液压传动的工作介质

2.1　液压传动的工作介质

2.1.1　工作介质的物理性质

工作介质的物理性质有多项，现选择与液压传动性能密切相关的三项作介绍。

1.密度

单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，用公式表示为

严格来说，液体的密度随着压力或温度的变化而变化，但变化量一般很小，在工程计算中可以忽略不计。在进行液压系统相关的计算时，通常取液压油的密度为900kg/m³。

2.可压缩性

液体受增大的压力作用而使体积缩小的性质称为液体的可压缩性。设容器中液体原来压力为p₀，体积为V0，当液体压力变化Δp时，体积变化ΔV，则液体的可压缩性可用压缩系数k来表示，它是指液体在单位压力变化下的体积相对变化量，用公式表示为

式中：k——压缩系数，单位为m²/N。

由于压力增大时液体的体积减小，为了使k为正值，在上式右边须加一负号。

液体压缩系数k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

表2－1列举了各种工作介质的体积模量。因钢的弹性模量为2.1×10⁵MPa，由表2－1可见，石油基液压油的可压缩性是钢的100～150倍。液体的体积模量与温度、压力有关。温度升高时，K值减小，在液压油正常工作范围内，K值会有5%～25%的变化；压力增大时，K值增大，但这种增大不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增大。由于空气的压缩性很大，当液压油液中混有游离气泡时，K值将大大减小。比如，当油中混有1%空气气泡时，体积模量则降低到纯油的5%左右；当油中混有5%的空气气泡时，体积模量则降低到纯油的1%左右。故液压系统在设计和使用时，要采取措施尽量减少工作介质中的游离气泡的含量。

一般情况下，工作介质的可压缩性在研究液压系统静态（稳态）条件下工作的性能时，对其影响不大，可以不予考虑；但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压系统时，必须予以考虑。

表2－1　各种工作介质的体积模量（20℃，0.1MPa）

3.黏性

1）黏性的定义

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，液体分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动，在液层相互作用的界面之间会产生一种内摩擦力，这一特性称为液体的黏性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出黏性，静止液体是不呈现黏性的。黏性是液压油的各项物理性质中最重要的特性，也是选择液压油的一个很重要的依据。

2）黏性的度量

度量黏性大小的物理量称为黏度。常用的黏度有三种：动力黏度、运动黏度、相对黏度。

图2－1　液体的黏性

（1）动力黏度　在图2－1中，设两平行平板间充满液体，下平板不动，上平板以速度u₀向右平动。由于液体的黏性和液体与固体壁面间作用力的共同影响，导致液体流动时各层的速度大小不等，紧贴下平板的液体黏附于下平板上，其速度为零，紧贴上平板的液体黏附于上平板上，其速度为u₀，中间各层的速度分布从上到下按线性规律变化。可以把这种流动看成是无限薄的油层在运动，速度快的液层带动速度慢的液层，速度慢的液层阻止速度快的液层。

实验测定指出：液体流动时相邻液层间的内摩擦力F_f与液层接触面积A、液层间的相对速度梯度du成正比，与液层的距离dy成反比，du/dy称为两液层间的速度梯度或剪切率，即

式中：μ——比例系数，称为黏性系数或动力黏度，也称绝对黏度。

以τ＝表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则有

式（2－5）即为牛顿液体的内摩擦定律。当动力黏度只与液体种类有关而与速度梯度无关时，这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。除高黏度或含有特种添加剂的油液外，一般的液压油均可视为牛顿液体。

动力黏度的物理意义就是液体在单位速度梯度下，单位面积上的内摩擦力大小。由式（2－4）和式（2－5）可知，一定的F_f或τ，μ越大，du/dy越小，即液体发生的剪切变形越小，抵抗液层之间相对移动的能力越强。

在国际单位制和我国的法定计量单位中，μ的单位为Pa·s（帕·秒）或N·s/m²（牛·秒/米2）；而在厘米·克·秒（CGS）制中，μ的单位为P（泊）或cP（厘泊）或dyn·s/cm²（达因·秒/厘米2），1Pa·s＝10P＝10cP。从μ的单位可看出，μ具有力、长度、时间的量纲，即具有动力学的量，故称为动力黏度。

（2）运动黏度　在同一温度下，液体的动力黏度μ与它的密度ρ之比称为运动黏度，即

在国际单位制和我国的法定计量单位中，ν的单位为m²/s；在CGS制中，ν的单位为cm²/s，通常称为St（斯）。St的单位较大，工程上常用cSt（厘斯）来表示，1St＝100cSt。因运动黏度具有长度和时间的量纲，即具有运动学的量，故称为运动黏度。

运动黏度ν没有明确的物理意义，是一个在液压传动计算中经常遇到的物理量，习惯上常用来标志液体的黏度，例如全损耗系统用油的牌号，就是这种油液在40℃时的运动黏度ν的平均值，如40号全损耗系统用油就是指这种全损耗系统用油在40℃时的运动黏度ν的平均值为40cSt（厘斯）。

（3）相对黏度　动力黏度和运动黏度是理论分析和推导中常使用的黏度单位，但它们难以直接测量，在实际过程中，要先求出相对黏度，然后再换算成动力黏度和运动黏度。相对黏度是在特定测量条件下制定的，又称为条件黏度。测量条件不同，各国采用的相对黏度单位也不同。如中国、德国、俄罗斯用恩氏黏度（°E）；美国、英国采用通用赛氏黏度（SUS）或雷氏黏度（Re）等。

恩氏黏度的测定方法：将200mL温度为t℃的被测液体装入恩氏黏度计的容器内，让此液体从底部φ2.8mm的小孔流尽所需时间为t₁，再测出相同体积的温度为20℃的蒸馏水在同一黏度计中流尽所需的时间t₂，这两个时间之比即为被测液体在t℃下的恩氏黏度，即

恩氏黏度与运动黏度（单位取m²/s）间的换算关系式为

3）黏度与温度的关系

温度对油液黏度的影响很大，如图2－2所示，当油温升高时，其黏度显著下降，这一特性称为油液的黏温特性，它直接影响液压系统的性能和泄漏量，因此，希望油液的黏度随温度的变化越小越好。

图2－2　黏温特性曲线

4）压力对黏度的影响

当油液所受的压力加大时，其分子间的距离就会缩小，内聚力会增加，黏度会变大。但是这种变化在低压时并不明显，可以忽略不计；在高压情况下，这种变化不可忽略。

4.液压系统对工作介质的性能要求

液压系统虽然都是由泵、阀、缸等元件组成的，但不同使用条件的不同液压系统对工作介质的要求有很大的不同。为了使液压系统能正常工作，很好地传递运动和动力，使用的工作介质应具备以下一些性能。

（1）要有合适的黏度和较好的黏温特性，要有良好的润滑性能。

（2）防腐性、防锈性要好，抗泡沫性、抗乳化性、抗磨性要好。

（3）抗氧化性、抗剪切稳定性、抗空气释放性、抗水解安定性要好，抗低温性要好。

（4）与金属和密封件、橡胶软管、涂料等的相容性要好。

（5）流动点和凝固点要低，闪点和燃点要高，比热容和热导率要大，体积膨胀要小。

5.工作介质的类型与选用

1）工作介质的类型

工作介质要同时满足上述五项要求是不可能的，一般根据需要满足一项或几项要求。按国际标准化组织（ISO）的分类，工作介质的类型如表2－2所示，主要有石油基液压油和难燃液压油。现在，有90%以上的液压设备采用石油基液压油。石油基液压油以全损耗系统用油为基料，这种油价格低，但物理性能和化学性能较差，只能用在压力较低和要求不高的场合。为了改善全损耗系统用油的性能，往往要加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是用来改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是用来改善油液物理性能的，如增黏剂、抗磨剂、防爬剂等。

表2－2　工作介质的类型

2）工作介质的选用

在选择工作介质时，需考虑的因素主要有以下几点。

（1）液压系统的环境条件　如气温的变化情况、系统的冷却条件、有无高温热源和明火、抑制噪声的能力、废液再生处理及环保要求。

（2）液压系统的工作条件　如压力范围、液压泵的类型和转速、温度范围、与金属及密封件和涂料的相容性、系统的运转时间和工作特点等。其中，液压泵的工作条件是选择液压油的重要依据，应尽可能满足液压泵样本中提出的油品要求，系统压力和执行装置工作速度也是选择液压油的重要依据。

（3）液压油的性质　如液压油的理化指标和使用性能、各类液压油的特性等。

（4）经济性和供货情况　如液压油的价格、使用寿命、对液压元件寿命的影响、当地油品的货源，以及维护、更换的难易程度等。