液压传动液压油液

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液压传动是以液体作为工作介质来传递能量的。在液压传动系统中，液压油液用来传递动力和信号，并且还能够起到润滑、冷却和防锈等作用。液压传动系统能否可靠、有效长期地工作，在很大程度上取决于系统中所使用的液压油液。因此，必须对液压油液有一清晰的了解。液压油液(1/1)§2.1液压油液的性质和选择1.液压油液的种类液压油有两大类，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。(短片)工作介质石油基液压油无添加剂的石油基液压液（L-HH）HH+抗氧化剂、防锈剂（L-HL）HL+抗磨剂（L-HM）HL+增粘剂（L-HR）HM+增粘剂（L-HV）HM+防爬剂（L-HG）难燃液压液含水液压液高含水液压液（L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE）水的化学溶液（L-HFAS）油包水乳化液（L-HFB），水—乙二醇（L-HFC）合成液压液磷酸酯液（L-HFDR）氯化烃（L-HFDS）HFDR+HFDS（L-HFDT）其它合成液压液（L-HFDU）液压油液的种类(1/8)表中的L代表润滑剂类液压油液。液压油液的种类细分可见GB11118.1-2011、ISO12922:1999。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）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。液压油液的种类(2/8)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。无（或含有少量）抗氧化剂的精制矿物油（HH）的品质比机械油高，适用于无低温性能、防锈性、抗乳化性和空气释放能力等特殊要求的一般循环润滑系统。液压油液的种类(3/8)抗氧防锈油（HL）中加有抗氧化、防锈等添加剂，常用于低压传动系统，在液压传动系统中使用最广。抗磨液压油（HM）是在抗氧防锈油的基础上改善了抗磨性的液压油，适用于低、中、高压传动系统。高粘度指数液压油（HR）是在抗氧防锈油的基础上改善了粘温性能的液压油，适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低压传动系统。低温液压油（HV）是在抗磨液压油的基础上改善了粘温性能的液压油，适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低、中、高压传动系统。液压油液的种类(4/8)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。液压油液的种类(5/8)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。液压油液的种类(6/8)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。液压油液的种类(7/8)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。液压油液的种类(8/8)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V内的液体质量m被称为密度。液压油液的密度因液体的种类而异。常用液压油液的密度。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）0.87×1030.875×1030.9977×1030.932×1031.06×1031.15×103Vm液压油液的物理性质(1/9)2.液压油液的物理性质石油基液压油在15℃时的密度可取为900（kg/m3）左右。在实际使用中可认为它不受温度和压力的影响。重度：对于均质液体，单位体积V内的液体重量G被称为重度。或可以写成：VG液压油液的物理性质(2/9)g（2）液压油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。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1/∆p变化时发生的体积相对变化量∆V/V，即：1pVV液压油液的物理性质(3/9)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）。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。1pVV液压油液的物理性质(4/9)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：体积弹性模量K表示液体产生单位体积相对变化量1/∆V/V时所需要的压力增量∆p。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。KVVp1液压油液的物理性质(5/9)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=0.7103MPa左右。液压油液的物理性质(6/9)液压油液的体积弹性模量K和温度、压力有关。温度升高时，K值减小；压力增大时，K值增大。在液压油液正常的工作压力范围内，K值会有5%～25%的变化，但这种变化不呈线性关系，当压力大于3MPa时，K值基本上不再增大。因此在讨论液压传动系统的静态性能时，通常将液体看成是不可压缩的；而在研究液压元件和系统的动态特性时，液体的体积弹性模量将成为影响其动态特性的重要因素，不能忽略。液压油液的物理性质(7/9)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，可以通过压力变化：式中：——外力变化值；体积变化：式中：——液柱长度变化值。再考虑到体积模量即可求出它的液压弹簧刚度，即：2hFAKklVpFA/VAlFlhk液压弹簧刚度计算液压油液的物理性质(8/9)液压油液的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，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。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。液压弹簧刚度计算液压油液的物理性质(9/9)（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。液体粘性示意图液压油液的物理性质(1/9)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：fduFAdy液体粘性示意图液压油液的物理性质(2/9)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。fFduAdy液压油液的物理性质(3/9)（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：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）液压油液的物理性质(4/9)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。（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(5/9)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：式中ν的单位为m2/s。731631106..EE液压油液的物理性质(6/9)事实上，液体的粘度是随着液体的压力和温度而变化的。对液压油液来说，压力增大时，粘度增大。但在一般液压传动系统使用的压力范围内，粘度增大的数值很小，可以忽略不计。当压力大于50MPa时，粘度将急剧增大。压力对粘度的影响可用下式计算：式中：νp——压力为p时液体的运动粘度（m/s）；νa——大气压力下液体的运动粘度（m/s）；e——自然对数的底；c——系数，对于石油基液压油，c=0.015～0.035；p——液体的压力（MPa）。液压油液的物理性质(7/9))1(cpeacpap液压油液的粘度对温度的变化十分敏感。如图所示，温度升高，粘度显著下降，这种变化将直接影响液压油液的正常使用。液压油液的这种性质被称为液压油液的粘温特性。不同种类的液压油液有着不同的粘温特性。液压油液的物理性质(8/9)粘度指数VI表示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。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指