第二章液压液

第二章液压液第一页，共二十九页，2022年，8月28日第一节液压液的特性和选择液压液有两大类，即石油基液压油和难燃液压油。在液压传动系统中所使用的液压油液大多数是石油基的矿物油。一、液压液的分类1）石油基的液压油是以机械油为基料，精炼后按需要加入适当的添加剂而制成。2）添加剂有两类：来改善油液化学性质的添加剂，如抗氧化剂、防锈剂等；用来改善油液物理性质的添加剂，如增粘剂、抗磨剂等。3）油基的液压油润滑性好，但抗燃性差。由此又研制出难燃型液压液（含水型、合成型等）供选择，以满足轧钢机、压铸机、挤压机等对耐高温、热稳定、不腐蚀、不挥发、防火等方面的要求。第二页，共二十九页，2022年，8月28日表2-1液压液的分类组别符号应用范围特殊应用更具体应用组成和特性产品符号ISO-L典型应用备注H液压系统液体静压系统无抑制剂的精致矿油HH精致矿油，并改善其防锈和抗氧性HLHL油，改善抗磨性HM有高负荷部件的一般液压系统HL油，改善粘温性HRHM油，改善粘温性HV建筑和船舶设备无特定难燃性的合成液HS特殊性能第三页，共二十九页，2022年，8月28日H液压系统液体静压系统用于要求使用环境可接受液压液的场合甘油三酯HEYG一般液压系统每个品种的基础液的最少含量不少于70%聚乙二醇HEPG合成酯HEES聚烯烃和相关烃类产品HEPR液压导轨系统HM油，具有抗粘-滑性HG液压和滑动轴承导轨润滑系统合用的机床在低速下使振动或间断滑动减为最小具有多种用途，但并非皆有效用于使用难燃液压液的场合水包油型乳化液HFAE通常含水量大于80%化学水溶液HFAS通常含水量大于80%油包水乳化液HFB含聚合物水溶液HFC含水量大于35%磷栓酯无水合成液HFDR其他成分的无水合成液HFDU第四页，共二十九页，2022年，8月28日2.液压液的物理性质（1）密度密度：对于均质液体，单位体积内的液体质量被称为密度。（2.1）液压油液的密度因液体的种类而异。常用液压油液的密度数值见表2.2。重度：对于均质液体，单位体积内的液体重量被称为重度。（2.2）种类液压油L-HM32液压油L-HM46水包油乳化液（L-HFAE）油包水乳化液（L-HFB）水-乙二醇（L-HFC）磷酸酯（L-HFDR）/（kg﹒m-3）0.87×1030.875×1030.9977×1030.932×1031.06×1031.15×103第五页，共二十九页，2022年，8月28日液体可压缩性的大小可以用体积压缩系数

来表示，其定义为：受压液体在单位压力变化时发生的体积相对变化量，即(2.4)式中Δp——压力变化量（Pa）；ΔV——在Δp作用下，液体体积的变化量（m3）；V0——压力变化前的液体体积（m3）。因为压力增大时液体的体积减小，所以上式的右边加一负号，以便使液体的体积压缩系数

为正值。（2）液压液的可压缩性液体在受压力作用时，其体积减小。液体在受压力的作用而使液体体积发生变化的性质被称为液体的可压缩性。第六页，共二十九页，2022年，8月28日液体体积压缩系数的倒数被称为液体的体积弹性模量，简称体积模量，用K表示。即：

(2.5)体积弹性模量K表示液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量。在使用中，可用K值来说明液体抵抗压缩能力的大小。石油基液压油体积模量的数值是钢（K＝2.06×105MPa）的1/（100~150），即它的可压缩性是钢的100~150倍。但在实际使用中，由于在液体内不可避免地会混入空气等原因，使其抗压缩能力显著降低，这会影响液压系统的工作性能。因此，在有较高要求或压力变化较大的液压系统中，应尽量减少油液中混入的气体及其它易挥发性物质（如煤油、汽油等）的含量。由于油液中的气体难以完全排除，在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7103MPa左右。第七页，共二十九页，2022年，8月28日封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一根弹簧，外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。在液体承压面积A不变时（见图2.1），可以通过压力变化（为外力变化值）、体积变化（为液柱长度变化值）和体积模量求出它的液压弹簧刚度，即：(2.6)液压油液的可压缩性对高压或研究系统动态性能及计算远距离操纵时影响较大，但当液压传动系统在静态（稳态）下工作时，一般可以不予考虑。图2.1液压弹簧刚度计算第八页，共二十九页，2022年，8月28日石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5%~25%的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增大。由于空气的可压缩性很大，因此当液压液中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.7~1.4）×103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统液压液中的游离空气的含量。在液压传动技术中，液压油液最重要的特性是它的可压缩性和粘性。第九页，共二十九页，2022年，8月28日（3）液压液的粘性A）表现：液体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，由此产生一种内摩擦力，这种现象被称为液体的粘性。

液体流动时，由于液体的粘性以及液体和固体壁面间的附着力，会使液体内部各液层间的流动速度大小不等。如图2.2所示，设两平行平板间充满液体，下平板不动，上平板以速度u0向右平移。由于液体的粘性作用，紧贴下平板液体层的速度为零，紧贴上平板液体层的速度为u0，而中间各液层的速度则视它距下平板距离的大小按线性规律或曲线规律变化。实验表明，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A和液层间的速度梯度du/dy成正比，即：图2.2液体粘性示意图动画第十页，共二十九页，2022年，8月28日B）度量：液体粘性的大小用粘度来表示。常用的液体粘度表示方法有三种，即动力粘度、运动粘度和相对粘度。（a）动力粘度μ动力粘度又称为绝对粘度(2.10)

液体动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的法定计量单位为Pas（1Pas=1Ns/m2），以前沿用的单位为P（泊，dyns/cm2），它们之间的关系是，1Pas=10P。第十一页，共二十九页，2022年，8月28日（b）运动粘度

液体的动力粘度μ

与其密度

的比值被称为液体的运动粘度，即：(2.11)

液体的运动粘度没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量，所以被称为运动粘度。它的法定计量单位为m2/s，以前沿用的单位为St（斯），它们之间的关系是：1m2/s=104St=106cSt（厘斯）我国液压油的牌号就是用它在温度为40℃时的运动粘度（厘斯）平均值来表示的。例如32号液压油，就是指这种油在40℃时的运动粘度平均值为32mm2/s。第十二页，共二十九页，2022年，8月28日（c）相对粘度动力粘度和运动粘度是理论分析和计算时经常使用到的粘度单位，但它们都难以直接测量。因此，在工程上常常使用相对粘度。相对粘度又称为条件粘度，它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。用相对粘度计测量出它的相对粘度后，再根据相应的关系式换算出运动粘度或动力粘度，以便于使用。中国、德国等采用的相对粘度为恩氏粘度E，美国用赛氏粘度SSU，英国用雷氏粘度R，等等。第十三页，共二十九页，2022年，8月28日用恩氏粘度计测定液压油的恩氏粘度：把200mL温度为t(℃)的被测液体装入恩氏粘度计的容器内，测出液体经容器底部直径为2.8mm的小孔流尽所需时间t1(s)，并将它和同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需时间t2(s)（通常t2=51s）相比，其比值即是被测液体在温度t(℃)下的恩氏粘度，即Et=t1/t2。一般以20℃、40℃及100℃作为测定液体恩氏粘度的标准温度，由此而得到被测液体的恩氏粘度分别用E20、E40和E100来标记。恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式为：(2.12)式中，ν

的单位为m2/s。第十四页，共二十九页，2022年，8月28日C).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。用粘度指数VI来度量，它表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之比。通常在各种液压液的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高，说明粘度随温度变化小，其粘-温特性好。粘度指数一般要选用90以上，优异的在100以上。D).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。当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。记住：粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）粘度随压力升高而变大（粘压特性）第十五页，共二十九页，2022年，8月28日压力对粘度的影响可用下式计算：p——液体的压力，单位MPavp——压力为p时液体的运动粘度，单位为m2/sva——大气压力下液体的运动粘度，单位为m2/se——自然对数的底c——系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035MPa-1E).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。其值可以用下式计算：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/sv0——不含空气时液体的运动粘度，单位为m2/s（4）其他性质液压液还有其他一些性质，如稳定性、抗泡沫性。抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性等，对它的选择和使用有重要影响。第十六页，共二十九页，2022年，8月28日3.对液压液的要求不同的液压传动系统、不同的使用条件对液压工作介质的要求也不相同，为了更好地传递动力和运动，液压传动系统所使用的工作介质（液压油液）应具备以下的基本性能：（1）合适的粘度，并具有较好的粘温特性，润滑性能好；（2）质地纯净、杂质少，并对金属和密封件有良好的相容性；（3）对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性；（4）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（5）体积膨胀系数小，比热容大，流动点和凝固点低，闪点和燃点高；（6）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。另外，对轧钢机、压铸机、挤压机、飞机等处则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等要求。第十七页，共二十九页，2022年，8月28日正确合理地选用和维护液压液，对保证液压传动系统正常工作、满足环境条件、延长液压传动系统和液压元件的使用寿命以及提高液压传动系统的工作可靠性以及防止事故发生等都有重要影响。对液压液的选用，包含两方面：品种和粘度。参考（表2.6、表2.7）首先应根据液压传动系统的工作环境和工作条件来选择合适的液压液类型，然后再选择液压液的粘度。植物油及动物油中含有酸性和碱性杂质，腐蚀性大、化学稳定性差。因此，在液压传动系统中一般常采用矿物油。4.液压液的选择和使用第十八页，共二十九页，2022年，8月28日

选择液压液的粘度液压液的类型选定后，再选择液压油的粘度，即牌号。粘度太大，液流的压力损失和发热大，使系统的效率降低；粘度太小，泄漏增大，也会使液压系统的效率降低。因此，应选择使系统能正常、高效和可靠工作的油液粘度。在液压传动系统中，液压泵的工作条件最为严峻。它不但压力大、转速和温度高，而且液压油液被泵吸入和被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液压油液的粘度。同时，因油温对油液的粘度影响极大，过高的油温不仅改变了油液的粘度，而且还会使常温下平和、稳定的油液变得带有腐蚀性，分解出不利于使用的成分，或因过量的汽化而使液压泵吸空，无法正常工作。所以，应根据具体情况控制油温，使泵和系统在油液的最佳粘度范围内工作。第十九页，共二十九页，2022年，8月28日

此外，选择液压液的粘度是，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量等因素：当环境温度高、压力高，往复运动速度地或旋转运动时，或泄漏量打，二运动速度不高时，宜采用粘度较高的液压液，以减少系统泄露；当环境温度低，压力低，往复运动或旋转运动速度高时，宜采用粘度低的液压液，以减少液流功率损失。液压液选择通常要经历四个步骤：1.列出液压系统对液压液一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液压液品种。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，最终决定所采用个的合适液压液第二十页，共二十九页，2022年，8月28日（二）液压液的使用液压液在某一温度和压力下的粘度是一定值，与流动情况无关，实际上液压液被过度剪切后，粘度会显著减少，因此，使用液压液时，应注意：1.对长期使用的液压液，氧化、热稳定性是决定温度界限的因素，因此，应使液压液长期处在低于它开始氧化的温度下工作。2.在储存、搬运及加注过程中，应防止液压液被污染。3.对液压液定期抽样检验，并建立定期更换制度。4.油箱的储液量应充分，以利于系统的散热。5.保持系统的密封，一旦有泄漏，就应立即排除。第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日由于高水基液压液的粘度低、泄漏大、润滑性查、易蒸发等缺点，因此使用高水基液压液时，还应注意：1.由于粘度低、泄漏大、系统的最高压力不要超过14MPa2.要防止气蚀现象，可用高置油箱使液压泵进口处压力增大，泵的转速不要超过1200r/min3.在系统浸渍不到液体的部位，金属的气相锈蚀较为严重，因此应使系统尽量地充满液压液。4.由于高水基液压液的PH值高，容易发生由金属电位差引起的腐蚀，因此应避免使用镁合金、锌、镉之类的金属5.定期检查高水基液压液的ph值，浓度、霉菌生长情况，并对其进行控制6.滤网的通流能力须4倍于泵的流量，而不是常规的2倍。第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日第二节液压液的污染及控制液压液的污染是系统发生故障的主要原因之一，它严重影响着液压系统的可靠性及元件的寿命。由于液压液被污染，液压元件的实际使用寿命比设计寿命低的多。因此液压液的正确使用、管理以及污染控制，是提高系统可靠性及延长元件使用寿命的重要手段。

第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日一、污染物的种类及危害

液压系统中的污染物，是指包含在液压液中的固体颗粒、水、空气、化学物质和微生物等杂物以及污染能量。液压液被污染后对液压传动系统和液压元件所造成的主要危害：固体颗粒加速元件磨损，堵塞元件中的小孔、缝隙及过滤器、使泵、阀性能下降，产生噪音。2.水的侵入会加速油液的氧化，并和添加剂起作用产生粘性胶质。使滤芯堵塞。3.空气的混入会降低液压液的体积模量，引起气蚀，降低润滑性4.溶剂、表面活性化合物化学物质会使金属腐蚀。5.微生物的生成使液压液变质，降低润滑性能，加速元件腐蚀。对高水基液压液的畏寒更大。此外，不正常的热能、静电能、磁场能及放射能等也是对液压液有危害的污染能量第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日二.液压液污染原因液压油液被污染的原因是很复杂的，但大体上有以下三个方面：（1）残留物的污染主要指液压元件以及管道、油箱在制造、储存、运输、安装、维修过程中，带入的砂粒、铁屑、磨料、焊渣、锈片、棉纱和灰尘等，虽然经过清洗，但未清洗干净而残留下来的残留物所造成的液压油液污染；（2）侵入物的污染主要指周围环境中的污染物，例如空气、尘埃、水滴等通过一切可能的侵入点，如外露的活塞杆、油箱的通气孔和注油孔等侵入系统所造成的液压油液污染；（3）生成物的污染主要指液压传动系统在工作过程中所产生的金属微粒、密封材料磨损颗粒、涂料剥离片、水分、气泡及油液变质后的胶状物等所造成的液压油液污染。第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日三.液压液测定油液污染测定方法有质量测定法和颗粒计数法两种：（1）质量测定法把100ml的油液样品进行真空过滤并烘干后，在精密天平上称出颗粒的质量，然后依标准定出污染等级。这种方法只能表示油液中颗粒污染物的总量，不能反映颗粒尺寸的大小及其分布情况。方法简单、方便、重复精度高。（2）颗粒计数法颗粒计数法是测定液压液样品单位体积中不同尺寸范围内颗粒污染物的颗粒数，即指单位体积油液中含有某给定尺