液压传动介质的物理性质介绍

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：液压传动最常用的工作介质是液压油。本节主要介绍液压油的物理性质。黏性所起的作用是阻止液体内部的相互滑动。在工程机械液压传动系统中一般以50℃作为测定恩氏黏度的标准温度，用°E50表示。国际标准化组织ISO已规定统一采用运动黏度来表示油的黏度。压力对黏度的影响对液压传动工作介质来说，压力增大时，黏度增大。

液压传动最常用的工作介质是液压油。本节主要介绍液压油的物理性质。

1.密度和重度

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

某种液压油，其单位体积所具有的重量称为该液压油的重度，通常以符号γ（N/m³）表示：

式中 G——液体重量（N）。

密度和重度的关系为

γ=ρg

式中 g——重力加速度，g=9.8m/s²。

液压油的密度和重度是随温度和压力而变化的，但在通常使用的温度和压力范围内这种变化很小，所以在一般计算中可以近似地把它们看作是常数。常用的矿物油，密度ρ=900～930kg/m³；重度γ=8900～9100N/m³。

2.可压缩性

压力为p₀、体积为V₀的液体，如果压力增大Δp时体积减小ΔV，则此液体的可压缩性可用单位压力变化下的体积相对变化量，即体积压缩系数k来表示：

由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，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E，简称体积模量，即E=1/k。

石油基液压油体积模量E=（1.4～1.9）×10³MPa。

石油基液压油的体积模量与温度、压力有关。温度升高，k值减小，在正常工作温度范围内，E值有5%～25%的变化；压力增大，E值增大。这种变化关系不呈线性关系，当p≥3MPa时，E值基本不再增大。

3.液体膨胀性

液体膨胀性是指液体在压力不变的情况下，温度升高后其体积会增大、密度会减小的特性。液体膨胀性的大小可用热膨胀系数α（1/℃）表示，其定义为：当液体的温度改变1℃时，其体积V的相对变化值，即

式中 Δt——温度变化值（℃）；

V——液体膨胀前的体积（m³）；

ΔV——液体膨胀后体积的增加值（m³）。

因此，液体温度升高Δt后的体积V′可由下式计算：

V′=V（1＋αΔt）

常用液压油的热膨胀系数（1/℃）为α=（8.5～9.0）×10^-4。

4.黏性

液体受外力作用而流动时，液体内部产生摩擦力或切应力的性质，叫作液体的黏性。黏性所起的作用是阻止液体内部的相互滑动。黏性的大小可用黏度来表示。

（1）牛顿液体内摩擦定律液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫作液体的黏性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出黏性，静止液体是不呈现黏性的。

图1-3 液体内部的速度

黏性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-3为例，若两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度u₀向右平动。由于液体的黏性作用，紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和u₀。通过实验测定得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力F_t与液层接触面积A、液层间的速度梯度成正比，即

式中，μ为比例常数，称为黏性系数或黏度。如果以τ表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则。这就是牛顿液体内摩擦定律。

（2）黏性的度量黏性的大小可用黏度来表示，黏度是液体最重要的特性之一，是流动液体最基本的物理性质，是液压系统中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。常用的表示黏度大小的单位制有动力黏度、运动黏度和相对黏度。

1）动力黏度：定义牛顿液体内摩擦定律中的比例常数μ为动力黏度，又称绝对黏度，动力黏度μ的单位是Pa·s（帕·秒），一般称为泊，泊的百分之一称为厘泊。动力黏度是表征流动液体内摩擦力大小的黏性系数：

如果绝对黏度只与液体种类有关而与速度梯度无关，则这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。

2）运动黏度：液体的动力黏度与其密度的比值，称为液体的运动黏度，即

运动黏度的单位为m²/s。以前沿用的单位为St（斯），1m²/s=10⁴St=10⁶mm²/s=10⁶cSt（厘斯）。液压传动工作介质的黏度等级是以40℃时运动黏度（以mm²/s计）的平均值来划分的，如牌号L-HL32普通液压油指这种油在40℃时运动黏度的平均值为32mm²/s（厘斯）。

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，它们较难于直接测量，因此工程上常采用另一种黏度表示法，即相对黏度。

3）相对黏度：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，有的用雷氏黏度，我国采用恩氏黏度。

恩氏黏度用恩氏黏度计来测定，将200cm³被试液体在某温度下从恩氏黏度计的小孔（孔径为2.8mm）流完的时间t₁与相同体积蒸馏水在20℃时从同一小孔流完所需时间t₂的比值叫作该液体的恩氏黏度。恩氏黏度常用符号°E表示：

式中 t₁——200cm³被试液体流过恩氏黏度计小孔所需时间（s）；

t₂——200cm³蒸馏水在20℃时流过恩氏黏度计小孔所需时间（s）。

温度t时的恩氏黏度用符号°E_t表示。在工程机械液压传动系统中一般以50℃作为测定恩氏黏度的标准温度，用°E₅₀表示。

国际标准化组织ISO已规定统一采用运动黏度来表示油的黏度。运动黏度ν（厘斯）与恩氏黏度换算可用下述近似经验公式来表示：

（3）调和油的黏度有时，一种液压油的黏度不合乎要求，必须用几种液压油调和以达到要求的黏度，则此调和油的黏度可用下式计算：

式中 °E₁、°E₂、°E——分别为参加调和的两种油的黏度及调和后油的黏度，而且°E₁＞°E₂；

a、b——分别为参加调和的两种油各占的百分数，a+b=100；

c——试验所得的系数，见表1-1。

表1-1 调和油的系数c

（4）温度对黏度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体黏度对温度变化十分敏感。温度升高，黏度下降，这一特性称为液体的黏-温特性。常用液压油的黏-温特性曲线如图1-4所示。可用黏度指数VI来度量黏-温特性。VI高，说明黏度随温度变化小，其黏-温特性好。

（5）压力对黏度的影响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；当p＞50MPa时，影响趋于显著。压力对黏度影响的计算公式为

ν_p=ν_ae^cp≈ν_a（1+cp）

式中 p——液体压力；

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=0.015～0.035MPa^-1。

5.其他性质

液压传动工作介质还有些其他性质，如稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等）、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性（对所接触的金属、密封材料、涂料等作用程度）等，它们对工作介质的选择和使用有重要影响。这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，常用的添加剂有：增黏剂、消泡剂、抗氧化剂、防锈蚀剂等。现代液压系统应用的液压油几乎都含有各种用途的添加剂，其含量为1%～20%（质量分数）。

图1-4 液压油的黏-温特性

6.液压传动对工作介质的要求

不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同。为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：①合适的黏度，较好的黏-温特性；②润滑性能好；③对金属和密封件有良好的相容性；④对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性；⑤抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好；⑥流动点和凝固点低，闪点和燃点高；⑦对人体无害，成本低。

液压传动工作介质选择包括品种选择和黏度选择。品种选择考虑因素包括系统工作环境、系统工作条件、液压传动工作介质品质、经济性。选择液压传动工作介质黏度需考虑环境温度、系统工作压力、执行元件运动类型和速度、泄漏量。在液压系统所有元件中，一般根据液压泵的要求确定液压传动工作介质的黏度。

液压传动介质的物理性质介绍

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