第二章液壓傳動介質

第二章液壓傳動介質礦物油乳化劑磷酸酯海水Ⅰ、液壓傳動介質的要求與種類液壓傳動及控制所用的工作介質為液壓油液或其他合成液體，其應具備的功能如下：1）傳動把由液壓泵所賦予的能量傳遞給執(zhí)行元件；2）潤滑潤滑液壓泵、液壓閥、液壓執(zhí)行元件等運動件；3）冷卻吸收并帶出液壓裝置所產(chǎn)生的熱量；4）去污帶走工作中產(chǎn)生的磨粒和來自外界的污染物；5）防銹防止液壓元件所用各種金屬的銹蝕。為使液壓系統(tǒng)長期保持正常的工作性能，對其工作介質提出的要求是：1）可壓縮性可壓縮性盡可能小，響應性好；2）粘性溫度及壓力對粘度影響小，具有適當?shù)恼扯?，粘溫特性好?）潤滑性通用性對液壓元件滑動部位充分潤滑；4）穩(wěn)定性不因熱、氧化或水解而變質，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長；5）防銹和抗腐蝕性對鐵及非鐵金屬的銹蝕性小；6）抗泡沫性介質中的氣泡容易逸出并消除；7）抗乳化性除含水液壓液外的油液，油水分離要容易；8）潔凈性質地要純凈，盡可能不含污染物，當污染物從外部侵入時能迅速分離；9）阻燃性燃點高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性；能夠同時滿足上述各項要求的理想的工作介質是不存在的，但工作介質的性質對設備的正常工作和使用壽命有著決定性的影響，需要注意工作介質的選用。工作介質類別組成與特性代號石油基液壓液（液壓油）無添加劑的石油基液壓液HH+抗氧化劑、防銹劑HL+抗磨劑HL+增粘劑HM+增粘劑HM+防爬劑無特定難燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS難燃液壓液含水液壓液高含水液壓液水包油乳化液水的化學溶液含水大于80%（休積分數(shù)）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液含水小于80%（體積分數(shù)）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液壓液磷酸酯無水合成液L－HFDL－HFDR氯化烴無水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的無水合成液L－HFDT其他成分的無水合成液L－HFDU表1-1液壓傳動工作介質的種類有關液壓工作介質的分類標準:ISO標準：ISO6743/4—1982《潤滑劑、工業(yè)潤滑油和有關產(chǎn)品（L類）的分類—第四部分：H組（液壓系統(tǒng)）》國家標準GB/T7631.2—1987等效采用上述標準。

有關液壓油的分類標準:

GB11118.1—1994《礦物油型和合成烴型液壓油》將我國長期以來液壓油產(chǎn)品品種集中在一個國家標準內，形成了新的液壓油品種系列，包括HH、HL、HM、HR、HV、HG、HS等類。其品種基本上能滿足各類液壓設備的需要，并與國際上液壓油的品種相當。常用的礦物液壓油：常添加抗磨、防銹、抗氧化、抗泡和抗乳化二、液壓油1、石油的生成

在地球不斷演化的漫長歷史過程中，大量的植物和動物死亡后，構成其身體的有機物質不斷分解，與泥沙等物質混合組成沉積層。當溫度和壓力達到一定程度后，沉積物中動植物的有機物質轉化為碳氧化合物分子，最終生成石油和天然氣。2、石油產(chǎn)品的分類石油經(jīng)過加工提煉，可以得到的產(chǎn)品大致可分為四大類：

一、石油燃料航空汽油，車用汽油、航空煤油、柴油機燃料、液化石油氣燃料二、潤滑油和潤滑脂的基本成分數(shù)量只占全部石油產(chǎn)品的5%左右。

三、蠟、瀝青和石油焦

四、溶劑和石油化工產(chǎn)品3、潤滑油——液壓油

潤滑油用在液壓系統(tǒng)時稱為液壓油，一般可以互相取代。潤滑油一般由基礎油和添加劑兩部分組成?；A油是潤滑油的主要成分，由原油提煉而成，決定著潤滑油的基本性質，添加劑是潤滑油的精髓，正確選用合理加入，可改善其物理化學性質，對潤滑油賦予新的特殊性能。

目前90%以上的液壓設備采用石油基液壓油液。為了改善液壓油液的性能，以滿足液壓設備的不同要求，往往在基油中加入各種添加劑。添加劑有兩類：一類是改善油液化學性能的，如抗氧化劑、防腐劑、防銹劑等；另一類是改善油液物理性能的，如增粘劑、抗磨劑、防爬劑等。一般常用的添加劑有：粘度指數(shù)改進劑，傾點下降劑，抗氧化劑，清凈分散劑，摩擦緩和劑，油性劑，極壓劑，抗泡沫劑，金屬鈍化劑，乳化劑，防腐蝕劑，防銹劑，破乳化劑，抗氧抗腐劑等。（1）液壓油（L-HH）不加或少加抗氧劑和其它任何添加劑的精練礦物油，不宜作為液壓油，可用作潤滑油。（2）普通液壓油（L-HL）添加防銹和抗氧化穩(wěn)定劑，用于機床主軸箱和齒輪箱潤滑油，要求較高的低壓系統(tǒng)。5、液壓油的種類

（3）抗磨液壓油（L-HM）在防銹、抗氧化型液壓油的基礎上添加抗磨劑。適用中高壓系統(tǒng)和承受中等載荷的潤滑油。（4）液壓導軌油（L-HG）加油性劑，防低速爬行，用于液壓和機床靜壓導軌合用一個系統(tǒng)的場合，但不適用高壓液壓系統(tǒng)。（5）低凝液壓油（L-HV）低溫使用。添加粘度指數(shù)改進劑、降凝劑等多種添加劑調制而成。粘度指數(shù)大，適合工作溫度變化范圍大、高寒野外作業(yè)的場合。（6）高粘度指數(shù)液壓油（L-HR）粘溫特性好，粘度指數(shù)可達175。適合環(huán)境溫度變化大的應用場合。（7）L-HS液壓油用低溫性能好的合成油為基礎油，添加與低凝液壓油（L-HV）相似的添加劑，構成凝點達-45℃以下的低溫液壓油。適合嚴寒地區(qū)冬季野外作業(yè)使用。（8）專用液壓油航空液壓油，艦船液壓油等三、難燃液壓液ISO6743/4—1982”的規(guī)定，難燃液壓液主要有下列4種類型（HFA、HFB、HFC、HFD）1．HFA液壓液（HFAE、HFAS）（1）HFAEHFAE又名高水基乳化液，或稱水包油乳化液。由95%左右的水與由礦物油（或其他類型油類）及乳化劑、緩蝕劑、防霉劑等組成的濃縮液調制而成。通過乳化劑的作用，油液以分散顆粒的形式分布在作為連續(xù)相的水中，油粒尺寸比較大（8μm以上），呈乳白色。它的缺點是乳化穩(wěn)定性差，油水易分離，潤滑性不好，過濾性差，目前國外很少用它作液壓系統(tǒng)的工作介質。

（2）HFASHFAS又名高水基合成液。其中不含油，由95%左右的水和含有多種水溶性（或半水溶性）添加劑的濃縮液調制而成，為透明狀。其潤滑性、過濾性能等均比HFAE好。2．HFB液壓液HFB又稱油包水乳化液。它由60%的礦物油、40%的水及多種添加劑借助乳化劑的作用形成相對穩(wěn)定的乳化混合體，水以分散顆粒的形式分布。3.HFC液壓液HFC又稱水-乙二醇。它含35%~55%的水，其余為能溶于水的乙二醇、丙二醇或它們的聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、防銹、消泡等添加劑.HFC為呈透明的真溶液。4、HFDR無水合成液HFDR又名磷酸酯液壓液。它是由無水磷酸酯作為基礎液再加入粘度指數(shù)改進劑、抗氧防銹劑、抗泡劑等多種添加劑調制而成。主要用于兩方面，一是用在大型民航客機的液壓系統(tǒng)中；二是在接近高溫熱源或明火附近的高溫、高壓系統(tǒng)中作為工業(yè)難燃液壓液。

5、水介質水便于使用、易于獲得成本低、環(huán)保和消防安全等優(yōu)點使水壓技術重新獲得應用。特別是在海洋環(huán)境和江河湖泊等場合更顯優(yōu)勢，如艦船液壓系統(tǒng)。考慮方面內容系統(tǒng)工作環(huán)境是否阻燃（閃點、燃點）抑制嗓聲的能力（空氣溶解度、消泡性）廢液再生處理及環(huán)保要求系統(tǒng)工作條件壓力范圍（潤滑性、承載能力）溫度范圍（粘度、粘－溫特性、剪切損失、熱穩(wěn)定性、揮發(fā)度、低溫流動性）轉速（氣蝕、對支承面浸潤能力）工作介質的品質物理化學指標對金屬和密封件等的相容性過濾性能、吸氣情況、去垢能力銹蝕性抗氧化穩(wěn)定性剪切穩(wěn)定性經(jīng)濟性價格及使用壽命貨源情況維護、更換的難易程度選擇工作介質時考慮的因素四、工作介質的選用工作介質的選擇通常要經(jīng)歷下述四個基本步驟：1）列出液壓系統(tǒng)對工作介質以下性能變化范圍的要求：粘度、密度、體積模量、飽和蒸氣壓、空氣溶解度、溫度界限、壓力界限、阻燃性、潤滑性、相容性、污染性等；2）查閱產(chǎn)品說明書，選出符合或基本符合上述各項要求的工作介質品種；3）進行綜合權衡，調整各方面的要求和參數(shù)；4）與供貨廠商聯(lián)系，最終決定所采用的合適工作介質。一、重量、重度、密度、比重

1.重量

所有物質，不論固體或流體，都受到地心引力的作用。這個力稱為物體的重力，并與物體的質量成正比，定義為：

W－流體的重量（N）；

m－流體的質量（kg）；

g－重力加速度（9.8m/s2）。Ⅱ、液壓油主要的物理性質2.重度

重度被定義為單位體積流體的重量，即：

γ－重度（N/m3）；

W－重量（N）；

V－體積（m3）；大多數(shù)油液的重度大約為8792N/m3。然而，根據(jù)油液種類的不同，其重度在8635N/m3和9106N/m3之間變化。3.密度

其定義是單位體積的質量：

ρ－密度（kg/m3）

m－質量（kg）

V－體積（m3）密度與重度有如下關系：

4.比重

給定流體的比重（Sg）是流體的重度與4℃純水的重度之比，即油液的比重：

工作介質密度ρ/（kg·m－3）工作介質密度ρ/（kg·m－3）抗磨液壓液L－HM32抗磨液壓液L－HM46油包水乳化液L－HFB水包油乳化液L－HFAE0.8×1030.8875×1030.932×1030.9977×103水－乙二醇液壓液L－HFC通用磷酸脂液壓液L－HFDR飛機用磷酸酯液壓液L－HFDR10號航空液壓油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表1-2常用液壓傳動工作介質的密度（20℃）純水的密度：1.0×103kg/m3

一般液壓油的密度可?。?00kg/m3

二、可壓縮性——體積彈性模量

液體受壓力而發(fā)生體積變小的性質稱為液體的可壓縮性。1、液體的壓縮系數(shù)

單位壓力引起的液體體積變化率：

k－壓縮系數(shù)（MPa-1）V－初始體積（m3）Δp－壓力變化值（MPa）ΔV－體積變化值（m3）注：負號說明隨著壓力的增加，體積減小。同時使k為正值。ΔV=壓縮后體積-初始體積2、體積彈性模量液壓系統(tǒng)的剛度與油液的不可壓縮性有直接關系。體積彈性模量是不可壓縮性的度量值。體積彈性模量越高，流體的可壓縮性越小或流體的剛性越大。

其中：K－體積彈性模量（MPa）；

V－初始體積（m3）；

Δp－壓力變化值（MPa）；ΔV－體積變化值（m3）。

注：ΔV=壓縮后體積-初始體積工作介質體積模量K/MPa工作介質體積模量K/MPa石油基液壓油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液壓液磷酸酯液壓液3.45×1032.65×103表1-3各種工作介質的體積模量（20℃，大氣壓）3、液體的彈性模量的特點（1）、油液的體積彈性模量隨其壓力和溫度的變化而變化，但是，在大多數(shù)流體傳動系統(tǒng)的工作范圍內，這些變化因素均可忽略不計。（2）、一般計算時，液壓油的可壓縮性忽略不計，但做液壓元件或液壓系統(tǒng)的動態(tài)分析時，必須考慮彈性模量。（3）、當液體中混入空氣時，可壓縮性將顯著增加，嚴重影響液壓系統(tǒng)的工作性能，因而在液壓系統(tǒng)中應使油液中的空氣含量減少到最低限度。例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-2：某液壓系統(tǒng)的油液中混入占體積1%的空氣，求壓力分別為35×105Pa和70×105Pa時該油的等效體積模量。若混入5%的空氣，壓力為35×105Pa時油的等效體積模量等于多少？（設氣體做等溫變化，管道的彈性模量忽略不計）例題2-3：圖示為充滿油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸內的長度L=6cm,油液的體積彈性模量K=1.5×109Pa?，F(xiàn)加重物W=5×104N，若加壓前缸內壓力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁變形，求加重物后柱塞下降距離是多少？例題2-3：圖示為充滿油液的柱塞缸，已知d=5cm,D=8cm,H=12cm,柱塞在缸內的長度L=6cm,油液的體積彈性模量K=1.5×109Pa?，F(xiàn)加重物W=5×104N，若加壓前缸內壓力p0=10×105Pa，忽略摩擦及缸壁變形，求加重物后柱塞下降距離是多少？三、液體的粘性和粘度1、液體的粘性液體在外力作用下流動時，液體分子間的內聚力（內摩擦力）阻礙其相對運動的性質內摩擦力內摩擦應力（液層的切應力）2、液體的粘度度量液體粘性大小的物理量(1)動力粘度單位速度梯度上的內摩擦力——表征液體粘性的內摩擦系數(shù)Pa?S單位：(2)運動粘度動力粘度與密度之比值，沒有明確的物理意義,但是工程實際中常用的物理量。單位：m2/s、mm2/sN32=32mm2/s/dydu==粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110常用液壓油運動粘度等級國際標準化組織ISO已規(guī)定統(tǒng)一采用運動粘度來表示油的粘度。習題2-4圖示一粘度計，若D=100mm，d=98mm，L=200mm，外筒轉速n=8r/s,測得轉矩T=40N．cm，試求油液的粘度。習題2-6圖示一直徑為200mm的圓盤，與固定圓盤端面的間隙為0.02mm，其間充滿液壓油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度為900kg/m3,轉盤以1500r/min轉速旋轉時，求驅動轉盤所需的轉矩。習題2-6圖示一直徑為200mm的圓盤，與固定圓盤端面的間隙為0.02mm，其間充滿液壓油，油的粘度ν=3×10-5m2/s,密度為900kg/m3,轉盤以1500r/min轉速旋轉時，求驅動轉盤所需的轉矩。rdr(3)相對粘度雷式粘度〞R——英國、歐洲賽式粘度SSU——美國

恩式粘度°E——俄國、德國、中國

單位：無量綱21tt0Et=

工程上常先測出液體的恩氏粘度，再根據(jù)關系式或查表換算出動力粘度或運動粘度（例題2-1）。關系式：200ml溫度為t的被測液體流經(jīng)恩氏粘度計小孔（直徑為28mm）所用時間t1與同體積20度的水通過小孔所用時間t2之比（1）溫度對粘度的影響溫度變化使液體內聚力發(fā)生變化，因此液體的粘度對溫度的變化十分敏感：溫度升高，粘度下降，這一特性稱為液體的粘－溫特性。3、影響粘度的因素（2）壓力對粘度的影響

壓力增大時，液體分子間距離縮小，內聚力增加，粘度也會有所變大。但是這種影響在低壓時并不明顯，可以忽略不計；當壓力大于50MPa時，其影響才趨于顯著。壓力對粘度的影響可用下式計算：vp=vaecp≈va(1+cp)

式中p—液體的壓力，單位為MPa；

vp—壓力為p時液體的運動粘度，單位為m2/s；

va—大氣壓力下液體的運動粘度，單位為m2/s；

e—自然對數(shù)的底；

c—系數(shù)，對于石油基液壓油，c=0.015~0.035MPa-1

（3）氣泡對粘度的影響

液體中混入直徑為0.25~0.5mm懸浮狀態(tài)氣泡時，對液體的粘度有一定影響，其值可按下式計算：vb=v0(1+0.015b)

式中b—混入空氣的體積分數(shù)；

vb—混入b空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s；

v0—不含空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s。在液壓系統(tǒng)所有元件中，液壓泵的工作條件最為嚴峻，不但壓力高、轉速高和溫度高，而且工作介質在被液壓泵吸入和由液壓泵壓出時要受到剪切作用，所以一般根據(jù)液壓泵的要求來確定介質的粘度。表1-8（見教材P15）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍及推薦牌號。此外，選擇工作介質的粘度時，還應考慮環(huán)境溫度、系統(tǒng)工作壓力、執(zhí)行元件運動類型和速度以及泄漏等因素：當環(huán)境溫度高、壓力高，往復運動速度低或旋轉運動時，或泄漏量大，而運動速度不高時宜有用粘度較高的工作介質，以減少系統(tǒng)泄漏；當環(huán)境溫度低、壓力低，往復運動或旋轉運動速度高時，宜采用粘度低的工作介質，以減少液流功率損失。固體顆粒和膠狀生成物堵塞濾油器，使液壓泵吸油不暢、運轉困難、產(chǎn)生噪聲；堵塞閥類元件的小孔或縫隙，使閥類元件動作失靈。微小固體顆粒會加速有相對滑動零件表面的磨損，使液壓元件不能正常工作；同時還會劃傷密封件，使泄漏流量增加。水分和空氣的混入會降低液壓油液的潤滑性，并加速其氧化變質，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞；使液壓傳動系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等現(xiàn)象。第二節(jié)、液壓油的污染及控制1、液壓油污染的危害工作介質的維護關鍵是控制污染。實踐證明，工作介質被污染是系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，它嚴重影響著液壓系統(tǒng)的可靠性及元件的壽命。工作介質遭受污染的原因是多方面的，污染物的來源如表所示。表中液壓裝置組裝時殘留下來的污染物主要是