第2章液压油液教学内容

第2章液压油液§2.1液压油液的性质和选择§2.2液压油液的污染及控制在液压系统中，液压油液是传递动力和信号的工作介质。同时，它还起着润滑、冷却和防锈的作用。液压系统能否可靠、有效地工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液。§2.1液压油液的性质和选择1.液压油液的种类石油型难燃型机械油汽轮机油液压油水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型种类§2.1液压油液的性质和选择类别组成与特性代号石油基液压油无添加剂的石油基液压油L-HHHH+抗氧化剂、防锈剂L-HLHL+抗磨剂L-HMHL+增粘剂L-HRHM+增粘剂L-HVHM+防爬剂L-HG难燃液压液含水液压液高含水液压液L-HFA油包水乳化液L-HFB水乙二醇L-HFC合成液压液磷酸酯L-HFDR氯化烃L-HFDSHFDR+HFDSL-HFDT其他合成液压液L-HFDU代号液压油液的物理性质(2/9)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。所加入的添加剂大致有两类：一类是用来改善油液化学性质的，如抗氧化剂、防锈剂等；另一类是用来改善油液物理性质的，如增粘剂、抗磨剂等。石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），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。我国目前的液压传动系统中仍有采用机械油和汽轮机油的。机械油是一种工业用润滑油，价格低，但物理化学性能较差，使用时易生成粘稠胶质堵塞液压元件，影响液压传动系统的性能，压力越高，越容易出现问题。液压导轨油（HG）是在抗磨液压油的基础上改善了粘—滑性的液压油，适用于液压系统和导轨润滑系统合用的设备。水包油（O/W）乳化液（HFAE）是一种乳化型高水基液，通常含水80%以上，低温性、粘温性和润滑性差，但难燃性好，价格便宜。适用于煤矿液压支柱液压传动系统和其他不要求回收废液和不要求有良好润滑性，但有良好难燃性要求机械设备的低压传动系统。水的化学溶液（HFAS）是一种含有化学品添加剂的高水基液，低温性、粘温性和润滑性差，但难燃性好，价格便宜，适用于需要难燃液的低压传动系统或金属加工设备。油包水（W/O）乳化液（HFB）通常含油60%以上，其余为水和添加剂，低温性差、难燃性比磷酸酯无水合成液差，适用于冶金、煤矿等行业的中、高压，高温和易燃场合的传动系统。液压油液的物理性质(4/9)含聚合物水溶液，即水—乙二醇液（HFC）是含乙二醇或其他聚合物的水溶液，低温性、粘温性和对橡胶适应性好，难燃性好，但比磷酸酯无水合成液差，适用于冶金和煤矿等行业的低、中压传动系统。磷酸酯无水合成液（HFDR）是以无水的各种磷酸酯为基础加入各种添加剂制成，难燃性较好，但粘温性和低温性较差，使用温度范围宽，对大多数金属不会产生腐蚀作用，但能溶解许多非金属材料，因此必须选择合适的密封材料，此外，这种液体有毒，适用于冶金、火力发电、燃气轮机等高温高压下操作的液压传动系统。其他几类难燃液压液，如：氯化烃无水合成液（HFDS），HFDR+HFDS混合液（HFDT）和其他成分的无水合成液（HFDU）等也都各有其特点，在使用时要充分了解其特性后恰当应用。液压油液的物理性质(5/9)2.液压油液的物理性质（1）密度和重度密度：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。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（2）液压油液的可压缩性液体受压力作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。液体可压缩性的大小用体积压缩系数

表示，定义为：受压液体在单位压力作用时产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）；V——压力变化前的液体体积（m3）。压力增大时液体的体积减小，所以上式的右边加一负号，以使液体的体积压缩系数

为正值。液压油液的物理性质(2/9)体积压缩系数的倒数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。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=0.7

103MPa左右。液压油液的物理性质(3/9)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)油液的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，静态（稳态）时一般可以不予考虑。

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。

图2.1液压弹簧刚度计算液压油液的物理性质(4/9)（3）液压油液的粘性

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：(2.7)图2.2液体粘性示意图液压油液的物理性质(5/9)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Pa

s（1Pa

s=1N

s/m2），以前沿用的单位为P（泊，dyn

s/cm2），它们之间的关系是，1Pa

s=10P。液压油液的物理性质(6/9)（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。液压油液的物理性质(7/9)（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。液压油液的物理性质(8/9)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。液压油液的物理性质(9/9)3.对液压油液的要求及选用

对液压油液的要求

（1）合适的粘度，较好的粘温特性，润滑性能好；（2）质地纯净、杂质少，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。

液压油液的选用首先应根据工作环境和工作条件选择合适的液压油液类型，然后再选择液压油液的粘度。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。选择液压油液类型，最主要的是考虑液压传动系统的工作环境和工作条件，若系统靠近300℃以上的高温的表面热源或有明火场所，就要选择如表2.1所示的难燃型液压液。其中对液压油液用量大的液压传动系统建议选用乳化型液压液；用量小的选用合成型液压液。当选用了石油基液压油后，首选的是专用液压油；在客观条件受到限制时也可选用普通液压油或汽轮机油。对液压油液的要求及选用(2/4)液压油液的选用优先考虑粘性ν=11.5～41.3cSt即20、30、40号机械油按工作压力p高，选μ大；p低，选μ小按环境温度T高，选μ大；T低，选μ小按运动速度v高，选μ小；v低，选μ大其他：（污染、抗燃、毒性）（相容性、稳定性、防锈抗腐）（价格、使用寿命、更换）工作条件工作环境油液质量经济性对液压油液的要求及选用(3/4)对液压油液的要求及选用(4/4)

选择液压油液的粘度类型选定后，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。§2.2液压油液的污染及控制1.液压油液污染原因液压油液被污染的原因很复杂，大体上有以下三个方面：（1）残留物的污染主要指液压元件在制造、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。2.液压油液污染危害（1）固体颗粒和胶状生成物堵塞过滤器，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；（2）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，它也会划伤密封件，使泄漏流量增加；（3）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。3.液压油液污染控制（1）减少外来的污染液压传动系统在装配前必须严格清洗，用机械的方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。液压传动系统在组装后要进行全面清洗，最好用系统工作时使用的油液清洗，特别是液压伺服系统最好要经过几次清洗来保证清洁。油箱通气孔要加空气滤清器，给油箱加油要用滤油车，对外露件应装防尘密封，并经常检查，定期更换。液压传动系统的维修，液压元件的更换、拆卸应在无尘区进行；液压油液污染控制(2/2)（2）滤除系统产生的杂质应在系统的相应部位安装适当精度的过滤器，并且要定期检查、清洗或更换滤芯；（3）控制液压油液的工作温度液压油液的工作温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。所以要限制油液的最高使用温度；（4）定期检查更换液压油液应根据液压设备使用说明书的要求和维护保养规程的有关规定，定期检查更换液压油液。更换液压油液时要清洗油箱，冲洗系统管道及液压元件。第3章液压泵3.1液压泵的功用及基本原理1.液压泵的工作原理和特点液压泵是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置，为系统提供压力油。液压传动系统中的动力元件，图3.1液压泵的工作原理图1一凸轮；2一柱塞；3一密封工作腔；4—弹簧；5一吸油阀；6—压油阀液压泵靠密封工作腔的容积变化来工作。正常工作必须具备的条件：①一定的密封容积；②密封容积是变化的；③有吸压油部分。液压泵输出流量的大小，由密封工作腔的容积变化量和单位时间内的变化次数决定。因此这类液压泵又称为容积式泵。液压系统中的各种液压泵，其工作原理都是依靠密闭容积变化来进行工作的。3.1液压泵的功用及基本原理2.液压泵的类型和要求分类：按排量能否调节分为：

定量泵

变量泵按结构形式可分为：

齿轮式叶片式柱塞式螺杆式3.1液压泵的功用及基本原理3.1液压泵的功用及基本原理2.液压泵的类型和要求

要求：结构简单、紧凑，体积小，重量轻。密封可靠，泄漏小，可承受一定的工作压力。摩擦损失小，发热小，效率高。维护方便，对油中杂质不敏感。成本低，使用寿命长。输出流量脉动小，运转平稳，噪声小，有自吸能力。3、液压泵的图形符号3.1液压泵的功用及基本原理1.液压泵的压力工作压力p：泵出口处的实际压力，即油液克服阻力而建立起来的压力。大小取决于负载。额定压力pn：按试验标准规定条件下，允许连续运转的最高压力。大小取决于泵的密封件和制造材料的性质和寿命。最高压力：短时间运行允许最高压力。3.2液压泵的主要性能参数3.2液压泵的主要性能参数2.液压泵的排量和流量排量V：在没有泄漏的情况下，泵轴旋转一周或一弧度所排出的油液体积。流量：分为理论流量、实际流量和额定流量。理论流量qt：在没有泄漏的情况下，单位时间内所输出的油液体积。（或） 式中，V

——排量，n

——泵轴转速。实际流量q：单位时间内液压泵实际输出的油液体积。

额定流量qn：液压泵在额定转速nn和额定压力Pn下输出的流量。（3-1）3.2液压泵的主要性能参数3.液压泵的功率和效率功率输入功率Pi：驱动泵轴的机械功率为泵的输入功率，Pi=Tω。式中，T——液压泵的理论转矩（N·m）；

——液压泵的转动角速度（rad/s）。输出功率Po：泵输出液压功率，Po=pq。式中，p——液压泵的压差（Pa）；

q——液压泵的流量（m3/s）。

3.2液压泵的主要性能参数效率容积损失：内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩等造成的流量损失称为容积损失，其中内泄漏是主要原因。用容积效率ηV表征容积损失的大小

式中，q——实际流量；qt——理论流量；

ql

——某一工作压力下液压泵的流量损失，即

泄漏量。（3-2）3.2液压泵的主要性能参数机械损失：因泵内摩擦而造成的转矩上的损失称为机械损失。用机械效率ηm来表征机械损失的大小或式中，Tt

——理论输人转矩；

Tl——实际输入转矩； （3-3）3.2液压泵的主要性能参数总效率ηP是指液压泵的输出功率与输人功率之比，即总效率等于容积效率和机械效率的乘积。液压泵的输人功率Pi可表示为式中，p——液压泵压力；q——液压泵实际流量；

Ti——液压泵的理论转矩；（3-4）（3-5）4.液压泵的特性曲线曲线的横坐标为液压泵的工作压力p，纵坐标为液压泵的输入功率pi，总效率η，容积效率ηv（或实际流量q）。它是液压泵在特定的介质、转速和油温下通过试验做出的。图3.2.2液压泵的特性曲线3.2液压泵的主要性能参数pPiηηmηv(q)pi、η、ηv(q)、ηmqt3.3齿轮泵外啮合内啮合

分类按齿面按齿形曲线按啮合形式直齿斜齿人字齿

渐开线摆线齿轮泵的分类齿轮泵的分类以航空泵为例，按工作压力大小可分成4类低压泵（P≤2.5MPa）：用于各种润滑、冷却系统。中压泵（2.5MPa﹤P≤8MPa）：主要用于航空发动机的燃油系统中。中高压泵（8MPa﹤P≤16MPa）：用于航空发动机燃油系统。高压泵（16MPa﹤P≤32MPa）：用于飞机液压系统。3.3齿轮泵3.3.1外啮合齿轮泵1.结构原理

结构组成一对几何参数完全相同的齿轮、泵体、前后盖板、轴等。3.3齿轮泵典型结构剖切图

CB齿轮泵p=2.5MPa卸荷槽缩小压油口减小端面间隙0.03～0.04mm增大吸油口小槽a(泄油）小孔分解图图3.3.1外啮合齿轮泵的工作原理3.3.1外啮合齿轮泵工作原理两啮合的轮齿将泵体、前后盖板和齿轮包围的密闭容积分成两部分，轮齿进入啮合的一侧密闭容积减小，经压油口排油，退出啮合的一侧密闭容积增大，经吸油口吸油。排量外啮合齿轮泵的排量V，相当于一对齿轮的齿间容积的总和。近似计算时，可假设齿间的容积等于轮齿的体积，且不计齿轮啮合时的径向间隙。泵的排量为

3.3.1外啮合齿轮泵（3-6）式中，D为齿轮分度圆直径；h为有效齿高，h=2m；b为齿宽；z为齿轮齿数；m为模数。流量式中，n为齿轮泵转速；ηv为齿轮泵的容积效率。

3.3.1外啮合齿轮泵（3-7）实际上，齿槽容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少差值越大，引进修正系数K（K=l.05~1.15），齿轮泵的流量公式为（3-8）低压齿轮泵推荐2πK=6.66，则高压齿轮泵推荐2πK=7，则（3-9）（3-10）齿轮泵流量公式实际上齿轮泵的输油量是有脉动的，式中所表示的是泵的平均输油量。泵的流量和主要参数的关系如下:

输油量与齿轮模数m的平方成正比。在泵的体积一定时，齿数少模数就大，故输油量增加，但流量脉动大；齿数增加时模数就小，输油量减小，流量脉动也小。输油量和齿宽b、转速n成正比。

3.3.1外啮合齿轮泵流量脉动率流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声。如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。若用qmax和qmin表示最大、最小瞬时流量，q表示平均流量，则流量脉动率σ可用下式表示（3-11）它是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。3.3.1外啮合齿轮泵2.齿轮泵的结构特点泄漏

3.3.1外啮合齿轮泵途径：轴向间隙80%ql径向间隙15%ql

啮合处5%ql危害：ηv↓防泄措施b)轴向间隙补偿装置浮动侧板浮动轴套a)减小轴向间隙

小流量：0.025-0.04mm大流量：0.04-0.06mm

径向不平衡力由于在压油腔和吸油腔之间存在着压差，液体压力的合力作用在齿轮和轴上，是一种径向不平衡力。图3.3.3齿轮泵的径向压力分布3.3.1外啮合齿轮泵

减小径向力措施

（1)合理选择齿宽及齿顶圆直径。（2)缩小压油腔尺寸。（3)延伸压油腔或吸油腔。

减小径向力措施

（4)通过在盖板上开设平衡槽，使它们分别与低、高压腔相通，产生一个与液压径向力平衡的作用。平衡径向力的措施都是以增加径向泄漏为代价。困油困油现象图3.3.4齿轮泵的困油现象3.3.1外啮合齿轮泵卸荷措施困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声和气蚀，影响、缩短其工作的平稳性和寿命。消除困油的方法，通常是在两端盖板上开卸荷槽。3.3.1外啮合齿轮泵卸荷措施3.3.1外啮合齿轮泵3.提高压力的措施提高齿轮泵的工作压力，主要是靠改善齿轮端面处的密封情况，使齿轮端面在磨损后其轴向间隙能自动补偿来实现，一般采用“弹性侧板”或“浮动轴套”。带浮动轴套的齿轮泵1－壳体；2－主动齿轮；3－从动齿轮；4－前端盖；5－后端盖；6－浮动轴套；7－压力盘3.3.1外啮合齿轮泵4.外啮合齿轮泵的优缺点

优点：结构简单，制造容易，体积小，重量轻，成本低，自吸性能好，工作可靠，对油液污染不敏感，制造、维护方便等。缺点：效率低，流量脉动和压力脉动大，噪声大。

用途：工程机械、机床低压系统。渐开线齿轮泵

摆线齿轮泵1－吸油腔；2－压油腔；3－隔板3.3.2内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵1.渐开线齿轮泵

特点:结构紧凑，尺寸小，重量轻流量脉动小，噪声小。摆线齿轮泵（转子泵）特点:结构简单，体积小重叠系数大，传动平稳吸油条件好齿形复杂，加工精度要求高，造价高。应用：机床低压系统柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动，使密封工作容积发生变化来实现吸油和排油的。柱塞泵常做成高压泵。柱塞泵属于变量泵。根据柱塞的布置和运动方向与传动主轴相对位置的不同，柱塞泵可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。3.4高压柱塞泵3.4.1径向柱塞泵1.工作原理图3.4.1径向柱塞泵的工作原理1—定子；2一转子（缸体）；3一配流轴；4一衬套；5一柱塞3.4高压柱塞泵2.流量当转子和定子间的偏心距为e时，转子转一整转，柱塞在缸孔内的行程就为2e，柱塞数为z，则泵的排量为3.4.1径向柱塞泵（3-12）（3-13）设泵的转速为n，容积效率为ηv，则泵的实际流量为1.工作原理缸体3.4.2斜盘式轴向柱塞泵缸体3.4.2斜盘式轴向柱塞泵配流盘配流盘3.4.2斜盘式轴