2．1  液压油

2．1．1  液压油物理性质

从分子物理学的观点来看，液体是由一个个不断作不规则运动的分子所组成的；分子间存在着间隙，因此它们是不连续的。但从工程技术的观点来看，分子间的间隙极其微小，完全可以把液体看作是由无限多个微小质点所组成的连续介质，把液体的状态参数(密度、速度和压力等)看作是空间坐标内的连续函数。

（1）密度

液体中某点处微小质量△m与其体积△V之比的极限值，称为该点的密度。

一般条件下，由于工作介质的密度随温度和压力的变化很小，常把液体的密度当作常量使用。

（2）可压缩性

当液体受到压力时，分子间距离缩短，密度增加，体积缩小。这种性质就叫做液体的压缩性。

在研究液压传动的动特性，计算液流冲击力、抗振稳定性、工作的过渡过程以及远距离操纵的液压机构时，必须考虑它的压缩性。在这些情况下，液体的压缩性是有害的性质。例如，在精度要求很高的随动系统中，油液的压缩性会影响它的运动精度，在超高压系统液体加压压缩时吸收了能量，当换向时能量突然释放出来，会产生液压冲击，引起剧烈的振动和噪音等。但是，我们可以利用它有利的一面。例如液压机中，可以利用油液的压缩性储存压力能，实现停机保压。

封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。 

液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。 

（3）黏性

当油液在外力作用下发生流动时，由于油液分子与固体壁面之间的附着力和分子之间的内聚力的作用，会导致油液分子间产生相对运动，从而在油液中产生内摩擦力。我们称油液在流动时产生内摩擦的特性为粘性。所以只有在流动时，油液才有粘性，而静止液体则不显示粘性。

两平行平板中液体的流动情况为例，由于各层的运动速度不同，快的流层会拖曳慢的流层，而慢的流层又阻滞快的流层，层与层之间就是因为存在粘性而产生了阻止相对运动的内摩擦力。

粘性的大小可用粘度来衡量。粘度是选用液压油的主要指标，它对油液流动的特性有很大影响。

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粘性。由于液体具有粘性，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，粘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，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。

因动力粘度与运动粘度都难以直接测量， 工程上常用一些简便方法测定液体的相对粘度。相对粘度根据测量条件的不同，各国采用的单位各不相同，我国采用恩氏粘度计来测定油的相对粘度。恩氏粘度是在某一特定温度下，将 200cm3被测油液在自重作用下流过 Ф2.8mm的小孔所需的时间t1，与20℃时同体积蒸馏水流过该小孔所需时间t2之比，即恩氏粘度为：Et=t1/t2。

（4）其他性质

压力对粘度的影响：在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。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，其粘度也随之增大。因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。

温度对粘度的影响：

液压油粘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，粘度就随之降低。不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。

2．1．2  液压油的选用和分类

（1）对液压油的选用和要求

液压油的选用：

正确而合理地选用液压油，乃是保证液压设备高效率正常运转的前提。

选用液压油时，可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油，或者根据液压系统的工作压力、工作温度、液压元件种类及经济性等因素全面考虑，一般是先确定适用的粘度范围，再选择合适的液压油品种。同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求，如在寒冷地区工作的系统则要求油的粘度指数高、低温流动性好、凝固点低；伺服系统则要求油质纯、压缩性小；高压系统则要求油液抗磨性好。在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。粘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、系统的发热温升等。所以，在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用粘度较高的液压油，否则相反。

液压油的牌号(即数字)表示在40℃下油液运动粘度的平均值(单位为cSt)。原名内为过去的牌号，其中的数字表示在50℃时油液运动粘度的平均值。

但是总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。

液压系统对液压油的要求：

液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：

1.适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：

ν=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s(2～5°E50)

2.润滑性能好在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。

3.良好的化学稳定性即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。

4.对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性

5.对金属材料具有防锈性和防腐性

6.比热、热传导率大，热膨胀系数小

7.抗泡沫性好，抗乳化性好

8.油液纯净，含杂质量少

9.流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高

此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。

对液压系统对工作介质的基本要求如下：

(l)有适当的粘度和良好的粘温特性。

    粘度是选择工作介质的首要因素。液压油的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。粘度过高，各部件运动阻力增加，温升快，泵的自吸能力下降，同时，管道压力降和功率损失增大。反之，粘度过低会增加系统的泄漏，并使液压油膜支承能力下降，而导致摩擦副间产生摩擦。所以工作介质要有合适的粘度范围，同时在温度、压力变化下和剪切力作用下，油的粘度变化要小。

(2)氧化安定性和剪切安定性好。

    工作介质与空气接触，特别是在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值增加会增强腐蚀性，氧化生成的粘稠状油泥会堵塞滤油器，妨碍部件的动作以及降低系统效率。因此，要求它具有良好的氧化安定性和热安定性。

    剪切安定性是指工作介质通过液压节流间隙时，要经受剧烈的剪切作用，会使一些聚合型增粘剂高分子断裂，造成粘度永久性下降，在高压、高速时，这种情况尤为严重。为延长使用寿命，要求剪切安定性好。

    (3)抗乳化性、抗泡沫性好。

    工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水。混有水分的工作介质在泵和其它元件的长期剧烈搅拌下，易形成乳化液，使工作介质水解变质或生成沉淀物，引起工作系统锈蚀和腐蚀，所以要求工作介质有良好的抗乳化性。抗泡沫性是指空气混入工作介质后会产生气泡，混有气泡的介质在液压系统内循环，会产生异常的噪声、振动，所以要求工作介质具有良好的抗泡性和空气释放能力。

    (4)闪点、燃点要高，能防火、防爆。

    (5)有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。

(6) 对人体无害，成本低。

（2）液压油液的分类

2．2  液体静力学

液体静力学研究静止液体的力学规律和这些规律的实际应用。静压力在液压传动中简称为压力，而在物理学中则称为压强。

2．2．1  阿基米德定律

2．2．2液体压力

作用于液体上的力，有两种类型：一种是质量力，作用于液体的所有质点上，如重力和惯性力等；另一种是表面力。作用于液体的表面上，它可以是其他物体作用在液体上的力，也可以是一部分液体作用于另一部分液体上的力。

所谓相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动，至于液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。由于理想液体质点间的内聚力很小，液体不能抵抗拉力或切向力，即使是微小的拉力或切向力都会使液体发生流动。

液体静压力的两个重要性质： 

(1)液体静压力垂直于其承受压力的作用面，其方向永远沿着作用面的内法线方向。 

(2)静止液体内任意点处所受到的静压力在各个方向上都相等。 

液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。因为在地球表面上，一切物体都受大气压力的作用，而且是自成平衡的，即大多数测压仪表在大气压下并不动作，这时它所表示的压力值为零，因此，它们测出的压力是高于大气压力的那部分压力。也就是说，它是相对于大气压(即以大气压为基准零值时)所测量到的一种压力，因此称它为相对压力或表压力。另一种是以绝对真空为基准零值时所测得的压力，我们称它为绝对压力。当绝对压力低于大气压时，习惯上称为出现真空。因此，某点的绝对压力比大气压小的那部分数值叫作该点的真空度。

2．2．3  液体静力学基本方程

2．2．4  帕斯卡原理

根据帕斯卡原理和静压力的特性，液压传动不仅可以进行力的传递，而且还能将力放大和改变力的方向。

2．3  液体动力学    

液体动力学研究液体在外力作用下运动规律，即研究作用在液体上的力与液体运动之间的关系。

 在液压传动系统中，液压油总是在不断的流动中，因此要研究液体在外力作用下的运动规律及作用在流体上的力及这些力和流体运动特性之间的关系。

2．3．1  液体运动的基本概念

1）理想液体

液体具有粘性，并在流动时表现出来，因此研究流动液体时就要考虑其粘性，而液体的粘性阻力是一个很复杂的问题，这就使我们对流动液体的研究变得复杂。因此，我们引入理想液体的概念，理想液体就是指没有粘性、不可压缩的液体。

2）恒定流动

如图所示，从水箱中放水，如果水箱上方有一补充水源，使水位H保持不变，则水箱下部出水                  口流出的液体中各点的压力和速度均不随时间变化，故为恒定流动。反之则为非恒定流动。

3）过流截面

4）流量

5）平均流速

在液压缸中，液体的流速即为平均流速，它与活塞的运动速度相同，当液压缸有效面积一定时，活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定。

6）层流

7）紊流

8）雷诺数

液体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数来判别。

2．3．2  连续性方程

流量连续性方程说明：在不可压缩的恒定流动的液体中，不管平均流速和通流截面沿着流程怎样变化，流过不同截面的流量是不变的。

2．3．3  伯努利方程

2．3．4  动量方程

液体在流动的过程中，若其速度的大小和方向发生变化，则一定有力作用在液体上，同时，液体也以大小相等、方向相反的力作用在使其速度或方向改变的物体上。

2．4  液体流动时的压力损失

实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。

压力损失过大，使功率消耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。液压系统中的压力损失分为两类。一是油液流经等径直管时的压力损失，称为沿程压力损失，由液体流动时的内摩擦力引起。另一类称为局部压力损失，是油液流经局部障碍(如弯管、管径突变、阀控制口等)时，由于液流的方向或速度突然变化，在局部区域形成旋涡、引起质点相互撞击和剧烈摩擦而产生。

2．4．1  沿程压力损失

1883 年，英国物理学家雷诺通过实验装置的实验，证实了液体存在着两种不同的流动状态——层流和紊流。

2．4．2  局部压力损失

液流流过弯头、突然扩大或突然缩小的管路断面以及阀门等各种局部障碍时，会发生撞击、脱流、旋涡等现象，由此而产生局部压力损失。 

2．4．3  管路系统中的总压力损失

∵  实际液体具有粘性 

∴  流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能量损失(即压力损失） 

层流：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰 。

紊流（湍流）：液体流动不分层，做混杂紊乱流动。

沿程压力损失产生原因：

内摩擦—因粘性，液体分子间摩擦 

摩擦 <

       外摩擦—液体与管壁间 

2．5  小孔流量

2．6  气穴现象和液压冲击

2．6．1  气穴现象

气穴现象：液压系统中，由于某种原（如速度突变），使压力降低而使气泡                    产生的现象。 

气穴现象产生原因：

压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度升高，压力降低；液压泵吸道较小，吸油高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速过高，吸油不充分，压力降低（如高空观缆）。

气体来源： 

混入   气泡       轻微气穴

空气 < 溶入   气体分子   严重气穴

        蒸汽   汽泡       强烈气穴

气穴现象引起的结果：

1  液流不连续，流量、压力脉动

2  系统发生强烈的振动和噪声 

3   发生气蚀 

2．6．2液压冲击

液压冲击产生的原因：

1） 迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换为压力能，使压力升高。

2）运动部件突然制动或换向，使压力 升高。

液压冲击引起的结果： 

∵  液压冲击峰值压力>>工作压力

∴  引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等 损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响系统正常工作。 

减小液压冲击的措施 ：

1） 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。

2） 管道流速及运动部件速度 v管 < 5m/s ，v缸 < 10m/min 。

3） 加大管道直径，尽量缩短管路长度。 

4） 采用软管，以增加系统的弹性。 下载本文