宜的黏度和良好的黏温特性对液压系统是十分重要的。
一般液压系统所用的液压油的黏度范围为
v＝（11.5~35.3）×10-6m2/s。
2）润滑性能好液压机械设备中，除液压元件外，还有一些相对运动的零件，也需要润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性和很高的油膜强度。
3）稳定性要好即对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，使用寿命长。
油液抵抗受热时发生化学变化的能力叫做它的热稳定。
热稳定性差的油液在温度升高时油的分子容易裂化或聚合，产生脂状沥青、焦油等物质。
这种化学反应是随温度升高而加快的，所以一般液压油的工作温度限制在65℃以下。
油液与空气中的氧或其他含氧物质发生反应后生成酸性化合物，能腐蚀金属。
这种化学反应的速度越慢，氧化稳定性就越好。
油液遇水发生分解变质的程度称为水解稳定性。
水解变质后的油液黏度降低，腐蚀性增加。
油液在很高的压力下流过很小的缝隙或孔时，由于机械剪切作用使油的化学结构发生变化，黏度减小。
液压系统所用的油液必须具有抗剪切稳定性不致受机械剪切作用而使黏度显著变化。
4）消泡性好油液中的泡沫一旦进人液压系统，就会造成振动、噪声以及增大油的压缩性等，因此需要液压油具有能够迅速而充分地放出气体而不致形成泡沫的性质，即消泡性。
为了改善油的消泡性，油中可加人消泡添加剂。
5）凝固点低低温流动性好。
为了保证能够在寒冷气候情况下正常工作，液压油的凝固点应低于工作环境的最低温度，保证低温流动性，在低温下能够正常工作。
6）闪点高对于高温或有明火的工作场合，为满足防火、安全的要求，油的闪点要高。
7）杂质少质地纯净，杂质含量少。
2.1.3 液压油的选用
正确、合理地选用液压油，是保证液压设备高效运行的前提，也是保证各液压元件性能、延长使用寿命的关键。
①选择液压油，应该以液压元件生产厂推荐的油品及黏度为依据。
各厂家的产品不同，所推荐的黏度值也有所不同。
但液压系统中工作最繁重的元件是泵和马达，针对泵和马达选择的油液黏度一般也适用于阀类元件。
厂家推荐的黏度范围见表2-2。
正常工作黏度范围是指液压系统油温稳定后油液黏度范围。
石油型液压油的温度范围为-20℃~+80℃。
为使油液和液压系统获得最佳使用寿命，最高温度不宜超过+65℃。
含水液压油液的温度范围为+10℃~+54℃。
无论实际温度范围如何，都必须保证油液黏度值在表2-2规定的范围内。
同一厂家生产的不同设备也应尽量选用同一牌号的油品。
②根据液压系统的工作参数等因素全面考虑
根据液压系统的工作压力、工作温度、液压元件种类及经济性等因素全面考虑，一般是先确定适用的黏度范围，再选择合适的液压油品种。
同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求，如在寒冷地区工作的系统则要求油的黏度指数高、低温流动性好、凝固点低；伺服系统则要求油质纯、压缩性小；高压系统则要求油液抗磨性好。
③黏度的重要性
在选用液压油时，黏度是一个重要的参数。
黏度的高低将影响运动部件的润滑、缝隙的泄漏以及流动时的压力损失、系统的发热温升等。
所以，在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用黏度较高的液压油，否则相反。
④要考虑液压油的品种
在选用油的品种时，一般要求不高的液压系统可选用机械油、汽轮机油或普通液压油。
对于要求条件较高或专用液压传动设备可选用各种专用液压油，如抗磨液压油、稠化液压油、低温液压油、航空液压油等。
这些油都加入了各种改善性能的添加剂，性能较好。
液压油质量指标及应用
部分国产液压油质量指标及应用见表2-3,
⑤要选用优质油品，不得选用劣质油。
劣质油对液压元件会造成较大的损害，对系统造成更多的污染，容易发生故障，影响系统的性能，缩短重要液压元件的寿命
⑥使用液压油注意事项
使用液压油，不得在受污染的油液或脏油中加兑新油液，必须清洗系统后，更换新的经过滤的油液。
2.1.4抗燃型液压介质
石油型液压油具有众多的优良特性，但它们会燃烧，且燃点比其他液压介质低。
有几种抗燃液压液可替代使用。
1．水包油乳化液（高水基液）
水包油乳化液的主要组分是基础油、乳化剂和防锈剂，并根据需要添加助溶剂、防霉剂和抗泡剂等。
基础油（5%~10%）主要作为各种添加剂的载体。
乳化液黏度低，所以通过液压元件间隙的泄漏量增加，使系统效率降低，液压系统最高工作压力不超过7Mpa；采用增黏型水包油乳化液压力可达14MPa。
由于水的饱和蒸气压较高，为防止产生气蚀，液压泵转速不宜超过1200r/min。
该液pH值高，应避免使用镁合金、锌、锡之类的金属。
目前在采煤设备液压支架上使用的水包油乳化液其动压可达18~20MPa，静压可达32MPa。
2．油包水乳化液
油包水乳化液是用黏度、凝点合适的基础油（60%）和水（40%）加人乳化剂、抗磨剂、防锈剂等调制而成。
它既具有石油型液压油的良好性能，又具有抗燃性。
它对密封橡胶材料、油箱涂料以及金属的相容性与一般液压油相近。
其使用温度不宜超过65℃。
3．水—乙二醇液
水—乙二醇液是真正的溶液，而非乳化液。
它含有三种成分，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润滑性。
其黏度选择范围很宽，黏度指数高，与大多数金属材料，如钢、铝、铜等相适应。
其使用温度为－18℃~+65℃。
但造价高。
4.磷酸酯液
磷酸酯液是一种纯净的合成液，具有很好的润滑性能。
它也是最好的抗燃介质，在高温、高压下具有更好的特性。
它对大多数金属不腐蚀，可与丁基胶、乙丙胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯相溶。
其工作温度可达135℃，但价格较高。
几种常见液压油（液）性能比较见表2-4.
2.2 液压介质的污染与控制
液压系统多数故障与液压介质受到污染有关。
污染物来自多种渠道并具有不同的形式，例如铁屑、灰尘、砂粒、水分、管件密封胶、焊渣、涂料及清洗液等均会造成液压介质污染。
2.2.1 污染源
污染源为数众多，摘要如下：
①制造残留物：
液压系统管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在安装和使用前未清洗干净，系统工作时，这些污染物进入液压油；
②空气污染
液压系统周边环境中的污染物经空气滤清器、油路板以及密封处进人介质中；
③微小颗粒侵入
液压系统工作中，液压缸活塞杆防尘圈并不能将活塞杆上非常细小的污染物刮除，相当多的微小颗粒将进人系统；
④磨损和元件老化
由于磨损和元件老化，污染物不断进入液压系统；
⑤液压油本身污染物
液压油本身也带有污染物，即使新油也可能超过系统所要求的污染度，另外，这些油品在生产、灌装、储运中也不同程度受到污染，因此说“新油”未必清洁。
2.2.2污染的影响
污染是导致绝大多数液压元件出现故障、性能不良及失效的主要原因。
1）突发性失效 较大颗粒进人液压泵或阀内，使元件完全失灵。
2）间歇性失效 污染物在阀座上造成。
3）退化性失效 污染物浓度超过元件承受能力，元件磨损加剧。
元件在磨损、侵蚀及气蚀的持续作用下发生，导致系统元件内泄漏增加。
90％的污染失效是由磨蚀造成的。
2.2.3污染的控制
从污染对液压系统的危害中可以看出，对液压系统和液压元件危害最大的是颗粒性污染。
为了控制和减轻这种颗粒性污染，采取过滤是液压油净化行之有效的方法之一。
目前液压系统中主要是采用过滤器滤掉液压油中的颗粒污染，保持液压油的清洁，达到净化的目的。
从对液压油的要求来说，液压油中的污染颗粒越少越好。
虽然过滤的方法可以做到这一点，但是液压油还不断地被污染，而且污染的速度又较快时，所使用的过滤器的寿命也就很短。
这就需要频繁地更换滤芯，其成本和代价是昂贵的。
为此用过滤的方法来控制液压油的颗粒污染时，并不要求液压油达到最干净的程度，而是从如下两方面出发提出对过滤程度的要求：
①过滤精度
根据液压元件对污染的敏感度，在保证液压系统正常工作时所允许进入系统的最大颗粒来选择过滤精度，即只滤掉液压油中较大的污染颗粒以保证液压元件不致卡住、堵塞，而能正常运转，如泵进口的粗滤器及个别液压元件前的精滤器等。
各种液压元件对污染颗粒尺寸的最大允许值可参看表2-5。
②细微颗粒的浓度
对于使液压元件磨损加剧的微小颗粒，采用部分过滤的方法，将这些细微颗粒滤出。
由于前面提到的原因，不可能将所有的细微颗粒全部滤出，因此只是在保证液压元件正常使用寿命的前提下使液压油含有细微颗粒的浓度保持在一定的范围之内，也就是使滤出的污染颗粒数量和进人液压油的污染颗粒数量相等，使污染程度处于平衡状态。
除了采取净化的措施外，还应设法减少或避免液压油被污染，如系统温度不得过高以免油氧化变质，外漏的油不得直接流回油箱，在油箱的通气孔及活塞杆处加防尘装置等。
2.2.4污染测定和污染等级
液压油污染的程度可以通过测定它的污染度判别。
测定污染度的方法：
有目测法、比色法、淤积指数法、称重法和颗粒计数法等多种。
⑴目测法：
是用眼直接观察油液的污染程度。
由于人的视力只能观察到40μm大小的颗粒，因此这种方法判别的精度较低。
⑵比色法：
是将一定体积的油液试样的污垢用滤纸滤出来，再根据滤纸的颜色来判别油液的污染程度。
这种方法需要预先制定出用做比较的标准。
⑶淤积指数法：
是根据油液中的污垢堵塞过滤器的程度来判别油液污染程度的方法。
这种方法是：
取一定体积的油液试样在定压下通过一个细孔型的过滤器，过滤器逐渐被堵塞时油液的流速逐渐减慢，因此后面一部分试样通过过滤器的时间将增长，前后两部分油液试样在通过过滤器的时间的差值即可用来表示油液的污染程度。
⑷称重法：
是取一定重量的油液试样通过过滤器，用阻留在过滤器上的污垢重量来表示油液污染的程度。
以上几种方法都比较简单，但是只能判别油液中的污垢数量的多少，而不能判别污垢颗粒的大小。
因此，用这些方法所测定的结果来表示液压油的污染程度，是不完全和不十分确切的。
因为在相同体积的油液中，当污垢的数量相同而颗粒的尺寸不同时，其对液压元件的影响是不同的。
⑸颗粒计数法：
是通过测定油液中颗粒的大小和数目确定油液污染等级的方法。
常用的颗粒计数法有显微镜法和自动计数法两种。
①显微镜法：
是用孔径为4.5μm的微孔过滤薄膜从100cm3油液试样中滤出污垢颗粒，然后放在显微镜下观察计数。
这种方法能测出大于5μm的颗粒，并可判断颗粒的种类，但操作费时，而且计数误差较大。
②自动计数法：
是用自动颗粒计数器测定油液中污垢颗粒的数目和尺寸。
自动颗粒计数器有光电式、电气式、超声波式等多种方式。
光电式自动颗粒计数器：
的工作原理是：
让油液在流动过程中穿过一柱光束，颗粒掠过光束时使光敏元件发出电脉冲信号，信号的大小与颗粒尺寸成正比例，脉冲次数等于掠过光束的颗粒数，把脉冲信号记录下来进行数据处理，就可以得出每立方厘米油液试样中各种尺寸大小的颗粒含量。
污染等级
在实际使用中，油液的污染程度可以用污染等级来定量说明。
表2-6是美国国家航空及宇宙航行空间标准NAS1638颗粒计数法污染等级标准，已为工业界所接受。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
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