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液体是液压传动的工作介质,在液压传动系统中,工作介质用来传递力和信号,还起到润滑、冷却、密封、防锈和吸附冲击等作用。

1.液压油的一般特性分析

单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V(单位m3),质量为m(单位kg)的液体密度为

液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力,液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的黏性。由于液体具有黏性,当流体发生剪切变形时,流体内就产生阻滞变形的内摩擦力,由此可见,黏性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形,因而也不存在变形的抵抗,只有当运动流体流层间发生相对运动时,流体对剪切变形的抵抗,也就是黏性才表现出来。

黏性的大小可用黏度来衡量,黏度是选择液压油的主要指标,是影响流动流体的重要物理性质。

当液体流动时,由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的黏性使流体内各处的速度大小不等。如图1-9所示,设上平板以速度u0向右运动,下平板固定不动。由于液体黏性的作用,紧贴下平板液体层的速度为零,而中间各液层的速度则视其距下平板距离的大小按线性规律变化。

液体的黏度通常有三种不同的测试单位:动力黏度、运动黏度和相对黏度。

(1)动力黏度μ:又称为绝对黏度,是表征液体黏性的内摩擦力大小。其物理意义是液体在单位速度梯度(du/dy=1)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。动力黏度在国际计量单位为Pa·s(帕·秒),1Pa·s=1(N·s)/m2。

(2)运动黏度υ:是指在同一温度下该液体动力黏度μ与其密度ρ的比值,即

式中,υ为液体的运动黏度,m2/s;ρ为液体的密度,kg/m3。

运动黏度的国际计量单位为m2/s,目前使用的单位还有斯(符号为St)和厘斯(符号为cSt)来表示,1cSt(mm2/s)=10-2St(cm2/s)=10-6m2/s。

运动黏度没有什么明确的物理意义,但在工程实际中经常用到。运动黏度是划分液压油牌号的依据,根据我国国家标准《工业液体润滑剂ISO黏度分类》(GB/T3141—1994)规定,液压油的牌号就是用该液压油在温度为40℃时的运动黏度平均值来表示的。例如L-HL22号液压油,就是指这种油在40℃时的运动黏度平均值为22mm2/s。

(3)相对黏度°Et:又称条件黏度,它是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的黏度。根据测量条件不同,各国采用的相对黏度的单位也不同,我国采用的是恩氏黏度°Et。

恩氏黏度用恩氏黏度计测定。其方法是:将200mL温度为t(以℃为单位)的被测液体装入黏度计的容器,经其底部直径为2.8mm的小孔流出,测出液体流尽所需时间t1,再测出200mL温度为20℃的蒸馏水在同一黏度计中流尽所需时间t2,这两个时间的比值即为被测液体在温度t下的恩氏黏度,即

工业上常用20℃、50℃、100℃作为测定恩氏黏度的标准温度,其相应恩氏黏度分别用°E20、°E50、°E100表示。

工程中常采用先测出液体的相对黏度,再根据关系式换算出动力黏度或运动黏度。恩氏黏度的换算关系式为

(4)黏度与压力、温度的关系。

当液体所受的压力加大时,分子之间的距离缩小,内聚力增大,其黏度也随之增大。一般情况下,压力对黏度的影响比较小,可以不考虑。

液压油黏度对温度的变化是十分敏感的,当温度升高时,其分子之间的内聚力减小,黏度也随之降低,这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用。不同种类的液压油,它的黏度随温度变化的规律也不同。几种常见液压传动介质的黏温特性曲线如图1-10所示。

1—矿油型通用液压油;2—矿油型高黏度指数液压油;3—水包油乳化液;4—水-乙二醇液;5—磷酸酯液

3)压缩性和膨胀性。

液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。液体受温度的影响使体积发生变化的性质称为膨胀性。液体的压缩性和膨胀性很小,当压力和温度变化不大时,可以认为液体的体积不发生变化,既不可压缩又不可膨胀。但在特殊情况(如水击现象)下,就必须考虑其影响。

2.液压油的种类和选用

合理选择和使用液压油,是保证液压系统正常和高效率工作的条件。选用液压油时通常采用两种方法:一是按液压元件生产厂家所提供的说明书中推荐的油类品种和规格选用液压油;二是根据液压系统的具体情况,例如工作压力高低、工作温度高低、运动速度大小、液压元件的种类等因素,全面考虑选用液压油。在选用时,主要是确定液压油的黏度范围、品种及系统工作时的特殊要求。

黏度是液压油的重要指标之一,它对液压系统的运动平稳性、工作可靠性、系统效率等有显著影响。

矿物油的黏度受温度影响变化很大,为保证在工作温度时有较适宜的黏度,选用过程中,当环境温度较高时宜采用黏度较大的液压油;当环境温度较低时宜采用黏度较小的液压油。

2)液压系统的工作压力

当系统压力较高时,宜选用黏度较大的液压油,以免系统泄漏过多,效率过低;当系统工作压力较低时,宜选用黏度较小的液压油,以减少压力损失。

当工作部件运动速度较高时,为减少与液体摩擦而造成的能量损失,宜选用黏度较小的液压油;反之,当工作部件运动速度较低时,宜选用黏度较大的液压油。

4)设备的特殊要求

精密设备和一般机械对黏度的要求不同,精密设备宜选用黏度较小的液压油。

5)液压泵的类型

液压泵是液压系统的重要元件,它对液压油黏度的要求较高。一般情况下,可将液压泵要求的黏度作为选择液压油的基准。液压泵用油黏度如表1-1所示。

液压油品种的选择是否合适,对液压系统的工作影响也较大。我国液压油的主要品种、黏度等级及特性和用途如表1-2所示。