第二章液壓油的性質(zhì)

1、 第二章第二章 液壓油的性質(zhì)（液壓油的性質(zhì)（properties of hydraulic fluids） 2.1概述（概述（introduction） 在液壓系統(tǒng)中唯一最重要的材料是工作流體本身。在液壓系統(tǒng)中唯一最重要的材料是工作流體本身。液壓油的性質(zhì)對(duì)設(shè)備的正常工作和使用壽命有著決定性液壓油的性質(zhì)對(duì)設(shè)備的正常工作和使用壽命有著決定性的影響。為了液壓系統(tǒng)能夠高效地完成其工作使用清潔、的影響。為了液壓系統(tǒng)能夠高效地完成其工作使用清潔、高質(zhì)量的液壓油是非常重要的。高質(zhì)量的液壓油是非常重要的。 為了滿足工作要求現(xiàn)代大多數(shù)液壓油都是經(jīng)過(guò)特殊為了滿足工作要求現(xiàn)代大多數(shù)液壓油都是經(jīng)過(guò)特殊合成的化合物。除

2、了有一種基本的流體，液壓油還包含合成的化合物。除了有一種基本的流體，液壓油還包含一些添加物來(lái)得到所希望的性質(zhì)。一些添加物來(lái)得到所希望的性質(zhì)。 1.液壓油的主要功能液壓油的主要功能 實(shí)質(zhì)上，液壓油有四個(gè)主要功能：實(shí)質(zhì)上，液壓油有四個(gè)主要功能： 傳遞能量；傳遞能量； 潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件；潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件； 密封兩部件之間的配合間隙；密封兩部件之間的配合間隙； 散熱。散熱。 2.液壓油的特性液壓油的特性 為真正地實(shí)現(xiàn)上述這些主要功能并從安全和成本上為真正地實(shí)現(xiàn)上述這些主要功能并從安全和成本上考慮，液壓油應(yīng)具有以下特性：考慮，液壓油應(yīng)具有以下特性： 良好的潤(rùn)滑性；良好的潤(rùn)滑性； 理想的粘度；理想的粘度； 化學(xué)和

3、環(huán)保穩(wěn)定性；化學(xué)和環(huán)保穩(wěn)定性； 與系統(tǒng)其它材料的相容性；與系統(tǒng)其它材料的相容性； 較大的體積模量；較大的體積模量； 耐火性；耐火性； 良好的傳熱能力；良好的傳熱能力； 低密度；低密度； 抗泡性；抗泡性； 無(wú)毒；無(wú)毒； 低揮發(fā)性。低揮發(fā)性。 低成本；低成本； 容易得到。容易得到。 單一的液壓油不具有所有這些希望的性質(zhì)。為了實(shí)單一的液壓油不具有所有這些希望的性質(zhì)。為了實(shí)際使用，流體傳動(dòng)設(shè)計(jì)者必須選擇最接近所有這些理想際使用，流體傳動(dòng)設(shè)計(jì)者必須選擇最接近所有這些理想性質(zhì)的流體。性質(zhì)的流體。 液壓油必須定期更換，其周期不僅取決于流體本身液壓油必須定期更換，其周期不僅取決于流體本身還與其使用環(huán)境有關(guān)。實(shí)

4、驗(yàn)室分析是確定液壓油更換周還與其使用環(huán)境有關(guān)。實(shí)驗(yàn)室分析是確定液壓油更換周期的最好方法。通常說(shuō)，由于油液分解或被污染而導(dǎo)致期的最好方法。通常說(shuō)，由于油液分解或被污染而導(dǎo)致其粘度和酸度增大時(shí)，它就應(yīng)被更換。更好地是當(dāng)系統(tǒng)其粘度和酸度增大時(shí)，它就應(yīng)被更換。更好地是當(dāng)系統(tǒng)處于工作溫度時(shí)更換油液。用這種方法，大多數(shù)雜質(zhì)都處于工作溫度時(shí)更換油液。用這種方法，大多數(shù)雜質(zhì)都處于懸浮狀態(tài)并且容易排除。處于懸浮狀態(tài)并且容易排除。 2.2 流體：液體（流體：液體（fluids: liquids） “流體流體”一詞是液體和氣體的總稱。液體是這樣一一詞是液體和氣體的總稱。液體是這樣一種流體，具有已知的質(zhì)量，它具有明確

5、的、與它的容器種流體，具有已知的質(zhì)量，它具有明確的、與它的容器形狀無(wú)關(guān)的體積。這個(gè)意思是即使液體呈現(xiàn)其容器的形形狀無(wú)關(guān)的體積。這個(gè)意思是即使液體呈現(xiàn)其容器的形狀，容器中充滿液體部分的體積等于液體的體積。狀，容器中充滿液體部分的體積等于液體的體積。 液體被認(rèn)為是不可壓縮的以致于壓力變化時(shí)，液體液體被認(rèn)為是不可壓縮的以致于壓力變化時(shí)，液體的體積不會(huì)變化。這并不絕對(duì)準(zhǔn)確，但是由于壓力變化的體積不會(huì)變化。這并不絕對(duì)準(zhǔn)確，但是由于壓力變化引起的體積變化是很小的，在大多數(shù)工程應(yīng)用中可忽略引起的體積變化是很小的，在大多數(shù)工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)。不計(jì)。 2.3 重量、密度、比重（重量、密度、比重（weight,

6、 density, specific gravity） 1.重量重量 所有物質(zhì)，不論固體或流體，都受到地心引力的作所有物質(zhì)，不論固體或流體，都受到地心引力的作用。這個(gè)力稱為物體的重力，并與物體的質(zhì)量成正比，用。這個(gè)力稱為物體的重力，并與物體的質(zhì)量成正比，定義為：定義為： （21） f力（力（n）；）； w流體的重量（流體的重量（n）；）； m流體的質(zhì)量（流體的質(zhì)量（kg）；）； g重力加速度（重力加速度（9.8m/ /s2）。）。 2.重度重度 重度被定義為單位體積流體的重量，即：重度被定義為單位體積流體的重量，即： （22）mgwfvw 重度（重度（n/ /m3）；）； w重量（重量（n）；

7、）； v體積（體積（m3）；）； 利用式（利用式（22）我們能夠計(jì)算出水的重度）我們能夠計(jì)算出水的重度： 大多數(shù)油液的重度大約為大多數(shù)油液的重度大約為8792n/ /m3。然而，根據(jù)。然而，根據(jù)油液種類的不同，其重度在油液種類的不同，其重度在8635 n/ /m3和和9106 n/ /m3之之間變化。間變化。 3.比重比重 給定流體的比重（給定流體的比重（sg）是流體的重度與）是流體的重度與4純水的純水的重度之比，即油液的比重：重度之比，即油液的比重： （23）33/9786028. 033.277mnmnvwwaterwateroilgoils= 代入已知數(shù)值得：代入已知數(shù)值得： 注：注：比

8、重是無(wú)量綱（無(wú)單位）參數(shù)。比重是無(wú)量綱（無(wú)單位）參數(shù)。 4.密度密度 其定義是單位體積的質(zhì)量：其定義是單位體積的質(zhì)量： （24） 密度（密度（kg/ /m3） m質(zhì)量（質(zhì)量（kg） v體積（體積（m3） 由于質(zhì)量與重量成正比，密度也等于給定流體的密由于質(zhì)量與重量成正比，密度也等于給定流體的密度除以水的密度。度除以水的密度。8970=97978792=33.mnmnsgoilvm 密度與重度有如下關(guān)系：密度與重度有如下關(guān)系： （25） 那么水的密度為：那么水的密度為：g32321000=899786=mkgsm.mskgmwater 2.4 壓力（壓力（pressure） 1.流體壓力流體壓力

9、壓力壓力 在流體傳動(dòng)系統(tǒng)中壓力或者說(shuō)得更確切些是力以相在流體傳動(dòng)系統(tǒng)中壓力或者說(shuō)得更確切些是力以相等的數(shù)值向各個(gè)方向傳遞。壓力用單位面積上所受的力等的數(shù)值向各個(gè)方向傳遞。壓力用單位面積上所受的力來(lái)表示。因此，壓力是單位面積上作用的力的總和，即：來(lái)表示。因此，壓力是單位面積上作用的力的總和，即： （26） p壓力；壓力； f力；力； a面積。面積。 如果如果f和和a的單位分別是的單位分別是n和和m2，那么，那么p的單位就是的單位就是pa。afp = 靜止流體中的壓力稱為流體靜壓力，它有兩個(gè)重要靜止流體中的壓力稱為流體靜壓力，它有兩個(gè)重要性質(zhì)：性質(zhì)： 靜止流體中任一點(diǎn)上壓力大小與所受力面的方位無(wú)靜

10、止流體中任一點(diǎn)上壓力大小與所受力面的方位無(wú)關(guān)，即靜止流體中任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向相等。關(guān)，即靜止流體中任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向相等。 靜止流體中壓力作用方向是垂直于表面并指向該表靜止流體中壓力作用方向是垂直于表面并指向該表面，即沿表面內(nèi)法線方向。面，即沿表面內(nèi)法線方向。 靜壓力的基本方程靜壓力的基本方程 如圖所示，從流體中劃出一個(gè)如圖所示，從流體中劃出一個(gè)底面積為底面積為a的液柱，在流體表面的液柱，在流體表面上，外力產(chǎn)生的壓力上，外力產(chǎn)生的壓力pefe/ /a，液，液柱所受質(zhì)量力為柱所受質(zhì)量力為ha，設(shè)液柱下，設(shè)液柱下表面上作用的壓力為表面上作用的壓力為p，其方向向上，其方向向上，則沿垂直方向的

11、力平衡方程為則沿垂直方向的力平衡方程為 pea+hapa，由此得，由此得 ppe+h （27） 式中，式中，p是離液面是離液面h深處的壓力。深處的壓力。 由式（由式（27）可知：）可知： 靜壓力是外力產(chǎn)生的壓力靜壓力是外力產(chǎn)生的壓力pe和自重產(chǎn)生的壓力和自重產(chǎn)生的壓力h之之和；和； 靜止流體壓力隨深度線性地增加；靜止流體壓力隨深度線性地增加； 靜壓力相等的各點(diǎn)組成的面稱為等壓面，在靜止流靜壓力相等的各點(diǎn)組成的面稱為等壓面，在靜止流體中等壓面是水平面；體中等壓面是水平面； 在一般液壓系統(tǒng)中工作壓力（在一般液壓系統(tǒng)中工作壓力（ pe）比自重產(chǎn)生的壓）比自重產(chǎn)生的壓力力h大得多，故在液壓系統(tǒng)中大得多

12、，故在液壓系統(tǒng)中h可忽略，即可忽略，即p pe。 2.壓力的計(jì)算基準(zhǔn)和單位壓力的計(jì)算基準(zhǔn)和單位 壓力計(jì)算基準(zhǔn)壓力計(jì)算基準(zhǔn) 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力pabs：以絕對(duì)真空為計(jì)算基準(zhǔn)的壓力；以絕對(duì)真空為計(jì)算基準(zhǔn)的壓力； 大氣壓大氣壓pa：由大氣產(chǎn)生的壓力；由大氣產(chǎn)生的壓力； 相對(duì)壓力（表壓）相對(duì)壓力（表壓）p：以大氣壓為基準(zhǔn)的壓力，壓以大氣壓為基準(zhǔn)的壓力，壓力表所指示的壓力均為相對(duì)壓力。力表所指示的壓力均為相對(duì)壓力。 真空度真空度pv：壓力比大氣壓低的數(shù)值。壓力比大氣壓低的數(shù)值。 它們之間關(guān)系如圖所示：它們之間關(guān)系如圖所示： pabspa+p pvpapabs。 壓力的單位壓力的單位 壓力有多種單位。在壓力

13、有多種單位。在si制中，壓力的單位是制中，壓力的單位是pa，1pa=1n/ /m2，由于，由于pa太小，工程上常用太小，工程上常用mpa，目前也，目前也可用可用bar。1mpa106pa，1bar105pa。 在工程上還有以下壓力單位被應(yīng)用在工程上還有以下壓力單位被應(yīng)用 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm），工程），工程大氣壓（大氣壓（at），），mh2o（米水柱（米水柱高），高），mmhg（毫米汞柱高），（毫米汞柱高），kgf/ /cm2。 1atm1.033kgf/ /cm210.33mh2o760mmhg1.013105pa。 1at1kgf/ /cm210mh2o735.5mmhg9.81

14、04pa。 2.5 帕斯卡原理（帕斯卡原理（pascals law） 帕斯卡原理揭示了流體傳動(dòng)的基本原理。它表明了帕斯卡原理揭示了流體傳動(dòng)的基本原理。它表明了作用在密閉流體上的壓力等值地向各個(gè)方向傳遞。作用在密閉流體上的壓力等值地向各個(gè)方向傳遞。 如圖所示，在小活塞上施如圖所示，在小活塞上施加力加力f1時(shí)，在液體中將產(chǎn)生壓時(shí)，在液體中將產(chǎn)生壓力力pf1/ /a1，它以相同大小傳，它以相同大小傳向液體各部分，在大活塞上將向液體各部分，在大活塞上將產(chǎn)生力產(chǎn)生力f2pa2。它們的關(guān)系。它們的關(guān)系是是f1/ /f2a1/ /a2或或f2（a2/ /a1）f1，由此可看出，由于，由此可看出，由于a2a1

15、，故，故f2 f1，即進(jìn)行了力的放大，發(fā)大比為即進(jìn)行了力的放大，發(fā)大比為a2/ /a1。 在上圖中，如果大活塞上無(wú)重物，那么在液體中不在上圖中，如果大活塞上無(wú)重物，那么在液體中不會(huì)產(chǎn)生壓力。由此可知，在密閉容器流體系統(tǒng)中的會(huì)產(chǎn)生壓力。由此可知，在密閉容器流體系統(tǒng)中的壓力壓力是由外界負(fù)載決定的是由外界負(fù)載決定的。 2.6 帕斯卡原理的應(yīng)用（帕斯卡原理的應(yīng)用（applications of pascals law） 在這一節(jié)中我們將探討一個(gè)帕斯卡原理的基本應(yīng)用：在這一節(jié)中我們將探討一個(gè)帕斯卡原理的基本應(yīng)用：液壓千斤頂。液壓千斤頂。 這個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)活塞式手動(dòng)泵來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)單作用這個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)活塞式

16、手動(dòng)泵來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)單作用液壓缸，如圖。其工作原理如下。液壓缸，如圖。其工作原理如下。 一手動(dòng)力作用在手柄一手動(dòng)力作用在手柄abc的的a點(diǎn)，手柄可繞點(diǎn)，手柄可繞c點(diǎn)旋點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，手動(dòng)泵的活塞桿與手柄的轉(zhuǎn)，手動(dòng)泵的活塞桿與手柄的b點(diǎn)鉸接。手動(dòng)泵實(shí)際上是一點(diǎn)鉸接。手動(dòng)泵實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)有可自由上下運(yùn)動(dòng)活塞的個(gè)內(nèi)有可自由上下運(yùn)動(dòng)活塞的液壓缸?；钊突钊麠U是固連液壓缸?；钊突钊麠U是固連在一起的。當(dāng)用手提起手柄時(shí)，在一起的。當(dāng)用手提起手柄時(shí)，活塞上升并在其下腔產(chǎn)生真空?；钊仙⒃谄湎虑划a(chǎn)生真空。其結(jié)果是，油箱中的油液在大其結(jié)果是，油箱中的油液在大氣壓的作用下經(jīng)過(guò)單向閥氣壓的作用下經(jīng)過(guò)單向閥1流入流入手動(dòng)泵的下

17、腔。這是吸油過(guò)程。單向閥是僅允許油液?jiǎn)问謩?dòng)泵的下腔。這是吸油過(guò)程。單向閥是僅允許油液?jiǎn)蜗蛲ㄟ^(guò)的元件，用箭頭表示。向通過(guò)的元件，用箭頭表示。 當(dāng)用手壓下手柄時(shí)，油液被從手動(dòng)泵中擠出并通過(guò)當(dāng)用手壓下手柄時(shí)，油液被從手動(dòng)泵中擠出并通過(guò)單向閥單向閥2進(jìn)入負(fù)載缸的下腔。負(fù)載缸在結(jié)構(gòu)上與手動(dòng)泵進(jìn)入負(fù)載缸的下腔。負(fù)載缸在結(jié)構(gòu)上與手動(dòng)泵相似，也是內(nèi)有一個(gè)活塞和活塞桿的液壓缸。當(dāng)油液被相似，也是內(nèi)有一個(gè)活塞和活塞桿的液壓缸。當(dāng)油液被擠出油泵并在流入下腔時(shí)受到阻力，在負(fù)載活塞下就產(chǎn)擠出油泵并在流入下腔時(shí)受到阻力，在負(fù)載活塞下就產(chǎn)生壓力。由帕斯卡原理我們可知作用在負(fù)載活塞上的壓生壓力。由帕斯卡原理我們可知作用在負(fù)載

18、活塞上的壓力等于油泵下腔產(chǎn)生的壓力。力等于油泵下腔產(chǎn)生的壓力。因此，手柄的每一次上下循環(huán)，因此，手柄的每一次上下循環(huán)，一定體積的油液就從油泵中被一定體積的油液就從油泵中被擠出從而克服負(fù)載阻力使負(fù)載擠出從而克服負(fù)載阻力使負(fù)載缸升高一定距離。放油閥是一缸升高一定距離。放油閥是一個(gè)手動(dòng)閥，當(dāng)它打開時(shí)，從負(fù)個(gè)手動(dòng)閥，當(dāng)它打開時(shí)，從負(fù)載缸放油回油箱使負(fù)載下行。載缸放油回油箱使負(fù)載下行。應(yīng)該注意油液從每一個(gè)液壓缸應(yīng)該注意油液從每一個(gè)液壓缸里流入和流出都僅在其一端。這樣的液壓缸稱為里流入和流出都僅在其一端。這樣的液壓缸稱為單作單作用用，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)僅向一個(gè)方向。在圖中的液壓千斤，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)僅向一個(gè)方向。在

19、圖中的液壓千斤頂中，當(dāng)放油閥打開時(shí)活塞的縮回是靠負(fù)載的自重。頂中，當(dāng)放油閥打開時(shí)活塞的縮回是靠負(fù)載的自重。 2.7 體積彈性模量（體積彈性模量（bulk modulus） 具有較高功率重量比和剛度的液壓系統(tǒng)經(jīng)常被用具有較高功率重量比和剛度的液壓系統(tǒng)經(jīng)常被用于大功率的場(chǎng)所。液壓系統(tǒng)的剛度與油液的不可壓縮性于大功率的場(chǎng)所。液壓系統(tǒng)的剛度與油液的不可壓縮性有直接關(guān)系。體積彈性模量是不可壓縮性的度量值。體有直接關(guān)系。體積彈性模量是不可壓縮性的度量值。體積彈性模量越高，流體的壓縮性越小或流體的剛性越大。積彈性模量越高，流體的壓縮性越小或流體的剛性越大。體積彈性模量的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（體積彈性模量的數(shù)學(xué)表達(dá)

20、式如式（27），負(fù)號(hào)說(shuō)明隨），負(fù)號(hào)說(shuō)明隨著壓力的增加，體積減?。褐鴫毫Φ脑黾?，體積減?。?（27） 其中：其中：體積彈性模量（體積彈性模量（mpa）；）； v初始體積（初始體積（m3）；）； p壓力變化值（壓力變化值（mpa）；）； v體積變化值（體積變化值（m3）。）。 油液的體積彈性模量隨其壓力和溫度的變化而變油液的體積彈性模量隨其壓力和溫度的變化而變vpv化，但是，在大多數(shù)流體傳動(dòng)系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，這些化，但是，在大多數(shù)流體傳動(dòng)系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，這些變化因素均可忽略不計(jì)。變化因素均可忽略不計(jì)。 2.8 粘性和粘度指數(shù)（粘性和粘度指數(shù)（viscosity and viscosity ind

21、ex） 粘性或許是液壓油最重要的特性。它是運(yùn)動(dòng)流體流粘性或許是液壓油最重要的特性。它是運(yùn)動(dòng)流體流動(dòng)性的度量值。當(dāng)粘性小時(shí)，流體容易流動(dòng)因?yàn)樗窍?dòng)性的度量值。當(dāng)粘性小時(shí)，流體容易流動(dòng)因?yàn)樗窍〉囊约罢扯鹊?。高粘性的流體因具有高粘度而看起來(lái)很的以及粘度低。高粘性的流體因具有高粘度而看起來(lái)很濃，所以流動(dòng)困難。濃，所以流動(dòng)困難。 事實(shí)上，一個(gè)液壓系統(tǒng)的理論粘度是適中的，過(guò)高事實(shí)上，一個(gè)液壓系統(tǒng)的理論粘度是適中的，過(guò)高的粘度會(huì)導(dǎo)致：的粘度會(huì)導(dǎo)致： 流動(dòng)阻尼高，導(dǎo)致粘滯出現(xiàn)；流動(dòng)阻尼高，導(dǎo)致粘滯出現(xiàn)； 由于摩擦損失，增大功率消耗；由于摩擦損失，增大功率消耗； 通過(guò)液壓閥及管路的壓降增加；通過(guò)液壓閥及管路

22、的壓降增加； 摩擦使油溫升高。摩擦使油溫升高。 另一方面，粘度太低，又會(huì)導(dǎo)致：另一方面，粘度太低，又會(huì)導(dǎo)致： 泄漏增加；泄漏增加； 由于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的油膜被破壞而導(dǎo)致過(guò)由于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的油膜被破壞而導(dǎo)致過(guò)度磨損。度磨損。 1.絕對(duì)粘度（動(dòng)力粘度）絕對(duì)粘度（動(dòng)力粘度） 粘度的概念可以通過(guò)研究圖中粘度的概念可以通過(guò)研究圖中的兩個(gè)相距為油膜厚度的兩個(gè)相距為油膜厚度y的平行平的平行平板來(lái)了解。下面的平板固定，上面板來(lái)了解。下面的平板固定，上面的平板因受推力的平板因受推力f的作用而以速度的作用而以速度v移動(dòng)。由于粘性，油液附著在兩個(gè)平板的表面。與下面移動(dòng)。由于粘性，油液附著在兩個(gè)平板的表面。與下面平板接觸的油層流速為零，而與上面平板接觸的油層流平板接觸的油層流速為零，而與上面平板接觸的油層流速為速為v。其結(jié)果是呈線性變化的速度分布，