1.3 液压传动的工作介质

1.3.1 液压油的类型

液压传动是以液体作为工作介质传递能量的，液压油的物理、化学特性将直接影响液压系统的工作。目前液压传动中采用的工作介质主要有矿物油基液压油、含水液压油和合成型液压油三大类，液压油的分类如下。

由于矿物油润滑性能好、腐蚀性小、品种多、化学安定性好，能满足各种黏度的需要，故大多数液压传动系统都采用矿物油作为传动工作介质。矿物油主要分为普通液压油、液压-导轨油、抗磨液压油、低温液压油、高黏度指数液压油、机械油、汽轮机油和其他专用液压油。

国内常用的液压油有L-HL液压油、L-HM抗磨液压油、L-HV低温抗磨液压油、L HS低凝抗磨液压油、L-HG液压导轨油和抗燃液压油等。

液压油的主要性能及适用范围如下。

（1）L-HL液压油：具有一定的抗氧防锈和抗泡性，适用于系统压力低于7MPa的液压系统和一些轻载荷的齿轮箱润滑。

（2）L-HM抗磨液压油：除了具有L-HL液压油的性能外，其抗磨性能强，适用于系统压力7～21MPa的液压系统。高压抗磨液压油能在系统压力为35MPa的情况下正常工作。

（3）L-RV低温抗磨液压油和L-HS低凝抗磨液压油：在L-HM抗磨液压油的基础上加强了黏温性能和低温流动性，适合在寒区或严寒区工程机械液压系统中使用。

（4）L-HG液压导轨油：具有防爬性，适用于润滑机床导轨及其液压系统。

（5）抗燃液压油：抗燃性好，应用在高温易燃的场合。

1.3.2 液压油的物理性质

1．液体的密度

单位体积液体的质量称为液体的密度，用符号ρ表示。若液体体积为V，其质量为m，则

在国际单位制（SI）中，液体密度的单位是kg/m3。

本书中除特殊说明外，液压油都是均质的。对于矿物油，其密度ρ=（850～960）kg/m3；对于机床、船舶液压系统中常用的液压油（矿物油），在15℃时其密度可取ρ=900kg/m3；对于工程机械常用液压油其密度为ρ=880kg/m3左右。在实用中，可认为密度不受温度和压力的影响。

2．液体的压缩性

液体的压缩性是指液体受压后其体积变小的性能。液体的压缩性极小，在很多场合下可以忽略不计。但在受压体积较大或进行动态分析时就有必要考虑液体的可压缩性。液体的相对压缩量与压力增量成正比。

式中，V为增压前液体的体积；ΔV为压力增量Δp时因压缩而减小的体积；Δp为压力增量；β为体积压缩率（或称压缩系数）。

式（1-2）中β为正值，而当压力增加、Δp为正值时，体积总是减小，即ΔV为负值，所以在式（1-2）的左边要加负号。β的物理意义是：液体的压力增加为单位增量时，体积的相对变化率。β值与压缩的过程有关，等温压缩与绝热压缩系数值不同，但液压油的等温和绝热压缩系数差别很小，故工程上通常不加以区别，常用液压油的压缩率为β=（5～7）× 10-10m2/N。

压缩系数β的倒数称为体积弹性模数，其值为

从式（1-3）可以看出，油液的弹性模数约比钢的弹性模数小100～150倍。当油液中混有空气时，可压缩性将显著增加。例如油中混有1%空气时，其容积弹性模数降低到纯油的5%左右；油中混有5%空气时，其体积弹性模数则降低到纯油的1%左右，故液压系统在使用和设计时应努力设法不使油中混有空气。

3．液体的黏性和黏度

液体在外力作用下流动时，由于分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。液体的这种性质称为液体的黏性。液体的黏性示意图如图1.2所示。

内摩擦力表达式为

牛顿液体内摩擦定律：液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层间的速度成正比。

液体只有在流动时才表现出黏性，静止液体是不呈现黏性的。液体黏性的大小是用黏度来表示的。黏度大，液层间内摩擦力就大，油液就“稠”；反之，油液就“稀”。

黏度是表示液体黏性大小的物理量。在液压系统中所用的液压油常根据黏度来选择。常用的黏度表示方式有3种：绝对黏度（动力黏度）、运动黏度和相对黏度。

1）绝对黏度（动力黏度）μ

若用单位面积上的摩擦力（切应力）来表示，则式（1-4）可改写成

式中，μ为比例系数，称为动力黏度。动力黏度μ的单位是Pa·s（帕·秒）。以前（CGS制中）使用的单位是dyn·s/cm2（达因·秒每二次方厘米），又称为P（泊）。1Pa·s=10P=103cP（厘泊）。du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。

由式（1-5）可知，液体动力黏度μ的物理意义是：当速度梯度等于1时，接触液体层间单位面积上的内摩擦力τ。

2）运动黏度υ

运动黏度是绝对黏度μ与密度ρ的比值，即

式中，υ为液体的动力黏度；ρ为液体的密度。

运动黏度的SI单位为m2/s（米2/秒），还可用CGS制单位：斯（托克斯）。St（斯）的单位太大，应用不便，常用1%斯，即1厘斯来表示，符号为cSt，故

1cSt=10-2St=10-6m2/s

它之所以被称为运动黏度，是由于在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的缘故。机械油的牌号上所标明的号数就是以厘斯为单位，在温度为50℃时运动黏度υ的平均值。例如10号机械油指明该油在50℃时其运动黏度υ的平均值是10cSt。蒸馏水在20.2℃时的运动黏度υ恰好等于1cSt，所以从机械油的牌号即可知道该油的运动黏度。例如20号油说明该油的运动黏度约为水的运动黏度的20倍，30号油的运动黏度约为水的运动黏度的30倍，以此类推。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，它们都难以直接测量，因此工程上采用另一种可用仪器直接测量的黏度单位，即相对黏度。

3）相对黏度

相对黏度以相对于蒸馏水的黏性的大小来表示该液体的黏性，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。

恩氏黏度的测定方法如下：测定200cm3某一温度的被测液体在自重作用下流过直径2.8mm小孔所需的时间tA，然后测出同体积的蒸馏水在20℃时流过同一孔所需的时间tB（tB=50～52s）, tA与tB的比值即为流体的恩氏黏度值。恩氏黏度用符号°E表示。被测液体温度为t℃时的恩氏黏度用符号°Et表示。

由以上可知，恩氏黏度是一个无因次量。恩氏黏度与运动黏度的换算关系式为

液体的黏度随着压力的增大而增大。但在一般液压系统的使用压力范围内，增大的数值很小，可不计。液体的黏度对温度的变化十分敏感，温度升高，黏度下降。黏度的变化影响着液压系统的性能，其重要性不亚于黏度本身。

1.3.3 液压油的要求和选用

1．对液压油的基本要求

机械工程液压系统使用液压油作为工作介质，这类液压系统中油液的流速不大而压力较高，故称为静压传动。液压油质量的优劣将在很大程度上影响液压系统的工作可靠性和使用寿命。通常对液压油的质量要求有如下几点。

（1）适宜的黏度及良好的黏温性能，以确保在工作温度发生变化的条件下能准确、灵敏地传递动力，并能保证液压元件的正常润滑。

（2）具有良好的防锈性及抗氧化安定性，在高温高压条件下不易氧化变质，使用寿命长。

（3）具有良好的抗泡沫性，使油品在受机械不断搅拌的工作条件下产生的泡沫易于消失，以使动力传递稳定，避免液压油的加速氧化。

（4）良好的抗乳化性，能与混入油中的水迅速分离，以免形成乳化液，导致液压系统金属材质的锈蚀和降低使用效果。

（5）良好的极压抗磨性，以保证液压油泵、液压马达、控制阀和油缸中的摩擦副在高压、高速苛刻条件下得到正常的润滑，减少磨损。

除上述基本质量要求外，对于一些特殊性能要求的液压油尚有特殊的要求。如低温液压油要求具有良好的低温使用性能；抗燃液压油要求具有良好的抗燃性能。

一般使用的油温在40～50℃之间。当油温超过80℃时，氧化加剧；油温低于10℃时，黏度增大，启动困难。

2．液压油的选用

选择液压油时，首先应考虑其黏度是否满足要求，同时兼顾其他方面。常见液压油系列品种见表1-1。

选择时应考虑如下因素：液压泵的类型、液压系统的工作压力、运动速度、环境温度、防污染的要求和综合经济性等。可总结为以下几点。

（1）简单的就是根据液压元件生产厂家的样本和说明书所推荐的来选用液压油。

（2）初步根据液压系统的使用性能和工作环境来确定液压油的类型（品种）。

选用品种时，一般要求不高的液压系统可选用普通液压油；系统条件要求高或专用的液压设备可选用各种专用液压油。

（3）根据液压系统的工作压力、环境温度及工作部件的运动速度来确定液压的黏度后，进而确定油的具体牌号。

工作压力、环境温度高而控制的工作部件运动速度低时，为了减少泄漏，宜采用黏度较高的液压油；反之，则采用黏度较低的液压油。

总的来说，选择液压油时：一是考虑液压油的品种，二是考虑液压油的黏度。