1.5　液压传动的工作介质

1.5.1　液压传动工作介质的性质

液压传动的工作介质是液压油。液压油具有如下性质：

1.密度

单位体积液体的质量称为该液体的密度，用ρ表示。即

ρ=m/V　　（1.10）

式中：m——体积为V的液体的质量（kg）；

V——液体的体积（m3）。

液体的密度随温度的升高而下降，随压力的增加而增大。对于液压传动中常用的液压油（矿物油）来说，在常温和常压范围内，密度变化很小，可视为常数。在计算时，常取15℃时的液压油密度ρ=900kg/m3。

2.可压缩性

液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性。可压缩性的大小用体积压缩系数k来表示，其定义为：液体在单位压力变化下的体积相对变化量，即

式中：V——增压前液体的体积（m3）；

ΔV——压力变化Δp时液体体积的变化量（m3）；

Δp——液体压力的变化量（N）。

由于压力增大时液体的体积减小，因此上式的右边须加一负号，使k为正值，常用液压油的体积压缩系数k=（5～7）×10-10（m3/N）。对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。只有在研究液压系统的动态特性和高压情况下，才考虑油液的可压缩性。但是，若液压油中混入空气，其可压缩性将显著增强，并将严重影响液压系统的工作性能，故液压系统中应尽量减少油液中的空气含量。

3.黏性

（1）黏性的意义

液体在外力作用下流动时，因分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内摩擦力的性质称为黏性。黏性是液体的重要物理性质，也是选择液压用油的主要依据。

液体流动时，由于它和固体壁面间的附着力以及它的黏性，会使其内各液层间的速度大小不等。设在两个平行平板之间充满液体，两平行平板间的距离为h，如图1.4所示。当上平板以速度v0相对于静止的下平板向右移动时，紧贴于上平板极薄的一层液体，在附着力的作用下，随着上平板一起以μ0的速度向右运动；紧贴于下平板极薄的一层液体和下平板一起保持不动；而中间各层液体则从上到下按递减的速度向右运动，这是因为相邻两薄层液体间存在内摩擦力，该力对上层液体起阻滞作用，而对下层液体起拖曳作用。当两平板间的距离较小时，各液层的速度按线性规律分布。

实验测定指出：液体流动时，相邻液层间的内摩擦力F与液层间的接触面积A和液层间相对运动的速度dv成正比，而与液层间的距离dy成反比。即

若用单位面积上的摩擦力τ（切应力）来表示，则上式可以改写成

式中：μ——比例系数，称为动力黏度；

——速度梯度，即相对运动速度对液层距离的变化率。

上式称为牛顿液体内摩擦定律。

由上式可知，在静止液体中，因速度梯度dμ/dy=0，故内摩擦力为0，因此液体在静止状态下是不呈现黏性的。

（2）液体的黏度

液体黏性的大小用黏度表示。常用的黏度有三种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。

①动力黏度μ。动力黏度又称绝对黏度，它表征液体黏性的内摩擦因数，由式（1.13）可得

由此可知，液体动力黏度的物理意义是：当速度梯度等于1时，流动液体液层间单位面积上的内摩擦力，即为动力黏度。

动力黏度μ的法定计量单位是N·s/m2或用Pa·s表示。

②运动黏度ν。动力黏度μ和液体密度ρ之比值称为运动黏度，用ν表示。即

运动黏度ν没有明确的物理意义。因为在其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运动黏度，它在液压分析和计算中是一个经常遇到的物理量。

运动黏度ν的法定计量单位是m2/s。

就物理意义来说，运动黏度ν并不是衡量黏度的量，但工程中常用它来标志液体的黏度。如液压油的牌号，就是这种油液在40℃时的运动黏度ν（m2/s）的平均值。例如YA-N32液压油就是指这种液压油在40℃时的运动黏度ν的平均值为32m2/s。

（3）相对黏度

相对黏度又称条件黏度。它是采用特定的黏度计，在规定的条件下测出来的液体黏度。根据测量条件不同，各国采用的相对黏度的单位也不同。如美国采用国际赛氏秒（SSU），英国采用商用雷氏秒（″R），我国和欧洲一些国家采用恩氏黏度（°E）。

恩氏黏度由恩氏黏度计测定，即将200cm3的被测液体装入底部有ф2.8mm小孔的恩氏黏度计的容器中，在某一特定温度t（℃）时，测定全部液体在自重作用下流过小孔所需的时间t1与同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间t2（t2=50～52s）之比值，便是该液体在t（℃）时的恩氏黏度。恩氏黏度用符号°Et表示

恩氏黏度和运动黏度之间可用下面经验公式换算

液体的黏度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，压力增大时，黏度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。但液压传动工作介质的黏度对温度的变化十分敏感，如图1.5所示，温度升高，黏度下降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于黏度本身。

4.其他特性

液压油还有其他一些物理化学性质，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、抗磨性等，这些性质对液压系统的工作性能也影响较大。对于不同品种的液压油，这些性质的指标是不同的，具体应用时可查油类产品手册。

1.5.2　对液压传动工作介质的要求和选用

1.要求

液压油既是液压传动与控制的工作介质，又是各种液压元件的润滑剂，因此液压油的性能会直接影响液压系统的性能，如工作可靠性、灵敏性、稳定性、系统效率和零件寿命等。

选用液压油时应满足下列要求：

（1）黏温性好。在使用温度范围内，黏度随温度的变化越小越好。

（2）润滑性能好。在规定的范围内有足够的油膜强度，以免产生干摩擦。

（3）化学稳定性好。在储存和工作过程中不易氧化变质，以防胶质沉淀物影响系统正常工作；防止油液变酸，腐蚀金属表面。

（4）质地纯净，抗泡沫性好。油液中含有机械杂质易堵塞油路，若含有易挥发性物质，则会使油液中产生气泡，影响运动平稳性。

（5）闪点。明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度要高，凝固点要低。油液用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求高；在温度低的环境下工作时，凝固点要求低。

2.种类和选用

液压油的品种很多，主要可分为三大类型：矿物油型、合成型和乳化型。液压油的主要品种及性质见表1.1。

正确选用液压油，是保证液压设备高效率正常运转的前提。目前，90以上的液压系统采用矿物油型液压油为工作介质。选用时，普通液压油优先考虑，有特殊要求时，则选用抗磨、低温或高黏度指数的液压油，如没有普通液压油，则可用汽轮机油或机械油代用；合成型液压油价格贵，只有在某些特殊设备中，例如在对抗燃性要求高并且使用压力高、温度变化范围大等情况下采用；在工作压力不高时，高水基乳化液也是一种良好的抗燃液。在选用液压油时，合适的黏度有时更为重要。黏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、系统的发热等。一般根据黏度选择液压油的原则是：运动速度高或配合间隙小时，宜采用黏度较低的液压油以减少摩擦损失；工作压力高或温度高时，宜采用黏度较高的液压油以减少泄漏。实际上系统中使用的液压泵对液压油黏度的选用往往起决定性作用。此时可根据表1.2的推荐来选用油液黏度。