2.1 液压传动的工作介质

液压传动是以液体作为工作介质进行能量转换、传递与控制的。流体力学是研究流体在外力作用下的平衡和运动规律的一门学科。与液压传动和控制密切相关的流体力学基础知识，对了解液体的物理性质，掌握液体在静止和运动过程中的基本力学规律以及掌握液压传动的基本原理是十分重要的，同时这些内容也是合理设计和使用液压系统的理论基础。

在液压传动系统中，液压油具有良好的润滑性能，是传递能量的优秀工作介质。另外还有各种特性不同的液压介质可供选择，以满足各类应用场合的需要。为合理选择与使用液压油，首先必须了解液压油的一些重要特性。

2.1.1 液压油的性质

1．密度

单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，用 ρ （单位kg/m ³ ）表示，即

式中， m 为液体的质量（kg）; V 为液体的体积（m ³ ）。

液体的密度随温度的升高而下降，随压力的增加而上升。对于液压传动中常用的液压油（矿物油）来说，在常用的温度和压力范围内，密度变化很小，可忽略不计。在计算时，液压油密度常取 ρ =900kg/m ³ 。

2．压缩性

液体受压力作用而发生体积变化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 κ 表示，其定义为：单位压力变化引起的液体体积的相对变化量。其表达式为

式中， V 为液体的初始体积；Δ V 为液体体积在压力变化Δ p 时的变化量；Δ p 为液体压力的变化量。

由于压力增大时液体的体积减小，因此为了使 κ 为正值，式（2-2）的右边须加一负号。

液压体积压缩系数 κ 的倒数称为液体体积弹性模量，用 K 表示，即

在实际应用中，常用 K 值说明液体抵抗压缩能力的大小，它表示产生单位体积相对变化量所需的压力增量。

液压油的体积弹性模量 K =（1.4～2）×10 ⁹ Pa，是钢的0.67%～1%。在系统压力变化不是很大时，可忽略液压油的可压缩性，即认为油液是不可压缩的。当系统压力变化较大或研究液压系统的动态特征、设计液压伺服系统时，必须考虑油液的可压缩性。

在实际液压系统中，液压油中混有空气，其压缩性显著增加，体积弹性模量显著减小，这将严重影响液压系统的工作性能。因此液压系统中应尽量减少油液中的空气含量。由于实际液压系统的液压油中，难免会混有空气，在工程计算中通常对矿物油型液压油取 K =（0.7～1.4）×10 ⁹ Pa。

液压油液的体积弹性模量与温度、压力有关。温度升高时， K 值减小，在液压油液正常的工作温度范围内， K 值会有5%～25%变化。压力增大时， K 值增大，反之则减小，但这种变化呈非线性。

封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一根弹簧，外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。在液体承压面积 A 不变时，可以通过压力变化Δ p =Δ F / A （Δ F 为外力变化值）、体积变化Δ V = A ·Δ l （Δ l 为液柱长度变化值）和式（2-3），求出它的液压弹簧刚度 k _h ，即

3．黏性

1）黏性的意义

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的阻止液体分子相对运动的内摩擦力的性质称为黏性。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，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，如图2.5所示。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 ，当上平板以速度 u ₀ 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，也随着上平板一起以 u ₀ 的速度向右运动；紧贴于下平板极薄的一层液体则和下平板一起保持不动；而中间各层液体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，而对下层液体起拖拽作用。当两平板间的距离较小时，各液层的速度近似按线性规律分布。

实验测定表明：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d u 成正比，而与液层间的距离d y 成反比，即

式中， μ 为比例系数，称为动力黏度； 为速度梯度，即相对运动速度对液层距离的变化率。

若以 τ （切应力）表示液层间单位面积上的内摩擦力，则

式（2-6）称为牛顿液体内摩擦定律。

由式（2-5）可知，在静止液体中，因速度梯度 ，故内摩擦力为零。

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，根据牛顿液体内摩擦定律可得

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，相互接触的液体层间单位面积上的内摩擦力。

动力黏度 μ 的法定计量单位是Pa·s（1Pa·s=1N·s/m ² ），以前沿用的单位为泊（P, dyn·s/cm ² ），两者之间的换算关系为

1Pa·s=10P

（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

液体的运动黏度没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量纲，所以被称为运动黏度。它的法定计量单位为m ² /s，以前沿用的单位为cm ² /s（St）或mm ² /s（cSt），它们之间的关系是：1m ² /s=10 ⁴ St=10 ⁶ cSt。

工程中常用运动黏度来表示液压油的黏度。如液压油的牌号，就是用它在40℃时运动黏度的平均值来表示的。32号液压油就是指在40℃时的运动黏度平均值为32mm ² /s。

（3）相对黏度。动力黏度和运动黏度是理论分析和计算时经常使用的黏度，但它们都难以直接测量。因此在工程上常使用相对黏度。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量出来的黏度。用相对黏度计测量出它的相对黏度后，再根据相应的关系式换算成运动黏度或动力黏度，以便于使用。在相对黏度中，中国、德国、俄罗斯等国家采用恩氏黏度°E，美国、英国等国家采用通用赛氏秒SSU，美国、英国还用商用雷氏秒R _l S，法国等采用巴氏度°B。

恩氏黏度由恩氏黏度计测定，即将200ml温度 t （℃）的被测液体，流经直径为2.8mm小孔所需的时间 t ₁ ，然后测出同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间 t ₂ 。 t ₁ 与 t ₂ 的比值即为该液体在 t （℃）时的恩氏黏度。恩氏黏度用符号°E表示，即

一般以20℃、40℃及100℃作为测定液体恩氏黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度分别用°E ₂₀ 、°E ₄₀ 和°E ₁₀₀ 来标记。

恩氏黏度和运动黏度可用下面的经验公式换算：

其他黏度之间的换算关系可参考有关书籍。

两种混合油液的恩氏黏度，可按以下公式进行计算：

式中， a 、 b 为两种油液所占的百分比；°E ₁ 、°E ₂ 为两种油液的恩氏黏度； c 为实验系数。

3）黏度与压力的关系

当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，其黏度也有所增加，液压油的动力黏度 μ 与压力 p （MPa）的关系为

式中， μ ₀ 为1标准大气压力下液压油的动力黏度（Pa·s）; k 为随液压油而异的指数，即压粘系数，对矿油型液压油 k =（0.015～0.03）。

在液压系统中，若系统的压力不高，压力对黏度的影响较小，一般可忽略不计。当压力高于50MPa时，压力对黏度的影响较明显，则必须考虑压力对黏度的影响。

4）黏度与温度的关系

液压油的黏度对温度的变化极为敏感，温度升高，黏度将显著降低。油的黏度随温度变化的性质称为黏温特性。不同种类的油液有不同的黏温特性，油液黏度的变化将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，液压油黏度与温度的关系可以用下式表示：

式中， λ 为随液压油而异的常数，即温黏系数。

图2.6所示为一些典型液压油的黏温曲线。

液压油的黏温特征可以用黏度指数Ⅵ来表示，Ⅵ值越大，表示油液黏度随温度的变化率越小，即黏温特性越好。一般液压油要求Ⅵ值在90以上，精制的液压油及加有添加剂的液压油，其Ⅵ值可大于100。

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。

2.1.2 液压介质的使用要求和选用

1．对液压介质的要求

液压油既是液压传动与控制系统的工作介质，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功能，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）黏度适宜和黏温特性好。适宜的黏度和良好的黏温特性对液压系统来说是十分重要的。在使用的温度范围内，黏度随温度的变化越小越好。一般液压系统所用的液压油的黏度范围为 ν =（11.5～35.3）×10 ^-6 m ² /s。

（2）润滑性能好。液压设备中，除液压元件外，还有一些相对运动的零件，也需要润滑，因此液压油应具有良好的润滑性和足够的油膜强度，以免产生干摩擦。

（3）稳定性要好，即对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，使用寿命长。在储存和工作过程中要不易氧化变质，以防胶质沉淀物影响系统正常工作；要防止油液变酸，腐蚀金属表面。油液抵抗其受热时发生化学变化的能力称为油液的热稳定性，热稳定性差的油液在温度升高时容易使油的分子裂化或聚合，产生脂状沥青、焦油等物质。由于这种化学反应是随温度升高而加快的，所以一般液压油的工作温度限制在65℃以下。油液与空气中的氧或其他含氧物质发生反应后生成酸性化合物，能腐蚀金属，这种化学反应的速度越慢，氧化稳定性就越好。

油液遇水发生分解变质的程度称为水解稳定性。水解变质后的油液黏度降低，腐蚀性增加。油液在很高的压力下通过很小的缝隙或孔时，由于机械剪切作用使油的化学结构发生变化，黏度减小。要求油液具有抗剪切稳定性，不致受机械剪切作用而使其黏度降低。

（4）消泡性好。油液中含有的杂质易堵塞油路，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。泡沫一旦随油液进入液压系统，就会引起振动、噪声以及油的压缩性增大等不良现象，因此需要液压油具有能够迅速而充分地放出气体而不致形成泡沫的性质，即消泡性。为了改善油的消泡性，油液中可加入消泡添加剂。

（5）凝固点低，低温流动性好。为了保证能够在寒冷气候情况下正常工作，液压油的凝固点要低于工作环境的最低温度，保证低温流动性，在低温下能够正常工作。

（6）闪点高。对于高温或有明火的工作场合，为满足防火安全的需要，油的闪点要高。

（7）杂质少。

2．液压介质的种类

液压介质的品种很多，主要可分为三大类型：石油型、合成型和乳化型。液压油的主要种类和性能见表2-1。

石油型液压油是以矿物油为原料，精炼后按需要加入适当添加剂而成。这类液压油润滑性好，但抗燃性差。

目前我国液压传动系统或设备采用机械油和汽轮机油的情况很普遍。机械油是一种工业用润滑油，价格低廉，但精制深度较浅，化学稳定性较差，使用时易生成黏稠物质阻塞元件小孔，影响系统性能。使用这种油时，系统的压力越高，问题越严重。因此只有在低压系统且要求很低时才可以应用机械油，至于汽轮机油，虽经深度精制并加有抗氧化、抗泡沫等添加剂，其性能优于机械油，但这种油的抗磨性和防锈性不如通用液压油。

通用液压油一般是以汽轮机油作为基础油再加以各种添加剂配制而成的，其抗氧化性、抗磨性、抗泡沫性、黏温特性均好，广泛适用于中低压系统，一般机床液压系统最适宜使用这种油。对于高压或中高压系统，可根据其工作条件和特殊要求选用抗磨液压油、低温液压油等专用油类。

石油型液压油有很多优点，其主要缺点是具有可燃性。在一些高温、易燃、易爆的工作场合，为安全起见，应该使用抗燃性液压油，如磷酸酯、水-乙二醇等合成液，或油包水、水包油等乳化液。

3．液压油的选用

首先应根据液压系统的使用环境和工作条件选用合适的液压油类型，类型确定后再选择油的牌号。

对液压油牌号的选择，主要是对油液黏度等级的选择，因为黏度对液压系统的稳定性、可靠性、效率、温升以及磨损都有显著的影响。在选择黏度时应注意以下几方面的情况。

（1）液压系统的工作压力：工作压力较高的液压系统宜选用黏度较大的液压油，以便于密封，减少泄漏；反之，可选用黏度较小的液压油。

（2）环境温度：环境温度较高时宜选用黏度较大的液压油，因为环境温度高会使油的黏度下降。

（3）运动速度：当工作部件的运动速度较高时，为减小液流的摩擦损失，宜选用黏度较小的液压油。

在液压传动系统中，液压泵的工作条件最为苛刻。它不但压力大，转速和温度也较高，而且液压油液被泵吸入和被泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定液压油液的黏度。同时，因油温对油液的黏度影响极大，过高的油温不仅改变了油液的黏度，而且还会使常温下平和、稳定的油液变得带有腐蚀性，分解出不利于使用的成分，或因过量的气化而使液压泵吸空，无法正常工作。所以应根据具体情况控制油温，使泵和系统在油液的最佳黏度范围内工作。

各类液压泵适用的黏度范围见表2-2。