第二章 液压传动中的工作液体

2 液压传动中的工作液体工作液体是液压能的载体，其基本功能是进行能量的转换和传递。

此外，它还对液压元件和系统进行润滑和冷却。

2.1液体的主要物理性质2.1.1液体的压缩性液体体积随作用压力的变化而体积发生相应变化的性质称为液体的压缩性。

压缩性大小用压缩系数β表示，即dpdV V pV V β1)ΔΔlim(-== (Pa -1) (2-1)其平均值：)(V 1//pp VV β---= （2-2）式中： p 、p ′—压力（Pa ）；V 、V ′—压力为p 和p ′的液体体积（m 3）；dp —压力增量（Pa ）；dV —压力增加到p + dp 时的液体体积减少量（3m ）；既然液体具有压缩性这一物理性质，那么当液体受到压缩时，它必然产生一种向外膨胀的力，当液体受到压缩时，所产生的这种向外膨胀的力，可以看成是一种弹性力，其大小用弹性系数K 来表示。

υd dp VβK -==1 （Pa ） （2-3）2.1.2 粘性“人往高处走，水往低处流”这一句古话。

但水为什么往低处流呢？这是因为高处的水在重力的作用下，沿着水的表面方向产生了剪切力，破坏了水的静止状态，水在剪切力的作用下开始滑动，从而产生了水的流动。

水之所以流动，其原因是水对其剪切力的抗阻很小，即抵抗剪切力的能力很小。

同样，其它液体也具有这种特性。

但是，如果把水和油放置在两个同样的流道中，会发现二者的流动速度是不同的，即二者流动的快慢程度不同。

这说明二者承受切应力的能力是不同的。

液体承受切应力大小的能力反映了液体的一种物理性质—粘性。

即粘性是液体承受切应力大小的能力。

粘性是液体阻止自身发生剪切变形的一种特性，它存在于液体的内部。

由于液体粘性的存在，液体在流动过程中，因克服自身的内摩擦力必然要做功。

因此，液体的粘性是液体中产生机械能量损失的根源。

（1）牛顿内摩擦定律dydu AμF ±= (2-4)令τ为单位面积上的内摩擦力，即内摩擦应力（或切应力），于是：dydu μA F τ±==(N/m 2) (2-5)式（2-4），（2-5）中的du /dy 称为速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率。

（2）动力粘度 式（2-4），（2-5）中的比例系数μ，它代表着液体的一种物理性质—粘性，称为动力粘度。

它表示两层相距1m ，具有相对速度为1s /m 的相对滑动的液体，在其12m 的接触面上所发生的内摩擦力的大小。

其单位为N .s /m 2。

（3）运动粘度动力粘度与密度的比值，即运动粘度。

运动粘度用υ表示： ρμυ=（s /m 2） （2-6）液压油的牌号一般都以运动粘度 υ的610-倍的运动粘度值来表示。

比如：20号机械油，指的就是这种油在50℃时的运动粘度的平均值为s /m 102026-⨯。

（4）相对粘度（条件粘度）由于液体的动力粘度和运动粘度直接测量比较困难，因此，在工程上常采用另一种可用仪器直接测量的粘度表示方法，即相对粘度。

各国采用的相对粘度的单位有所不同。

我国同欧洲一些国家采用恩氏粘度E 0。

恩氏粘度的测定方法是：在一定温度下，将200 mL 的被测液体从恩氏粘度计流出所液压传动中的工作质 7 需时间t 于同体积20℃下的蒸馏水从该恩氏粘度计中流出所需时间t B 之比称为恩氏粘度，用符号E 0表示。

Bt t E =0 （2-7）一般均以50℃ 为测量时的标准温度，记符号500E 。

从上式看出，恩氏粘度只是一个比值，没有因次。

恩氏粘度E 0与运动粘度 ν之间的换算关系为： 4010)0731.00731.0(-⨯-=EE ν (s /m 2) （2-8）（5）油液粘性与压力、温度的关系一般而言，油液所受压力增大，其粘性变大。

在压力不高且变化不大时，压力对粘性的影响可以忽略不计。

在压力较高或变化较大时，需要考虑压力对粘性的影响。

油液粘性对温度十分敏感，当油液温度升高时，粘性下降。

油液的粘度与温度之间的关系称为油液的粘温特性。

一般可用粘温计算图、经验公式或粘度指数来描述粘温特性。

油液的动力粘度与压力、温度的关系可用如下公式表示： )(00t t λp αeμμ--= （2-9）2.2.1（1）表2-1粘度。

变化量越小。

（2）良好的抗磨性。

8 液压传动与控制表2-1 液压泵的适用粘度与推荐用液压油牌号抗磨性是指减少液压元件零部件磨损能力。

因此希望工作介质的润滑性好，其抗磨性就愈好。

但在工作介质的选用中，应首先满足系统要求—粘性的性能要求，即应兼顾两者的需要。

（3）抗氧化安定性好。

工作介质抵抗空气中氧的氧化作用的能力，称为抗氧化安定性。

工作介质在储运和使用过程中，与空气接触就会被氧化变质，其粘度发生变化，酸值也会增加，从而可能改变传动系统的工作性质，腐蚀液压元件。

严重时，会造成一些粘稠的液态和固态物质，堵塞系统中的工作小孔和运动副间隙，加速零件磨损，破坏液压传动系统正常工作。

研究发现，工作介质的温度愈高，其氧化过程愈快。

对于一般的液压系统，当采用矿物油类的工作介质时，其工作温度不应超过65℃，短期运转不得超过80℃；机床液压系统的工作温度一般为55℃。

国家专业标准ZBE341014 规定了润滑油抗氧化安定性的测定方法。

（4）抗剪切安全性好。

工作介质通过液压元件内部时，由于受到运动零部件表面反复的剪切作用，其粘度与粘度指数都会下降，严重时会产生永久性下降，而使工作介质失去工作能力。

工作介质抵抗剪切的能力称为抗剪切安全性好，用粘度下降的百分数来表示。

它的测试方法可以参考ASTMD 2603中的规定。

（5）良好的防锈蚀性能液压传动中的工作质9空气和水对液压元件都有锈蚀作用。

锈蚀严重时，也会破坏系统的正常工作或损坏液压元件。

但矿物油有防锈作用，在一定程度上能够延缓金属零部件的锈蚀过程。

（6）良好的抗乳化性矿物油类工作介质工作过程中，在流动和液压元件的剧烈搅动下，可能与混入的水分形成乳化液。

这种乳化液往往会促进工作介质变质，加速油液的挥发，生成腐蚀性的沉淀物，从而降低工作介质的润滑性能、防锈性和工作寿命。

矿物油与水接触时，抵抗它们生成乳化液的能力，称为抗乳化性。

（7）抗泡沫性能好是指当工作介质中混入气体时，气体不易生成微小气泡和泡沫，即使生成，也会很快逸出。

实际的液压系统都设置排气装置。

（8）清净性好。

工作介质不清净含有两方面的内容：一是油液的能量污染，如：热能、电能和放射线等；二是油液的物质污染，如：固体颗粒、水、空气等。

详见本章第三节。

（9）要与密封材料和涂料相容。

液压系统中使用的一些密封元件和涂料，都是由有机合成材料制成的，因此与工作介10 液压传动与控制HV油可以作为它的代用品。

4) L—HV液压油本产品是在L—HM油基础上改善了粘温特性的工作介质。

具有防锈、抗氧化、抗磨性和很好的粘温特性。

适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低、中、高液压系统和中等负荷的机械润滑部位。

5) L—HR液压油本产品是在L—HR油基础上改善了粘温特性的工作介质。

具有防锈、抗氧化和很好的粘温特性，适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低压系统和轻负荷的机械润滑部位。

6) L—HG液压油本产品是在L—HM油基础上改善了粘—滑特性的工作介质。

具有防锈、抗氧化、抗磨性和良好的粘温特性。

适用于液压和导轨润滑系统的合用的机床。

（3）抗燃工作介质抗燃工作介质即难燃液。

目前我国常用的有四个品种。

1) L—HFAE液压液水包油型（O/W）乳化液。

通常矿物油和水是互不相溶解的，也很难混合，但当我们在矿物油中加入某些添加剂，经过处理后，它便能与水均匀混合，其中一种液体分散成直径为0.2~40μm的微小液珠，均匀散布在另一种液体中，形成稳定的乳状混合液体，称为乳化液。

L—HFAE液压液是一种高水基乳化液，通常含水80% 以上，其抗燃性好，价格便宜，但低温性、粘温性和润滑性较差。

适用于煤矿液压支架的液压传动系统和其它不要求回收废液或对润滑性能要求较低，而对抗燃性要求较高的液压传动系统或机械部位。

这种液体的工作温度为5~50℃。

2) L—HFB液压液油包水型（W/O）乳化液。

L—HFB含矿物油60% 以上，其余为水和添加剂，其性质与组成的矿物油基本相同，但抗燃性有明显提高。

其缺点是工作温度范围较小，一般为50~60℃。

其适用于冶金、煤炭等行业的中、高压，高温和易燃环境中的液压传动系统。

3) L—HFC液压液本产品通常为含乙二醇或其他聚合物的水溶液，水—乙二醇溶液中，乙二醇含量高达50%。

其低温性、粘温性、对橡胶的适应性和抗燃性都比较好，但润滑性差。

适用于冶金和煤炭等行业的中、低压液压系统。

工作温度可为-20~50℃。

4) L—HFDR液压液本产品通常为无水的各种磷酸酯作基础油加入各种添加剂制成。

抗燃性好，但粘温性差。

工作温度范围为-20~100℃。

适用于冶金、火力发电等高温环境下工作的高压液压系统。

其缺点是与普通的耐油橡胶和涂料不相容，液压系统中需使用价格昂贵的氟橡胶和硅橡胶密封件，以及环氧树脂基的涂料—喷涂液压元件的材料。

2.2.3选用工作介质的基本原则正确选用工作介质，不仅可以保证液压传动系统的工作性能，而且可以提高它的可靠性和使用寿命，获得理想的经济效果。

选择工作介质就是确定给定的液压传动系统的工作介质的类型和规格，其中最为重要的一点是确定工作介质的粘度参数。

（1）正确选择工作介质的类型首先必须了解各类工作介质的性能和适用范围。

液压传动中的工作质11其次根据液压传动系统的工作环境和载荷条件，选择工作介质的类型。

例如：对于高温、热源或用火的工作环境应选择抗燃性好的工作介质；对于寒冷地区露天作业的设备，比如北方的汽车、铲雪车等应选择低温性好的工作介质；对于高压、高速的重载设备，大吨位的载重车、挖掘机应选择抗磨液压油。

第三注意兼顾液压传动系统的成本和工作介质的价格。

例如：对于液压伺服系统，必须选择高清洁度的工作介质，并采取必要的措施加以保证。

（2）正确选择工作介质的粘度在液压传动系统中，液压泵对工作介质的粘度最敏感，液压泵的最佳工作粘度，一般由试验决定。

表2-1列出了常用液压泵各种相应的粘度数值和推荐用的工作介质。

2.3工作介质的污染及其控制实践证明，工作介质污染是液压传动系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压传动系统的可靠性及元件的寿命。

由于液压传动系统工作介质被污染，液压元件的实际使用寿命往往比设计寿命低的多。

因此液压传动系统工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压传动系统可靠性及延长元件使用寿命的重要手段。

2.3.1污染物的种类及危害液压传动系统中的污染物，是指包含在油液中的固体颗粒、水、空气、化学物质等杂物。

工作介质被污染后，将对液压传动系统及元件产生不良后果甚至使整个系统瘫痪。

固体颗粒使元件加速磨损，寿命缩短，性能下降，甚至使阀芯卡死，滤油器堵塞；空气的混入，有可能引起气蚀，降低工作介质的润滑性；水的侵入加速油液的氧化，并和添加剂作用产生粘性物质。