第2章液压油与液压流体力学基础 液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。因此,了解液体的主要物理性质 掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性,对于正确理解液压传动原理、液压元件的工 作原理,以及合理设计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的 从分子物理学的观点来看,液体是由大量的、不断作不规则运动的分子组成的、易于 流动的物质,分子之间存在着间隙(比固体分子之间的间隙大,而比气体分子之间的间隙 小),因而是不连续的。由于流体力学只研究液体宏观表象的运动,并不考虑它的内部微观 结构,因此,我们以宏观的质点作为介质的基本单位,一个质点可包含着一群分子,质点 运动参数即为该群分子运动参数的统计平均值,并且认为介质质点与质点间没有间断的 空隙,而是连绵不断组成的,即把液体看成连续介质。这样,描述液体状态的物理参数将 是空间点坐标和时间的连续函数,就能采用数学工具来处理解决问题 2.1液体的物理性质 液体是液压传动的工作介质,同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可 靠、有效地进行工作,在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。 2.1.1液体的密度和重度 液体的密度定义为 p=lim △mdm 式中p—液体的密度(kg/m3) △|—液体中所任取的微小体积(m) △m体积△中的液体质量(kg) 注意,在数学上的△V趋近于0的极限,在物理上是指趋近于空间中的一个点,应理 解为体积为无穷小的液体质点,该点的体积同所研究的液体体积相比完全可以忽略不计, 但它实际上包含足够多的液体分子。因此,密度的物理含义是质量在空间某点处的密集程 度。密度是空间点坐标和时间的函数,即p=p(x,y,z,D) 对于均质液体,其密度是指其单位体积内所含的液体质量 (2.2) 式中m—液体的质量(kg) 液体的体积(m) 对于均质液体,其重度γ是指其单位体积内所含液体的质量
第 2 章 液压油与液压流体力学基础 液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。因此，了解液体的主要物理性质， 掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性，对于正确理解液压传动原理、液压元件的工 作原理，以及合理设计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的。 从分子物理学的观点来看，液体是由大量的、不断作不规则运动的分子组成的、易于 流动的物质，分子之间存在着间隙(比固体分子之间的间隙大，而比气体分子之间的间隙 小)，因而是不连续的。由于流体力学只研究液体宏观表象的运动，并不考虑它的内部微观 结构，因此，我们以宏观的质点作为介质的基本单位，一个质点可包含着一群分子，质点 的运动参数即为该群分子运动参数的统计平均值，并且认为介质质点与质点间没有间断的 空隙，而是连绵不断组成的，即把液体看成连续介质。这样，描述液体状态的物理参数将 是空间点坐标和时间的连续函数，就能采用数学工具来处理解决问题。 2.1 液体的物理性质 液体是液压传动的工作介质，同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可 靠、有效地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。 2.1.1 液体的密度和重度 液体的密度定义为 0 d limV d m m V V ρ Δ → Δ = = Δ (2.1) 式中 ρ ——液体的密度(kg/m3 )； ΔV——液体中所任取的微小体积(m3 )； Δm——体积ΔV 中的液体质量(kg)。 注意，在数学上的ΔV 趋近于 0 的极限，在物理上是指趋近于空间中的一个点，应理 解为体积为无穷小的液体质点，该点的体积同所研究的液体体积相比完全可以忽略不计， 但它实际上包含足够多的液体分子。因此，密度的物理含义是质量在空间某点处的密集程 度。密度是空间点坐标和时间的函数，即 ρ ρ = (x，y，z，t)。 对于均质液体，其密度是指其单位体积内所含的液体质量。 m V ρ = (2.2) 式中 m——液体的质量(kg)； V——液体的体积(m3 )。 对于均质液体，其重度γ 是指其单位体积内所含液体的质量
液压传动 y=pg 液压油的密度因液体的种类而异。常用液压传动液压油液的密度数值如表2-1所列 表2-1液压传动液压油液的密度 液压油种类/LHM32LM46 油包水水包油 水一乙二醇通用磷酸/飞机用 液压油液压油乳化液|乳化液 磷酸酯 密度(kgm3)087×1030.875×103093×103997×10106×103.15×103105×103 液压油的密度随温度的升高而略有减小,随工作压力的升高而略有增加,通常对这种 变化忽略不计。一般计算中,石油基液压油的密度可取为p=900kgm3。 2.1.2液体的可压缩性 液体的可压缩性是指液体受压力作用时,其体积减小的性质 液体可压缩性的大小可以用体积压缩系数k来表示,其定义为受压液体在发生单位压 力变化时的体积相对变化量,即 l△ 式中一压力变化前,液体的体积 4p—压力变化值 △一在△p作用下,液体体积的变化值 由于压力增大时液体的体积减小,因此上式右边必须冠一负号,以使k成为正值 液体体积压缩系数的倒数,称为体积弹性模量K,简称体积模量。 K 表2-2中所列是几种常用液压油液的体积弹性模量。由表中可知,石油基液压油体积 模量的数值是钢(K=2.06×10Pa)的1/100~170),即它的可压缩性是钢的100倍~170倍。 表2-2各种液压油液的体积模量(20℃,大气压) 液压油种类 石油基 乳化液型 磷酸酯型 K/Pa (14-~2.0)×10 3.15×10 195×10° 2.65×10 液压油液的体积压缩系数和体积模量与温度、压力有关。当温度升高时,K值减小, 在液压油液正常的工作范围内,K值会有5%~25%的变化;压力增大时,K值增大,但这 种变化不呈线性关系,当p≥3MPa时,K值基本上不再增大。 纯液体的压缩系数很小,即弹性模量很大。压力为01~50)×10Pa时,纯水的平均体 积弹性模量约2.￥×103MPa,纯液压油的平均体积弹性模量的值则在(14~2)×10MPa范 围内。当液体中混入未溶解的气体后,K值将会有明显的降低。在一定压力下,油液中混
·10· 液压传动 ·10· G V γ = (2.3) 或 γ ρ = g (2.4) 液压油的密度因液体的种类而异。常用液压传动液压油液的密度数值如表 2-1 所列。 表 2-1 液压传动液压油液的密度 液压油种类 L-HM32 液压油 L-HM46 液压油 油包水 乳化液 水包油 乳化液 水―乙二醇 通用磷酸酯 飞机用 磷酸酯 密度/(kg/m3 ) 0.87×103 0.875×103 0.932×103 0.9977×103 1.06×103 1.15×103 1.05×103 液压油的密度随温度的升高而略有减小，随工作压力的升高而略有增加，通常对这种 变化忽略不计。一般计算中，石油基液压油的密度可取为 ρ ＝900kg/m3 。 2.1.2 液体的可压缩性 液体的可压缩性是指液体受压力作用时，其体积减小的性质。 液体可压缩性的大小可以用体积压缩系数 k 来表示，其定义为受压液体在发生单位压 力变化时的体积相对变化量，即 1 V k p V Δ = − Δ (2.5) 式中 V——压力变化前，液体的体积； Δp——压力变化值； ΔV——在Δp 作用下，液体体积的变化值。 由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边必须冠一负号，以使 k 成为正值。 液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量 K，简称体积模量。 V K p V =− Δ Δ (2.6) 表 2-2 中所列是几种常用液压油液的体积弹性模量。由表中可知，石油基液压油体积 模量的数值是钢(K＝2.06×1011Pa)的 1/(100～170)，即它的可压缩性是钢的 100 倍～170 倍。 表 2-2 各种液压油液的体积模量(20℃，大气压) 液压油种类 石油基 水―乙二醇基 乳化液型 磷酸酯型 K /Pa (1.4～2.0)×109 3.15×109 1.95×109 2.65×109 液压油液的体积压缩系数和体积模量与温度、压力有关。当温度升高时，K 值减小， 在液压油液正常的工作范围内，K 值会有 5%～25%的变化；压力增大时，K 值增大，但这 种变化不呈线性关系，当 p≥3MPa 时，K 值基本上不再增大。 纯液体的压缩系数很小，即弹性模量很大。压力为(0.1～50)×106 Pa 时，纯水的平均体 积弹性模量约 2.1×103 MPa，纯液压油的平均体积弹性模量的值则在(1.4～2)×103 MPa 范 围内。当液体中混入未溶解的气体后，K 值将会有明显的降低。在一定压力下，油液中混
第2章液压油与液压流体力学基础 入1%的气体时,其体积弹性模量降低为纯油的50%左右,如果混有10%的气体,则其体 积弹性模量仅为纯油的10%左右。由于油液在使用过程中很难避免混入气体,因此工程上, 般取K=700MPa 在压力、温度变化不大的场合,液体的体积变化很小 因此在讨论液压系统的静态性能时,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 液 当考虑液体的可压缩性时,封闭在容器内的液体在外 力作用时的特征极像一个弹簧:外力增大,体积减小;外 力减小,体积增大。这种弹簧的刚度k,在液体承压面积 A不变时,如图2.1所示,可以通过压力变化Ap=△FA 体积变化&v=AA(△l为液柱长度变化)和式(26)求出,即图21油液弹簧的刚度计算简图 △FA2K 2.1.3液体的黏性 1.液体黏性的概念 液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时,由于分子间内聚力的存在,而使其流动受 到牵制,从而液体内部产生摩擦力或切应力,这种性质称为黏性。液体的黏性所起的作用 是阻滞、延缓液体内部液层的相互滑动过程,即反映了液体抵抗剪切流动的能力。黏性的 大小可以用黏度来度量。 如图22所示,设距离为h的两平行平板间充满 液体,下平板固定,而上平板在外力F的作用下,以 速度l向右平移。由于液体和固体壁面间的附着力, 黏附于下平板的液层速度为零,黏附于上平板的液层 速度为l,而由于液体的黏性,中间各层液体的速度 则随着液层间距离Δy的变化而变化。当上下板之间 距离h较小时,液体的速度从上到下近似呈线性递减 规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的;而速度 慢的液层对速度快的起阻滞作用。不同速度的液层之 间相对滑动必然在层与层之间产生内部摩擦力。这种 图22液体黏性示意图 摩擦力作为液体内力,总是成对出现,且大小相等、方向相反地作用在相邻两液层上。 根据实验得知,流动液体相邻液层之间的内摩擦力F与液层接触面积A、液层间的速 度梯度dudy成正比,即 F=u (28) 式中—比例常数,称为黏度系数或动力黏度
第 2 章 液压油与液压流体力学基础 ·11· ·11· 入 1%的气体时，其体积弹性模量降低为纯油的 50%左右，如果混有 10%的气体，则其体 积弹性模量仅为纯油的 10%左右。由于油液在使用过程中很难避免混入气体，因此工程上， 一般取 K＝700MPa。 在压力、温度变化不大的场合，液体的体积变化很小， 因此在讨论液压系统的静态性能时，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。 当考虑液体的可压缩性时，封闭在容器内的液体在外 力作用时的特征极像一个弹簧：外力增大，体积减小；外 力减小，体积增大。这种弹簧的刚度 kh，在液体承压面积 A 不变时，如图 2.1 所示，可以通过压力变化Δp＝ΔF/A、 体积变化ΔV=AΔl(Δl 为液柱长度变化)和式(2.6)求出，即2 h F A K k l V Δ =− = Δ (2.7) 2.1.3 液体的黏性 1. 液体黏性的概念 液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时，由于分子间内聚力的存在，而使其流动受 到牵制，从而液体内部产生摩擦力或切应力，这种性质称为黏性。液体的黏性所起的作用 是阻滞、延缓液体内部液层的相互滑动过程，即反映了液体抵抗剪切流动的能力。黏性的 大小可以用黏度来度量。 如图 2.2 所示，设距离为 h 的两平行平板间充满 液体，下平板固定，而上平板在外力 F 的作用下，以 速度 u0 向右平移。由于液体和固体壁面间的附着力， 黏附于下平板的液层速度为零，黏附于上平板的液层 速度为 u0，而由于液体的黏性，中间各层液体的速度 则随着液层间距离Δy 的变化而变化。当上下板之间 距离 h 较小时，液体的速度从上到下近似呈线性递减 规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度 慢的液层对速度快的起阻滞作用。不同速度的液层之 间相对滑动必然在层与层之间产生内部摩擦力。这种 摩擦力作为液体内力，总是成对出现，且大小相等、方向相反地作用在相邻两液层上。 根据实验得知，流动液体相邻液层之间的内摩擦力 Ff 与液层接触面积 A、液层间的速 度梯度 du/dy 成正比，即 f d d u F A y = μ (2.8) 式中 µ——比例常数，称为黏度系数或动力黏度； 图 2.1 油液弹簧的刚度计算简图 图 2.2 液体黏性示意图
液压传动 A各液层间的接触面积; du/dy——速度梯度,即在速度垂直方向上的速度变化率 这就是牛顿液体内摩擦定律。若液体的动力黏度μ只与液体种类有关而与速度梯度无 关,则这样的液体称为牛顿液体。一般石油基液压油都是牛顿液体。 若以r表示液层间的切应力,即单位面积上的内摩擦力,则上式可表示为 F A 或写成 F/Ar(剪切应力) da/dyda/dyv切应变) (2.10) 由此可见,液体黏性的物理意义是:在一定的切应力r的作用下,动力黏度越大,速 度梯度dwudν越小,则液体发生剪切变形越小,也就是说,液体抵抗液层之间发生剪切变 形的能力越强,即黏性是液体在流动时抵抗变形能力的一种度量 在静止液体中,速度梯度dldy=0,故其内摩擦力为零,因此静止液体不呈现黏性,液 体在流动时才显示其黏性。 液体黏性的度量一黏度 液体黏性的大小用黏度表示。黏度是液体最重要的物理性质之一,是液压系统选择液 压油的主要指标,黏度大小会直接影响系统的正常工作、效率和灵敏性 通常表示黏度大小的单位有动力黏度、运动黏度和相对黏度。 1)动力黏度 动力黏度又称为绝对黏度。如式(2.10所示,动力黏度的物理含义是:液体在单位速 度梯度下流动时,相接触的液体层间单位面积上所产生的内摩擦力。 在国际S单位制中,动力黏度的单位是Pas(1Pas=Nsm2) 2)运动黏度 液体的动力黏度μ和它的密度p的比值称为运动黏度,常以符号v表示,即 式中—动力黏度 液体密度。 在法定计量单位制(SD)中,运动黏度v的单位是m2/s(1m2s=10cm2/s=10S斯 l0°mm2/s=10°cS(厘斯) 运动黏度ν没有什么特殊的物理意义,只是因为在液压系统的理论分析和计算中常常 碰到动力黏度μ与密度p的比值,因而才采用运动黏度这个单位来代替Hlp。它之所以被 称为运动黏度,是因为它的单位中只有运动学的量纲。液体的运动黏度可用旋转黏度计 测定。 在我国,运动黏度是划分液压油牌号的依据。国家标准GB/T3141-1994中规定,液 压油的牌号是该液压油在40℃时运动黏度的中间值。例如,32号液压油是指这种油在40℃ 时运动黏度的中间值为32mm2,其运动黏度范围为288mm2s~352mm2/s
·12· 液压传动 ·12· A——各液层间的接触面积； d /d u y ——速度梯度，即在速度垂直方向上的速度变化率。 这就是牛顿液体内摩擦定律。若液体的动力黏度µ只与液体种类有关而与速度梯度无 关，则这样的液体称为牛顿液体。一般石油基液压油都是牛顿液体。 若以τ 表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则上式可表示为 f d d F u A y τ μ = = (2.9) 或写成 f / ( ) d /d d /d ( ) F A uy uy τ μ = = 剪切应力 切应变 (2.10) 由此可见，液体黏性的物理意义是：在一定的切应力τ 的作用下，动力黏度µ越大，速 度梯度 du/dy 越小，则液体发生剪切变形越小，也就是说，液体抵抗液层之间发生剪切变 形的能力越强，即黏性是液体在流动时抵抗变形能力的一种度量。 在静止液体中，速度梯度 du/dy=0，故其内摩擦力为零，因此静止液体不呈现黏性，液 体在流动时才显示其黏性。 2. 液体黏性的度量——黏度 液体黏性的大小用黏度表示。黏度是液体最重要的物理性质之一，是液压系统选择液 压油的主要指标，黏度大小会直接影响系统的正常工作、效率和灵敏性。 通常表示黏度大小的单位有动力黏度、运动黏度和相对黏度。 1) 动力黏度 动力黏度又称为绝对黏度。如式(2.10)所示，动力黏度µ的物理含义是：液体在单位速 度梯度下流动时，相接触的液体层间单位面积上所产生的内摩擦力。 在国际 SI 单位制中，动力黏度的单位是 Pa s⋅ ( 2 1Pa s=1N s/m ⋅ ⋅ )。 2) 运动黏度 液体的动力黏度 μ 和它的密度 ρ 的比值称为运动黏度，常以符号ν 表示，即 μ ν ρ = (2.11) 式中 μ ——动力黏度； ρ ——液体密度。 在法定计量单位制(SI)中，运动黏度 ν 的单位是 m 2 /s(1m2 /s=104 cm 2 /s=104 St(斯) =106 mm 2 /s=106 cSt(厘斯))。 运动黏度ν 没有什么特殊的物理意义，只是因为在液压系统的理论分析和计算中常常 碰到动力黏度µ与密度 ρ 的比值，因而才采用运动黏度这个单位来代替μ /ρ。它之所以被 称为运动黏度，是因为它的单位中只有运动学的量纲。液体的运动黏度可用旋转黏度计 测定。 在我国，运动黏度是划分液压油牌号的依据。国家标准 GB/T 3141—1994 中规定，液 压油的牌号是该液压油在 40℃时运动黏度的中间值。例如，32 号液压油是指这种油在 40℃ 时运动黏度的中间值为 32mm2 /s，其运动黏度范围为 28.8mm2 /s～35.2mm2 /s
第2章液压油与液压流体力学基础 3)相对黏度 动力黏度和运动黏度是理论分析和推导中经常使用的黏度单位,难以直接测量,因此 工程上常采用相对黏度来表示液体黏性的大小 相对黏度是以液体的黏度相对于水的黏度的大小程度来表示该液体的黏度。相对黏度 又称为条件黏度,各国采用的相对黏度单位有所不同,有的用赛氏黏度SUS(美国、英国通 日):有的用雷氏黏度R1S美国、英国商用):有的用恩氏黏度°E(中国、德国)。 恩氏黏度用恩氏黏度计来测定,其方法是将200mL、温度为r℃的被测液体装入黏度 计的容器内,由其底部孔径为28mm的小孔流出,测出液体流完所需时间t,再测出相同 体积、温度为20℃的蒸馏水在同一容器中流完所需的时间2,这两个时间之比即为被测液 体在t℃下的恩氏黏度,即 温度tC时的恩氏黏度用符号°E,表示,在液压传动系统中一般以40℃作为测定恩氏黏 度的标准温度,用°E0表示。 恩氏黏度与运动黏度间的换算关系为下述近似经验公式 v=|7.3g-03) °E ×10(m/s 尽管国际标准化组织(SO)规定统一采用运动黏度,但相对黏度仍被一些国家或地区 采用 3.黏度与温度的关系 夜压系统中使用的矿物油对温度的变化很敏感,当温度升高时,黏度显著降低,这 特性称为液体的黏温特性。黏一温特性常用黏一温特性曲线和黏度指数Ⅵ来表示。图2.3 表示几种常用液压介质的黏-温特性曲线。 自当 高粘度液压油 合成酯 高水基液压液(595】石油基型液压 温度t℃ 图23几种常用液压介质的黏一温特性曲线 黏度指数Ⅵ,表示该液体的黏度随温度变化的程度与标准液的黏度变化程度之比。通 常在各种工作介质的质量指标中都给出黏度指数。黏度指数高,表示黏一温曲线平缓,说 明黏度随温度变化小,其黏一温特性好。目前精制液压油及有添加剂的液压油,黏度指数 可大于100。几种典型工作介质的黏度指数如表2-3所列
第 2 章 液压油与液压流体力学基础 ·13· ·13· 3) 相对黏度 动力黏度和运动黏度是理论分析和推导中经常使用的黏度单位，难以直接测量，因此 工程上常采用相对黏度来表示液体黏性的大小。 相对黏度是以液体的黏度相对于水的黏度的大小程度来表示该液体的黏度。相对黏度 又称为条件黏度，各国采用的相对黏度单位有所不同，有的用赛氏黏度 SUS(美国、英国通 用)；有的用雷氏黏度 R1S(美国、英国商用)；有的用恩氏黏度°E (中国、德国)。 恩氏黏度用恩氏黏度计来测定，其方法是将 200mL、温度为 t℃的被测液体装入黏度 计的容器内，由其底部孔径为 2.8mm 的小孔流出，测出液体流完所需时间 1 t ，再测出相同 体积、温度为 20℃的蒸馏水在同一容器中流完所需的时间 2t ，这两个时间之比即为被测液 体在 t℃下的恩氏黏度，即 1 2 t E t ° = (2.12) 温度 t℃时的恩氏黏度用符号 Et ° 表示，在液压传动系统中一般以 40℃作为测定恩氏黏 度的标准温度，用 E40 ° 表示。 恩氏黏度与运动黏度间的换算关系为下述近似经验公式 6.31 6 7.31 10 E E ν ⎛ ⎞ − = °− × ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ° (m2 /s) (2.13) 尽管国际标准化组织(ISO)规定统一采用运动黏度，但相对黏度仍被一些国家或地区 采用。 3. 黏度与温度的关系 液压系统中使用的矿物油对温度的变化很敏感，当温度升高时，黏度显著降低，这一 特性称为液体的黏―温特性。黏―温特性常用黏―温特性曲线和黏度指数Ⅵ来表示。图 2.3 表示几种常用液压介质的黏―温特性曲线。 图 2.3 几种常用液压介质的黏―温特性曲线 黏度指数Ⅵ，表示该液体的黏度随温度变化的程度与标准液的黏度变化程度之比。通 常在各种工作介质的质量指标中都给出黏度指数。黏度指数高，表示黏―温曲线平缓，说 明黏度随温度变化小，其黏―温特性好。目前精制液压油及有添加剂的液压油，黏度指数 可大于 100。几种典型工作介质的黏度指数如表 2-3 所列
液压传动 表2-3典型工作介质的黏度指数ⅥI 介质种类 石油基液石油基液压油陌油基液压油扃含水液压油油包水乳化液|-乙二醇酸酯 压油 L-HM L-HR L-HG HFA HFB L-HFC HFDR 黏度指数Ⅵ95≥160≥90 13 130~170 l40~17031~170 在实际应用中,温度升高,油的黏度下降的性质直接影响液压油液的使用,其重要性 不亚于黏度本身。油液黏度的变化直接影响到液压系统的性能和泄漏,因此希望黏度随温 度的变化越小越好。一般液压系统要求工作介质的黏度指数应在90以上,当系统的工作温 度范围较大时,应选用黏度指数高的介质 4.黏度与压力的关系 当油液所受的压力增加时,其分子间的距离就缩小,内聚力增加,黏度也有所变大。 但是这种影响在低压时并不明显,可以忽略不计:当压力大于50MPa时,黏度将急剧增大 压力对黏度的影响可用以下经验公式计算 vp=ve≈v(l+qPp 式中p—液体的压力; v—压力为P时液体的运动黏度 v—大气压力下液体的运动黏度 e—自然对数的底 系数,对于石油基液压油,c=0015~0.035。 2.1.4对液压油的要求、选用和使用 1.对液压油的要求 不同的工作机械和不同的使用情况,对液压油的要求有很大的不同,为了很好地传递 运动和动力,液压系统使用的液压油应具备如下性能 (1)合适的黏度,v=(115~413)×10°m2或2~58°E。,具有较好的黏-温性能 (2)具有良好的润滑性能和足够的油膜强度,使系统中的各摩擦表面获得足够的润滑 而不致磨损。 (3)不得含有蒸汽、空气及容易汽化和产生气体的杂质,否则会起气泡。气泡是可压 缩的,而且在其突然被压缩和破裂时会放出大量的热,造成局部过热,使周围的油液迅速 氧化变质。另外气泡还是产生剧烈振动和噪声的主要原因之 (4)对金属和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和碱等,以免腐蚀机件和管道 破坏密封装置。 (5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性,在储存和使用过程中不变质。温度 低于57℃时,油液的氧化进程缓慢,之后,温度每增加10℃,氧化的程度增加一倍,所以 控制液压油的温度特别重要。 (6)抗泡沫性好,抗乳化性好,腐蚀性小,防锈性好。 (7)热膨胀系数低,比热高,导热系数高 (8)凝固点低,闪点(明火能使油面上油蒸汽闪燃,但油本身不燃烧时的温度)和燃点高
·14· 液压传动 ·14· 表 2-3 典型工作介质的黏度指数Ⅵ 介质种类 石油基液 压油 L-HM 石油基液压油 L-HR 石油基液压油 L-HG 高含水液压油 L-HFA 油包水乳化液 L-HFB 水-乙二醇 L-HFC 磷酸酯 L-HFDR 黏度指数Ⅵ ≥95 ≥160 ≥90 ≈130 130～170 140～170 -31～170 在实际应用中，温度升高，油的黏度下降的性质直接影响液压油液的使用，其重要性 不亚于黏度本身。油液黏度的变化直接影响到液压系统的性能和泄漏，因此希望黏度随温 度的变化越小越好。一般液压系统要求工作介质的黏度指数应在 90 以上，当系统的工作温 度范围较大时，应选用黏度指数高的介质。 4. 黏度与压力的关系 当油液所受的压力增加时，其分子间的距离就缩小，内聚力增加，黏度也有所变大。 但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于 50MPa 时，黏度将急剧增大。 压力对黏度的影响可用以下经验公式计算 pa a e (1 ) cp νν ν = ≈+ cp (2.14) 式中 p ——液体的压力； ν p ——压力为 p 时液体的运动黏度； ν a ——大气压力下液体的运动黏度； e ——自然对数的底； c ——系数，对于石油基液压油，c=0.015～0.035。 2.1.4 对液压油的要求、选用和使用 1. 对液压油的要求 不同的工作机械和不同的使用情况，对液压油的要求有很大的不同，为了很好地传递 运动和动力，液压系统使用的液压油应具备如下性能： (1) 合适的黏度，ν =(11.5～41.3)×10－6 m 2 /s 或 2～5.8 E50 ° ，具有较好的黏―温性能。 (2) 具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，使系统中的各摩擦表面获得足够的润滑 而不致磨损。 (3) 不得含有蒸汽、空气及容易汽化和产生气体的杂质，否则会起气泡。气泡是可压 缩的，而且在其突然被压缩和破裂时会放出大量的热，造成局部过热，使周围的油液迅速 氧化变质。另外气泡还是产生剧烈振动和噪声的主要原因之一。 (4) 对金属和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和碱等，以免腐蚀机件和管道， 破坏密封装置。 (5) 对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，在储存和使用过程中不变质。温度 低于 57℃时，油液的氧化进程缓慢，之后，温度每增加 10℃，氧化的程度增加一倍，所以 控制液压油的温度特别重要。 (6) 抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。 (7) 热膨胀系数低，比热高，导热系数高。 (8) 凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸汽闪燃，但油本身不燃烧时的温度)和燃点高
第2章液压油与液压流体力学基础 般液压油闪点在130℃~150℃之间。 (9)质地纯净,杂质少 (10)对人体无害,成本低。 对轧钢机、压铸机、挤压机、飞机等机器所用的液压油则必须突出油的耐高温、热稳 定性、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求 2.液压油的选用 正确而合理地选用液压油,对液压系统适应各种工作环境、延长系统和元件的寿命 提高系统工作的可靠性等都有重要的影响。液压传动中一般常采用矿物油,因植物油及动 物油中含有酸性和碱性杂质,腐蚀性大、化学稳定性差 在选择液压油时,除了按照泵、阀等元件出厂规定中的要求进行选择外,一般需要考 虑的因素如表2-4所列。 表2-4选择液压油时需要考虑的因素 作环境方面的是否抗燃闪点、燃点):抑制噪声的能力(空气溶解度、消泡性:废液再生 系统工作环境方面的「处理及环境污染要求:毒性和气味 系统工作条件方面的考虑/压力范围润滑性、承载能加温度范围(黏度、黏温特性、剪切损失、热 稳定性、氧化率、挥发度、低温流动性):转速(气蚀、对支承面浸润能力) 物理化学指标:对金属和密封件的相容性:过滤性能、吸斥水性能、吸气 情况、抗水解能力、对金属的作用情况、去垢能力;防锈、防腐蚀能力 液质量方面的考虑 抗氧化稳定性:剪切稳定性:电学特性(耐电压冲击强度、介电强度、导电 率、磁场中极化程度) 经济性方面的考虑 价格及使用寿命:维护、更换的难易程度 由于油温对黏度影响极大,因此为了发挥液压系统的最佳运转效率,应根据具体情况 来控制油温,使泵和系统在油液的最佳黏度范围内工作。事实上,过高的油温不仅改变了 油液的黏度,而且会使常温下平和、稳定的油液变得带腐蚀性,分解出不利于使用的成分, 或因过量汽化而使液压泵吸空,无法正常工作。 液压油的选择,一般要经历以下步骤 (1)定出所用油液的某些特性(黏度、密度、蒸汽压、空气溶解率、体积模量、抗燃性 温度界限、压力界限、润滑性、相容性、毒性等)的容许范围。 (2)查看说明书,找出符合或基本符合上述各项特性要求的油液 (3)进行综合和权衡,调整各方面的要求和参数。 (4)征询油液制造厂的最终意见 3.液压油的使用 根据一定的要求来选择或配制液压油之后,不能认为液压系统工作介质的问题已全部 解决了。事实上,若使用不当还是会使油液的性质发生变化的。例如,通常以为油液在某 温度和压力下的黏度是一定值,与流动情况无关,实际上油液被过度剪切后,黏度会显 著减小,因此使用液压油时,应注意以下几点
第 2 章 液压油与液压流体力学基础 ·15· ·15· 一般液压油闪点在 130℃～150℃之间。 (9) 质地纯净，杂质少。 (10) 对人体无害，成本低。 对轧钢机、压铸机、挤压机、飞机等机器所用的液压油则必须突出油的耐高温、热稳 定性、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。 2. 液压油的选用 正确而合理地选用液压油，对液压系统适应各种工作环境、延长系统和元件的寿命、 提高系统工作的可靠性等都有重要的影响。液压传动中一般常采用矿物油，因植物油及动 物油中含有酸性和碱性杂质，腐蚀性大、化学稳定性差。 在选择液压油时，除了按照泵、阀等元件出厂规定中的要求进行选择外，一般需要考 虑的因素如表 2-4 所列。 表 2-4 选择液压油时需要考虑的因素 系统工作环境方面的考虑 是否抗燃(闪点、燃点)；抑制噪声的能力(空气溶解度、消泡性)；废液再生 处理及环境污染要求；毒性和气味 系统工作条件方面的考虑 压力范围(润滑性、承载能力)；温度范围(黏度、黏-温特性、剪切损失、热 稳定性、氧化率、挥发度、低温流动性)；转速(气蚀、对支承面浸润能力) 油液质量方面的考虑 物理化学指标；对金属和密封件的相容性；过滤性能、吸斥水性能、吸气 情况、抗水解能力、对金属的作用情况、去垢能力；防锈、防腐蚀能力； 抗氧化稳定性；剪切稳定性；电学特性(耐电压冲击强度、介电强度、导电 率、磁场中极化程度) 经济性方面的考虑 价格及使用寿命；维护、更换的难易程度 由于油温对黏度影响极大，因此为了发挥液压系统的最佳运转效率，应根据具体情况 来控制油温，使泵和系统在油液的最佳黏度范围内工作。事实上，过高的油温不仅改变了 油液的黏度，而且会使常温下平和、稳定的油液变得带腐蚀性，分解出不利于使用的成分， 或因过量汽化而使液压泵吸空，无法正常工作。 液压油的选择，一般要经历以下步骤： (1) 定出所用油液的某些特性(黏度、密度、蒸汽压、空气溶解率、体积模量、抗燃性、 温度界限、压力界限、润滑性、相容性、毒性等)的容许范围。 (2) 查看说明书，找出符合或基本符合上述各项特性要求的油液。 (3) 进行综合和权衡，调整各方面的要求和参数。 (4) 征询油液制造厂的最终意见。 3. 液压油的使用 根据一定的要求来选择或配制液压油之后，不能认为液压系统工作介质的问题已全部 解决了。事实上，若使用不当还是会使油液的性质发生变化的。例如，通常以为油液在某 一温度和压力下的黏度是一定值，与流动情况无关，实际上油液被过度剪切后，黏度会显 著减小，因此使用液压油时，应注意以下几点：
16 液压传动 (1)对于长期使用的液压油,氧化、热稳定性是决定温度界限的因素,因此,应使液 压油长期处在低于它开始氧化的温度下工作 (2)储存、搬运及加注过程中,应防止油液被污染 (3)对油液定期抽样检验,并建立定期换油制度 (4)油箱中油液的储存量应充分,以利于系统的散热 (5)保持系统的密封,一旦有泄漏,就应立即排除。 通常只要对使用石油型液压油的液压系统进行彻底清洗以及更换某些密封件和油箱涂 料后,便可更换成高水基液压油。但是,由于高水基液压油的黏度低、泄漏大、润滑性 差、易蒸发和气蚀等一系列缺点,因此在实际使用高水基液的液压系统中,还必须注意 下述几点 (1)由于黏度低、泄漏大,系统的最高压力不要超过7MPa (2)要防止气蚀现象,可用高置油箱以增大泵进油口处压力,泵的转速不要超过 1200r/min (3)系统浸渍不到油液的部位,金属的气相锈蚀较为严重,因此应使系统尽量地充满 油液。 (4)由于油液的pH值高,容易发生由金属电位差引起的腐蚀,因此应避免使用镁合金、 锌、镉之类金属 (5)定期检査油液的pH值、浓度、霉菌生长情况,并对其进行控制。 (6)滤网的通流能力须4倍于泵的流量,而不是常规的15倍 4.液压油的类型 液压系统中使用的液压油液的种类如表2-5所列。 表2-5液压油液的种类及其性质 种类 可燃性液压油 抗燃性液压油 石油型 成型 乳化型 性能 液压油抗磨液压油低温液压油磷酸酯液水一乙二醇液油包水液水包油 密度(kgm2)850~900 110015001040~1100920~9401000 黏度指数Ⅵ≥90 130~180140~17 130~150极高 润滑性 优 可 防锈蚀性 良良难 良良难 闪点(℃)≥170~200|170 150~170 不燃 凝点(℃) 35~-45 20~5050 石油型的液压油以机械油为基料,精炼后按需要加入适当的添加剂而成。这种油液的 润滑性好,但抗燃性差 目前,我国在液压系统中仍大量采用机械油和汽轮机油。机械油是一种工业用润滑油
·16· 液压传动 ·16· (1) 对于长期使用的液压油，氧化、热稳定性是决定温度界限的因素，因此，应使液 压油长期处在低于它开始氧化的温度下工作。 (2) 储存、搬运及加注过程中，应防止油液被污染。 (3) 对油液定期抽样检验，并建立定期换油制度。 (4) 油箱中油液的储存量应充分，以利于系统的散热。 (5) 保持系统的密封，一旦有泄漏，就应立即排除。 通常只要对使用石油型液压油的液压系统进行彻底清洗以及更换某些密封件和油箱涂 料后，便可更换成高水基液压油。但是，由于高水基液压油的黏度低、泄漏大、润滑性 差、易蒸发和气蚀等一系列缺点，因此在实际使用高水基液的液压系统中，还必须注意 下述几点： (1) 由于黏度低、泄漏大，系统的最高压力不要超过 7MPa。 (2) 要防止气蚀现象，可用高置油箱以增大泵进油口处压力，泵的转速不要超过 1200r/min。 (3) 系统浸渍不到油液的部位，金属的气相锈蚀较为严重，因此应使系统尽量地充满 油液。 (4) 由于油液的 pH 值高，容易发生由金属电位差引起的腐蚀，因此应避免使用镁合金、 锌、镉之类金属。 (5) 定期检查油液的 pH 值、浓度、霉菌生长情况，并对其进行控制。 (6) 滤网的通流能力须 4 倍于泵的流量，而不是常规的 1.5 倍。 4. 液压油的类型 液压系统中使用的液压油液的种类如表 2-5 所列。 表 2-5 液压油液的种类及其性质 可燃性液压油 抗燃性液压油 石油型 合成型 乳化型 种类 性能 通用液压油 抗磨液压油 低温液压油 磷酸酯液 水—乙二醇液 油包水液 水包油液 密度(kg/m3 ) 850～900 1100～1500 1040～1100 920～940 1000 黏度 小～大 小～大 小～大 小～大 小～大 小 小 黏度指数 VI≥ 90 95 130 130～180 140～170 130～150 极高 润滑性 优 优 优 优 良 良 可 防锈蚀性 优 优 优 良 良 良 可 闪点(℃)≥ 170～200 170 150～170 难燃 难燃 难燃 不燃 凝点(℃)≤ -10 -25 -35～-45 -20～-50 -50 -25 -5 石油型的液压油以机械油为基料，精炼后按需要加入适当的添加剂而成。这种油液的 润滑性好，但抗燃性差。 目前，我国在液压系统中仍大量采用机械油和汽轮机油。机械油是一种工业用润滑油
第2章液压油与液压流体力学基础 价格虽较低,但其物理化学性能较差,使用时易生黏稠胶质而堵塞元件,影响系统的性能 压力越高,问题越严重。因此,只在压力较低和要求不高的场合中使用。 汽轮机油和机械油相比,氧化安定性好,使用寿命长,与水混合后能迅速分离,纯净 度高。普通液压油中加有抗氧化、防锈和抗泡等添加剂,在液压系统中使用最广。 乳化液分两大类:一类是少量油(约5%~10%)分散在大量的水中,称为水包油乳化液 也称高水基液(OW):另一类是水分散在大量的油中(油约占60%),称为油包水乳化液 (W/O)。后者的润滑性比前者好 水一乙二醇液适用于要求防火的液压系统。如液体长期在高于65℃的温度下工作,水 分的蒸发使它的黏度上升,因此必须经常检验。低温黏度小,它的润滑性比石油型液压油差, 对大多数金属及液压系统中使用的大多数橡胶密封圈材料均能相容,但会使许多油漆脱落。 磷酸酯液自燃点高,氧化稳定性好,润滑性好,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橡胶密封圈材料。另外, 这种液体有毒 为了改善液压油的性能,往往在油液中加入各种各样的添加剂。添加剂有两类:一类 是改善油液化学性能的,如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等;另一类是改善油液物理性能的, 如增黏剂、抗泡剂、抗磨剂等。 2.2液体静力学基础 本节讨论静止液体的平衡规律以及这些规律的应用。所谓静止液体,是指液体内部质 点间没有相对运动。如果盛装液体的容器本身处在运动之中,则液体处于相对静止状态 22.1液体中的作用力 1.质量力和表面力 在所研究的液体中,任取一微小体积液体△A,如图24所示,作用于此微小体积液体 上的力可分为质量力和表面力 质量力作用于所研究液体的所有质点上,它的大小与液 体质量成正比,属于这种力的有重力、惯性力和电磁力等。 表面力是作用于所研究液体表面上的力。因为这种微元 体既可取在液体与容器或两种液体的界面上,也可取在液体 内部任一位置,所以表面力也是在液体各处发生的,并非只 在液体的“表面”上 有两种表面应力:一是作用在微元体表面垂直方向上的 应力,指向微元体内部,称为压力,以P表示,单位为Pa 液体中某点处微小面积△A上作用有法向力△F,则该 图24质量力和表面力 点的压力p定义为 △ f de △4d
第 2 章 液压油与液压流体力学基础 ·17· ·17· 价格虽较低，但其物理化学性能较差，使用时易生黏稠胶质而堵塞元件，影响系统的性能。 压力越高，问题越严重。因此，只在压力较低和要求不高的场合中使用。 汽轮机油和机械油相比，氧化安定性好，使用寿命长，与水混合后能迅速分离，纯净 度高。普通液压油中加有抗氧化、防锈和抗泡等添加剂，在液压系统中使用最广。 乳化液分两大类：一类是少量油(约 5%～10%)分散在大量的水中，称为水包油乳化液， 也称高水基液(O/W)；另一类是水分散在大量的油中(油约占 60%)，称为油包水乳化液 (W/O)。后者的润滑性比前者好。 水―乙二醇液适用于要求防火的液压系统。如液体长期在高于 65℃的温度下工作，水 分的蒸发使它的黏度上升，因此必须经常检验。低温黏度小，它的润滑性比石油型液压油差， 对大多数金属及液压系统中使用的大多数橡胶密封圈材料均能相容，但会使许多油漆脱落。 磷酸酯液自燃点高，氧化稳定性好，润滑性好，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橡胶密封圈材料。另外， 这种液体有毒。 为了改善液压油的性能，往往在油液中加入各种各样的添加剂。添加剂有两类：一类 是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的， 如增黏剂、抗泡剂、抗磨剂等。 2.2 液体静力学基础 本节讨论静止液体的平衡规律以及这些规律的应用。所谓静止液体，是指液体内部质 点间没有相对运动。如果盛装液体的容器本身处在运动之中，则液体处于相对静止状态。 2.2.1 液体中的作用力 1. 质量力和表面力 在所研究的液体中，任取一微小体积液体ΔA，如图 2.4 所示，作用于此微小体积液体 上的力可分为质量力和表面力。 质量力作用于所研究液体的所有质点上，它的大小与液 体质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力和电磁力等。 表面力是作用于所研究液体表面上的力。因为这种微元 体既可取在液体与容器或两种液体的界面上，也可取在液体 内部任一位置，所以表面力也是在液体各处发生的，并非只 在液体的“表面”上。 有两种表面应力：一是作用在微元体表面垂直方向上的 应力，指向微元体内部，称为压力，以 p 表示，单位为 Pa。 液体中某点处微小面积 ΔA上作用有法向力 ΔFN ，则该 点的压力 p 定义为 N N 0 d limA d F F p Δ → A A Δ = = Δ (2.15) 图 2.4 质量力和表面力
液压传动 式中△——微元面积 △FN—法向微元作用力 严格说来,p应是压力强度,即物理学中的压强,但在工程中,人们习惯称为压力。 若法向作用力FN均匀地作用在面积A上,则压力可表示为 (2.16) 另一种是切向应力,以τ表示,单位与p相同。 △FdF △A→0△AdA 式中△Fx切向微元作用力 如前所述,切应力是液体黏性的反映,当液体的不同液层间有相对运动时,即产生 切应力,所以τ反映的是液体中的内摩擦力,静止液体中,τ=0。 2.静压力的性质 静止液体中的压力称为静压力,液体静压力有两个基本特性 (1)液体静压力沿法线方向,垂直于承压面。 (2)静止液体内,任一点的压力,在各个方向上都相等 由上述性质可知:静止液体总是处于受压状态,并且其内部的任何质点都是受平衡压 力作用的。 3.压力的表示方法及单位 压力有两种表示方法:绝对压力和相对压力。以绝对 真空作为基准进行度量的压力,称为绝对压力:以当地大 气压力为基准进行度量的压力,称为相对压力。在绝大多楼班力 相委负) 数工业测压仪表中,大气压力并不能使仪表动作,所以仪 表指示的压力是相对压力,又称表压力。液压传动中所提 大气压P 到的压力均指相对压力 如果液体中某点处的绝对压力小于大气压力,这时该 绝对真空 点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值,称为真空 绝对压力 度。绝对压力、相对压力与真空度之间的关系如图25所 示。由图25可知:以大气压为基准计算压力时,基准以 图2.5绝对压力、相对压力和 上的正值是表压力,基准以下的负值的绝对值就是真空度。 真空度之间的关系 例如,当液体内某点的真空度为007MPa时,它的绝对压力便是003MPa。即 表压力=绝对压力一大气压力 真空度=大气压力一绝对压力 根据压力的定义可知,压力应具有应力的计量单位。因此,压力的法定计量单位是 Pa(帕),1Pa=1Nm2(牛顿/米2,1×10Pa=MPa(兆帕)。我国过去沿用过的和有些部门惯用 的一些压力单位还有bar(巴)、a(工程大气压,即 kgf/cm2)、atm(标准大气压)、mmHO(约 定毫米水柱减或mmHg(约定毫米水银柱)等。下面,将会证明液体内某一点处的表压力与它 所在位置的深度h成正比,因此亦可用液柱高度来表示表压力的大小。各种压力单位之间 的换算关系见表2-6。当要求不严格时,可认为 kgf/cm2≈lbar
·18· 液压传动 ·18· 式中 ΔA——微元面积； ΔFN——法向微元作用力。 严格说来，p 应是压力强度，即物理学中的压强，但在工程中，人们习惯称为压力。 若法向作用力 FN均匀地作用在面积 A 上，则压力可表示为 FN p A = (2.16) 另一种是切向应力，以τ 表示，单位与 p 相同。 0 d limA d F F A A τ τ τ Δ → Δ = = Δ (2.17) 式中 ΔFτ——切向微元作用力。 如前所述，切应力τ 是液体黏性的反映，当液体的不同液层间有相对运动时，即产生 切应力，所以τ 反映的是液体中的内摩擦力，静止液体中，τ ＝0。 2. 静压力的性质 静止液体中的压力称为静压力，液体静压力有两个基本特性： (1) 液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。 (2) 静止液体内，任一点的压力，在各个方向上都相等。 由上述性质可知：静止液体总是处于受压状态，并且其内部的任何质点都是受平衡压 力作用的。 3. 压力的表示方法及单位 压力有两种表示方法：绝对压力和相对压力。以绝对 真空作为基准进行度量的压力，称为绝对压力；以当地大 气压力为基准进行度量的压力，称为相对压力。在绝大多 数工业测压仪表中，大气压力并不能使仪表动作，所以仪 表指示的压力是相对压力，又称表压力。液压传动中所提 到的压力均指相对压力。 如果液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该 点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空 度。绝对压力、相对压力与真空度之间的关系如图 2.5 所 示。由图 2.5 可知：以大气压为基准计算压力时，基准以 上的正值是表压力，基准以下的负值的绝对值就是真空度。 例如，当液体内某点的真空度为 0.07MPa 时，它的绝对压力便是 0.03MPa。即 表压力＝绝对压力－大气压力 (2.18) 真空度＝大气压力－绝对压力 (2.19) 根据压力的定义可知，压力应具有应力的计量单位。因此，压力的法定计量单位是 Pa(帕)，1Pa=1N/m2 (牛顿/米 2 )，1×106 Pa=1MPa(兆帕)。我国过去沿用过的和有些部门惯用 的一些压力单位还有 bar(巴)、at(工程大气压，即 kgf/cm2 )、atm(标准大气压)、mmH2O(约 定毫米水柱)或 mmHg(约定毫米水银柱)等。下面，将会证明液体内某一点处的表压力与它 所在位置的深度 h 成正比，因此亦可用液柱高度来表示表压力的大小。各种压力单位之间 的换算关系见表 2-6。当要求不严格时，可认为 1kgf/cm2 ≈1bar。 图 2.5 绝对压力、相对压力和 真空度之间的关系