液压传动基础知识

7第二章液压传动基础液压油是液压传动系统中的传动介质，而且还对液压装置的机构、零件起着润滑、冷却和防锈作用。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。因此，了解工作介质的种类、基本性质和主要力学特性，对于正确理解液压传动原理及其规律，从而正确使用液压系统都是非常必要的。这些内容也是液压系统设计和计算的理论基础。第一节液压传动的工作介质一、工作介质的物理特性（一）密度Vm（kg/m3或kg/cm3）（2-1）式中，m──液体的质量（kg）；V──流体的容积（m3或cm3）。流体的密度随温度和压力而变化，对于液压系统的矿物油，在一般使用温度与压力范围内，其密度变化很小，可近似认为不变。其密度900kg/m3。空气的密度随温度和压力变化的规律符合气体状态方程。在标准状态下空气的密度为12.93kg/m3。（二）流体的粘性1.粘性的含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一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。2.牛顿内摩擦定律粘性的大小可用粘度来衡量，粘度是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。图2-1液体的粘性示意图当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大8小不等，以流体沿如图2-1所示的平行平板间的流动情况为例，设上平板以速度0u向右运动，下平板固定不动。紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同。紧贴于下平板上的流体粘附于下平板图2-1液体的粘性示意图上，其速度为零。中间流体的速度按线性分布。我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dy成反比，即：dyduAF(2-2)式中，──比例系数，也称为液体的粘性系数或粘度。dydu/──相对运动速度对液层间距离的变化率，也称速度梯度或剪切率。此公式称为牛顿粘性公式，也称牛顿内摩擦定律。流体粘性的大小用粘度来表示。常用的粘度有动力粘度、运动粘度和相对粘度。3.液体的粘度(1)动力粘度上式中的比例系数就表示了流体抵抗变形的能力，即流体粘性的大小，称为流体的动力粘度。其单位为N·s/m2，或为Pa·s（帕·秒）。(2)运动粘度运动粘度是绝对粘度与密度的比值：(2-3)运动粘度无明确的物理意义，因为在其单位中只有长度和时间量纲，所以称为运动粘度。但在工程中常用它来标志液体的粘度。液压油的牌号，就是采用它在40℃时运动粘度的平均值来标号。例如YA-N32液压油就是指这种液压油在40℃时运动粘度的平均值为32mm2/s(3)相对粘度在液体粘度的实际测量常用的粘度表示方法是相对粘度（又称条件粘度），由于测量仪器和条件不同，各国相对粘度的单位也不同，如美国采用赛氏粘度（SSU）；英国采用雷氏（R）；而我国和德国则采用恩氏粘度Eo。恩氏粘度的测定方法如下：测定200cm3某一温度的被测液体在自重作用下流过直径2.8mm小孔所需的时间At，然后测出同体积的蒸馏水在20时流过同一孔所需时间Bt(Bt=50～52s)，At与Bt的比值即为流体的恩氏粘度值。恩氏粘度用符号Eo表示。被测液体温度t℃时的恩氏粘度用符号toE表示。BAtottE/(2-4)恩氏粘度与运动粘度的换算关系为：EEv0631.00731.0(cm2/s)(2-5)4.压力对粘度的影响在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。在工程实际应用中，当液体压力在低于50MPa的情况下，可用下式计算其粘度：ppa10(2-6)式中：p──压力在p(Pa)时的运动粘度；0──绝对压力为1个大气压时的运动粘度；p──压力(Pa)；pa──决定于油的粘度及油温的系数，一般取pa=(0.002～0.004)×10-5(1/Pa)。95.温度对粘度的影响液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。我国常用粘温图表示油液粘度随温度变化的关系。对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过76mm2/s，温度在30～150℃范围内时，可用下述近似公式计算其温度为t℃的运动粘度：ntt/5050(2-7)式中：t──温度在t℃时油的运动粘度；50──温度为50℃时油的运动粘度；n──为粘温指数。粘温指数n随油的粘度而变化，其值可参考表2-1。表2-1粘温指数50/mm2·s-12.56.59.512213038455260n1.391.591.721.791.992.132.242.322.422.49（三）液体的可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为0p时液体的体积为0V，当压力增加p时，液体的体积减小V，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为01VVpk(2-8)式中k──液体的压缩系数。由于压力增加时液体的体积减小，因此式(2-8)的右边须加一负号，以使k为正值。液体压缩系数k的倒数K，称为液体的体积模量，即kK/1。表2-2列出了各种工作介质的体积模量。由表中数值可见，石油基液压油的可压缩性是钢的100～170倍（钢的弹性模量为2.1×105MPa）。表2-2各种工作介质的体积模量（20℃，101.325kPa）介质种类体积模量K/MPa介质种类体积模量K/MPa石油基液压油(1.4～2)×103水-乙二醇液3.45×103水包油乳化液1.95×103磷酸酯液2.65×103油包水乳化液2.3×103一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统的性能影响不大，但在高压下或研究系统的动态性能时，则必须予以考虑。由于空气的可压缩性很大，所以当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小。因此，一般建议对石油基液压油K值取为（0.7～1.4）×103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中游离空气的含量。二、液压系统对工作介质的要求液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：1.适宜的粘度和良好的粘温性能。一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s(2～550Eo)2.润滑性能好。在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。3.良好的化学稳定性，即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。4.对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性。105.对金属材料具有防锈性和防腐性。6.比热、热传导率大，热膨胀系数小。7.抗泡沫性好，抗乳化性好。8.油液纯净，含杂质量少。9.流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。三、工作介质的选择正确而合理地选用液压油，乃是保证液压设备高效率正常运转的前提。选用液压油时，可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油，或者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粘度范围，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粘度指数高、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。在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。粘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，应选用粘度较高的液压油，否则相反。表2-3为常见液压油系列品种。其中液压油的牌号(即数字)表示在40℃下油液运动粘度的平均值(单位为cSt)。原名内为过去的牌号，其中的数字表示在50℃时油液运动粘度的平均值。但是总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。表2-3常见液压油系列品种种类牌号原名用途油名代号普通液压油N32号液压油N68G号液压油YA-N32YA-N6820号精密机床液压油40号液压—导轨油用于环境温度0～45℃工作的各类液压泵的中、低压液压系统抗磨液压油N32号抗磨液压油N150号抗磨液压油N168K号抗磨液压油YA-N32YA-N150YA-N168K20抗磨液压油80抗磨液压油40抗磨液压油用于环境温度-10～40℃工作的高压柱塞泵或其他泵的中、高压系统低温液压油N15号低温液压油N46D号低温液压油YA-N15YA-N46D低凝液压油工程液压油用于环境温度-20℃至高于40℃工作的各类高压油泵系统高粘度指数液压油N32H号高粘度指数液压油YD-N32D用于温度变化不大且对粘温性能要求更高的液压系统四、液压油的污染与防护液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统是否能正常工作。液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。1.液压油被污染的原因主要有以下几方面：(1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前冲洗时未被洗干净，在液压系统工作时，这些污垢就进入到液压油里。(2)外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中通过往复伸缩的活塞杆，流回油箱的漏油等进入液压油里。另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。11(3)液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。2.油液污染的危害液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。对于液压元件来说，由于这些固体颗粒进入到元件里，会使元件的滑动部分磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。3.防止污染的措施造成液压油污染的原因多而复杂，液压油自身又在不断地产生脏物，因此要彻底解决液压油的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，将液压油的污染度控制在某一限度以内是较为切实可行的办法。对液压油的污染控制工作主要是从两个方面着手：一是防止污染物侵入液压系统；二是把已经侵入的污染物从系统中清除出去。污染控制要贯穿于整个液压装置的设计、制造、安装、使用、维护和修理等各个阶段。为防止油液污染，在实际工作中应采取如下措施：(1)使液压油在使用前保持清洁。液压油在运输和保管过程中都会受到外界污染