第二章液压传动介质

第二章液压传动介质矿物油乳化剂磷酸酯海水Ⅰ、液压传动介质的要求与种类液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下：1）传动把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件；2）润滑润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件；3）冷却吸收并带出液压装置所产生的热量；4）去污带走工作中产生的磨粒和来自外界的污染物；5）防锈防止液压元件所用各种金属的锈蚀。为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：1）可压缩性可压缩性尽可能小，响应性好；2）粘性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好；3）润滑性通用性对液压元件滑动部位充分润滑；4）稳定性不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长；5）防锈和抗腐蚀性对铁及非铁金属的锈蚀性小；6）抗泡沫性介质中的气泡容易逸出并消除；7）抗乳化性除含水液压液外的油液，油水分离要容易；8）洁净性质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离；9）阻燃性燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性；能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的，但工作介质的性质对设备的正常工作和使用寿命有着决定性的影响，需要注意工作介质的选用。工作介质类别组成与特性代号石油基液压液（液压油）无添加剂的石油基液压液HH+抗氧化剂、防锈剂HL+抗磨剂HL+增粘剂HM+增粘剂HM+防爬剂无特定难燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS难燃液压液含水液压液高含水液压液水包油乳化液水的化学溶液含水大于80%（休积分数）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液含水小于80%（体积分数）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液压液磷酸酯无水合成液L－HFDL－HFDR氯化烃无水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的无水合成液L－HFDT其他成分的无水合成液L－HFDU表1-1液压传动工作介质的种类有关液压工作介质的分类标准:ISO标准：ISO6743/4—1982《润滑剂、工业润滑油和有关产品（L类）的分类—第四部分：H组（液压系统）》国家标准GB/T7631.2—1987等效采用上述标准。

有关液压油的分类标准:

GB11118.1—1994《矿物油型和合成烃型液压油》将我国长期以来液压油产品品种集中在一个国家标准内，形成了新的液压油品种系列，包括HH、HL、HM、HR、HV、HG、HS等类。其品种基本上能满足各类液压设备的需要，并与国际上液压油的品种相当。常用的矿物液压油：常添加抗磨、防锈、抗氧化、抗泡和抗乳化二、液压油1、石油的生成

在地球不断演化的漫长历史过程中，大量的植物和动物死亡后，构成其身体的有机物质不断分解，与泥沙等物质混合组成沉积层。当温度和压力达到一定程度后，沉积物中动植物的有机物质转化为碳氧化合物分子，最终生成石油和天然气。2、石油产品的分类石油经过加工提炼，可以得到的产品大致可分为四大类：

一、石油燃料航空汽油，车用汽油、航空煤油、柴油机燃料、液化石油气燃料二、润滑油和润滑脂的基本成分数量只占全部石油产品的5%左右。

三、蜡、沥青和石油焦

四、溶剂和石油化工产品3、润滑油——液压油

润滑油用在液压系统时称为液压油，一般可以互相取代。润滑油一般由基础油和添加剂两部分组成。基础油是润滑油的主要成分，由原油提炼而成，决定着润滑油的基本性质，添加剂是润滑油的精髓，正确选用合理加入，可改善其物理化学性质，对润滑油赋予新的特殊性能。

目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。一般常用的添加剂有：粘度指数改进剂，倾点下降剂，抗氧化剂，清净分散剂，摩擦缓和剂，油性剂，极压剂，抗泡沫剂，金属钝化剂，乳化剂，防腐蚀剂，防锈剂，破乳化剂，抗氧抗腐剂等。（1）液压油（L-HH）不加或少加抗氧剂和其它任何添加剂的精练矿物油，不宜作为液压油，可用作润滑油。（2）普通液压油（L-HL）添加防锈和抗氧化稳定剂，用于机床主轴箱和齿轮箱润滑油，要求较高的低压系统。5、液压油的种类

（3）抗磨液压油（L-HM）在防锈、抗氧化型液压油的基础上添加抗磨剂。适用中高压系统和承受中等载荷的润滑油。（4）液压导轨油（L-HG）加油性剂，防低速爬行，用于液压和机床静压导轨合用一个系统的场合，但不适用高压液压系统。（5）低凝液压油（L-HV）低温使用。添加粘度指数改进剂、降凝剂等多种添加剂调制而成。粘度指数大，适合工作温度变化范围大、高寒野外作业的场合。（6）高粘度指数液压油（L-HR）粘温特性好，粘度指数可达175。适合环境温度变化大的应用场合。（7）L-HS液压油用低温性能好的合成油为基础油，添加与低凝液压油（L-HV）相似的添加剂，构成凝点达-45℃以下的低温液压油。适合严寒地区冬季野外作业使用。（8）专用液压油航空液压油，舰船液压油等三、难燃液压液ISO6743/4—1982”的规定，难燃液压液主要有下列4种类型（HFA、HFB、HFC、HFD）1．HFA液压液（HFAE、HFAS）（1）HFAEHFAE又名高水基乳化液，或称水包油乳化液。由95%左右的水与由矿物油（或其他类型油类）及乳化剂、缓蚀剂、防霉剂等组成的浓缩液调制而成。通过乳化剂的作用，油液以分散颗粒的形式分布在作为连续相的水中，油粒尺寸比较大（8μm以上），呈乳白色。它的缺点是乳化稳定性差，油水易分离，润滑性不好，过滤性差，目前国外很少用它作液压系统的工作介质。

（2）HFASHFAS又名高水基合成液。其中不含油，由95%左右的水和含有多种水溶性（或半水溶性）添加剂的浓缩液调制而成，为透明状。其润滑性、过滤性能等均比HFAE好。2．HFB液压液HFB又称油包水乳化液。它由60%的矿物油、40%的水及多种添加剂借助乳化剂的作用形成相对稳定的乳化混合体，水以分散颗粒的形式分布。3.HFC液压液HFC又称水-乙二醇。它含35%~55%的水，其余为能溶于水的乙二醇、丙二醇或它们的聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、防锈、消泡等添加剂.HFC为呈透明的真溶液。4、HFDR无水合成液HFDR又名磷酸酯液压液。它是由无水磷酸酯作为基础液再加入粘度指数改进剂、抗氧防锈剂、抗泡剂等多种添加剂调制而成。主要用于两方面，一是用在大型民航客机的液压系统中；二是在接近高温热源或明火附近的高温、高压系统中作为工业难燃液压液。

5、水介质水便于使用、易于获得成本低、环保和消防安全等优点使水压技术重新获得应用。特别是在海洋环境和江河湖泊等场合更显优势，如舰船液压系统。考虑方面内容系统工作环境是否阻燃（闪点、燃点）抑制嗓声的能力（空气溶解度、消泡性）废液再生处理及环保要求系统工作条件压力范围（润滑性、承载能力）温度范围（粘度、粘－温特性、剪切损失、热稳定性、挥发度、低温流动性）转速（气蚀、对支承面浸润能力）工作介质的品质物理化学指标对金属和密封件等的相容性过滤性能、吸气情况、去垢能力锈蚀性抗氧化稳定性剪切稳定性经济性价格及使用寿命货源情况维护、更换的难易程度选择工作介质时考虑的因素四、工作介质的选用工作介质的选择通常要经历下述四个基本步骤：1）列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求：粘度、密度、体积模量、饱和蒸气压、空气溶解度、温度界限、压力界限、阻燃性、润滑性、相容性、污染性等；2）查阅产品说明书，选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种；3）进行综合权衡，调整各方面的要求和参数；4）与供货厂商联系，最终决定所采用的合适工作介质。一、重量、重度、密度、比重

1.重量

所有物质，不论固体或流体，都受到地心引力的作用。这个力称为物体的重力，并与物体的质量成正比，定义为：

W－流体的重量（N）；

m－流体的质量（kg）；

g－重力加速度（9.8m/s2）。Ⅱ、液压油主要的物理性质2.重度

重度被定义为单位体积流体的重量，即：

γ－重度（N/m3）；

W－重量（N）；

V－体积（m3）；大多数油液的重度大约为8792N/m3。然而，根据油液种类的不同，其重度在8635N/m3和9106N/m3之间变化。3.密度

其定义是单位体积的质量：

ρ－密度（kg/m3）

m－质量（kg）

V－体积（m3）密度与重度有如下关系：

4.比重

给定流体的比重（Sg）是流体的重度与4℃纯水的重度之比，即油液的比重：

工作介质密度ρ/（kg·m－3）工作介质密度ρ/（kg·m－3）抗磨液压液L－HM32抗磨液压液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－乙二醇液压液L－HFC通用磷酸脂液压液L－HFDR飞机用磷酸酯液压液L－HFDR10号航空液压油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表1-2常用液压传动工作介质的密度（20℃）纯水的密度：1.0×103kg/m3

一般液压油的密度可取：900kg/m3

二、可压缩性——体积弹性模量

液体受压力而发生体积变小的性质称为液体的可压缩性。1、液体的压缩系数

单位压力引起的液体体积变化率：

k－压缩系数（MPa-1）V－初始体积（m3）Δp－压力变化值（MPa）ΔV－体积变化值（m3）注：负号说明随着压力的增加，体积减小。同时使k为正值。ΔV=压缩后体积-初始体积2、体积弹性模量液压系统的刚度与油液的不可压缩性有直接关系。体积弹性模量是不可压缩性的度量值。体积弹性模量越高，流体的可压缩性越小或流体的刚性越大。

其中：K－体积弹性模量（MPa）；

V－初始体积（m3）；

Δp－压力变化值（MPa）；ΔV－体积变化值（m3）。

注：ΔV=压缩后体积-初始体积工作介质体积模量K/MPa工作介质体积模量K/MPa石油基液压油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液压液磷酸酯液压液3.45×1032.65×103表1-3各种工作介质的体积模量（20℃，大气压）3、液体的弹性模量的特点（1）、油液的体积弹性模量随其压力和温度的变化而变化，但是，在大多数流体传动系统的工作范围内，这些变化因素均可忽略不计。（2）、一般计算时，液压油的可压缩性忽略不计，但做液压元件或液压系统的动态分析时，必须考虑弹性模量。（3）、当液体中混入空气时，可压缩性将显著增加，严重影响液压系统的工作性能，因而在液压系统中应使油液中的空气含量减少到最低限度。例题2-2：某液压系统的油液中混入占体积1%的空气，求压力分别为35×105Pa和70×105Pa时该油的等效体积模量。若混入5%的空气，压力为35×105Pa时油的等效体积模量等于多少？（设气体做等温变化，管道的弹性模量忽略不计）例题2-2：某液压系统的油液中混入占体积1%的空气，求压力分别为35×105Pa和70×105Pa时该油的等效体积模量。若混入5%的空气，压力为35×105Pa时油的等效体积模量等于多少？（设气体做等温变化，管道的弹性模量忽略不计）例题2-2：某液压系统的油液中混入占体积1%的空气，求压力分别为35×105Pa和70×105Pa时该油的等效体积模量。若混入5%的空气，压力为35×105Pa时油的等效体积模量等于多少？（设气体做等温变化，管道的弹性模量忽略不计）例题2-2：某液压系统的油液中混入占体积1%的空气，求压力分别为35×105Pa和70×105Pa时该油的等效体积模量。若混入5%的空气，压力为35×105Pa时油的等效体积模量等于多少？（设气体做等温变化，管道的弹性模量忽略不计）例题2-3：图示为充满油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸内的长度L=6cm,油液的体积弹性模量K=1.5×109Pa。现加重物W=5×104N，若加压前缸内压力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁变形，求加重物后柱塞下降距离是多少？例题2-3：图示为充满油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸内的长度L=6cm,油液的体积弹性模量K=1.5×109Pa。现加重物W=5×104N，若加压前缸内压力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁变形，求加重物后柱塞下降距离是多少？三、液体的粘性和粘度1、液体的粘性液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力（内摩擦力）阻碍其相对运动的性质内摩擦力内摩擦应力（液层的切应力）2、液体的粘度度量液体粘性大小的物理量(1)动力粘度单位速度梯度上的内摩擦力——表征液体粘性的内摩擦系数Pa•S单位：(2)运动粘度动力粘度与密度之比值，没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物理量。单位：m2/s、mm2/sN32=32mm2/s/dydu==粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110常用液压油运动粘度等级国际标准化组织ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。习题2-4图示一粘度计，若D=100mm，d=98mm，L=200mm，外筒转速n=8r/s,测得转矩T=40N．cm，试求油液的粘度。习题2-6图示一直径为200mm的圆盘，与固定圆盘端面的间隙为0.02mm，其间充满液压油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度为900kg/m3,转盘以1500r/min转速旋转时，求驱动转盘所需的转矩。习题2-6图示一直径为200mm的圆盘，与固定圆盘端面的间隙为0.02mm，其间充满液压油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度为900kg/m3,转盘以1500r/min转速旋转时，求驱动转盘所需的转矩。rdr(3)相对粘度雷式粘度〞R——英国、欧洲赛式粘度SSU——美国

恩式粘度°E——俄国、德国、中国

单位：无量纲21tt0Et=

工程上常先测出液体的恩氏粘度，再根据关系式或查表换算出动力粘度或运动粘度（例题2-1）。关系式：200ml温度为t的被测液体流经恩氏粘度计小孔（直径为28mm）所用时间t1与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比（1）温度对粘度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的变化十分敏感：温度升高，粘度下降，这一特性称为液体的粘－温特性。3、影响粘度的因素（2）压力对粘度的影响

压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。压力对粘度的影响可用下式计算：vp=vaecp≈va(1+cp)

式中p—液体的压力，单位为MPa；

vp—压力为p时液体的运动粘度，单位为m2/s；

va—大气压力下液体的运动粘度，单位为m2/s；

e—自然对数的底；

c—系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035MPa-1

（3）气泡对粘度的影响

液体中混入直径为0.25~0.5mm悬浮状态气泡时，对液体的粘度有一定影响，其值可按下式计算：vb=v0(1+0.015b)

式中b—混入空气的体积分数；

vb—混入b空气时液体的运动粘度，单位为m2/s；

v0—不含空气时液体的运动粘度，单位为m2/s。在液压系统所有元件中，液压泵的工作条件最为严峻，不但压力高、转速高和温度高，而且工作介质在被液压泵吸入和由液压泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定介质的粘度。表1-8（见教材P15）给出了各种液压泵用油的粘度范围及推荐牌号。此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑环境温度、系统工作压力、执行元件运动类型和速度以及泄漏等因素：当环境温度高、压力高，往复运动速度低或旋转运动时，或泄漏量大，而运动速度不高时宜有用粘度较高的工作介质，以减少系统泄漏；当环境温度低、压力低，往复运动或旋转运动速度高时，宜采用粘度低的工作介质，以减少液流功率损失。固体颗粒和胶状生成物堵塞滤油器，使液压泵吸油不畅、运转困难、产生噪声；堵塞阀类元件的小孔或缝隙，使阀类元件动作失灵。微小固体颗粒会加速有相对滑动零件表面的磨损，使液压元件不能正常工作；同时还会划伤密封件，使泄漏流量增加。水分和空气的混入会降低液压油液的润滑性，并加速其氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速损坏；使液压传动系统出现振动、爬行等现象。第二节、液压油的污染及控制1、液压油污染的危害工作介质的维护关键是控制污染。实践证明，工作介质被污染是系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压系统的可靠性及元件的寿命。工作介质遭受污染的原因是多方面的，污染物的来源如表所示。表中液压装置组装时残留下来的污染物主要是