任務2　機床工作臺液壓系統的液壓油的選用

【任務目標】

1.了解機床工作臺液壓系統中液壓油的作用。

2.掌握液壓油的基本性質。

3.掌握液壓油的品種及選用。

【任務描述】

觀察機床工作臺液壓系統常用液壓油，清洗油箱、濾油器或更換油液、濾油器，了解液壓油性質、特點和選用。

【知識準備】

在液壓系統中，液壓油是傳遞動力和運動的工作介質，同時起到潤滑、冷卻和防銹的作用。為了更好地理解液壓傳動原理、液壓元件的結構及性能，合理設計、使用液壓系統，必須了解液壓油的基本性質，正確選擇、使用和保養液壓油。

液壓油的性質主要有密度、可壓縮性、黏性以及穩定性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性、相容性等。

1.密度

單位體積液體的質量稱為液體的密度。通常以ρ表示

式中　m——液體的質量，kg；

V——液體的體積，m3；

ρ——液體的密度，kg/m3。

密度隨溫度的上升而有所減小，隨壓力的提高而稍有增加，但變化量很小，可以忽略不計。一般液壓油的密度為900kg/m3。

2.可壓縮性

液體受壓力的作用而發生的體積減小變化稱為液體的可壓縮性。在一般液壓系統中，液壓油可壓縮性很小，可認為油液是不可壓縮的。但在壓力變化很大的高壓系統中或進行液壓系統動態分析，以及遠程控制的液壓機構，必須考慮其壓縮性，可參考相關手冊。

另外，當液壓油中混入空氣時，其可壓縮性將顯著增加，將嚴重影響液壓系統的工作性能，故在液壓系統中應盡量減少油液中的氣體及其他易揮發物質（如汽油、煤油、乙醇、苯等）的含量。

3.黏性

液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力會阻止分子間的相對運動而產生一種內摩擦力，這一特性稱為液體的黏性。它是液體的重要物理性質，也是選擇液壓油的主要依據。

液體只在流動時才會呈現黏性。如圖1-2-1所示，若兩平行平板間充滿液體，下平板固定不動，上平板以速度u0向右平動，由于液體的黏性作用，緊靠著下平板的液體層速度為零，緊靠上平板的液體層速度為u0，而中間各層液體速度則根據它與下平板間的距離，從上到下按遞減規律近似呈線性分布。

實驗表明，液體流動時相鄰液層間的內摩擦力F與液層接觸面積A、液層間相對運動速度梯度du/dy成正比，即

式中，μ為比例常數，稱為黏性系數或動力黏度。

若以τ表示內摩擦切應力，即液層間在單位面積上的內摩擦力，則有

上式又稱為牛頓液體內摩擦定律。

由式（1-2-3）可知，在靜止液體中，因速度梯度du/dy=0，內摩擦力為0，所以流體在靜止狀態不呈現黏性。

液體黏性的大小用黏度來表示，常用的黏度有三種，即動力黏度、運動黏度和相對黏度。

（1）動力黏度　表征流動液體內摩擦力大小的黏性系數，又稱為絕對黏度，用μ表示。即

由上式可知，動力黏度μ的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動時，相互接觸液層間內摩擦力。

動力黏度μ的法定計量單位為Pa·s（帕·秒）或N·s/m2。

在CGS中，動力黏度μ的單位為dyn·s/cm2，又稱P（泊）。

1Pa·s=10P=106cP（厘泊）

（2）運動黏度　動力黏度μ與其密度ρ的比值，稱為運動黏度，用ν表示，即

運動黏度ν無明確的物理意義。因為在其單位中只有長度與時間的量綱，類似于運動學的量，所以稱為運動黏度。

運動黏度ν的法定單位是m2/s。

在CGS中，運動黏度ν為cm2/s，又稱St（斯）。

1m2/s=104cm2/s（St）=106cSt（厘斯）

工程上常用運動黏度ν表示油液的黏度等級。液壓油的牌號用在40℃溫度時運動黏度平均值表示，例如N32號液壓油，指這種油在40℃時的運動黏度平均值為32cSt。我國的液壓油舊牌號則是采用按50℃時運動黏度的平均值表示的。液壓油新舊牌號對照見表1-2-1。

（3）相對黏度　相對黏度又稱條件黏度。因動力黏度與運動黏度都難以直接測量，工程上常用一些簡便方法測定液體的相對黏度。相對黏度根據測量條件的不同，各國采用的單位各不相同，如中國、德國等采用恩氏黏度°E；美國采用賽氏黏度SSU；英國采用雷氏黏度R。

恩氏黏度°E用恩式黏度計測定，即將200cm3被測液體裝入黏度計的容器內，加熱液體均勻升溫到溫度t℃，液體由容器底部ф2.8mm的小孔流盡所需要的時間t1與流出同體積20℃蒸餾水所需時間t2（通常平均值t2=51s）的比值，稱為被測液體在這一溫度t℃時的恩氏黏度°E，即

一般以20℃、40℃、50℃、100℃作為測定恩氏黏度的標準溫度，對應得到的恩氏黏度分別用°E20、°E40、°E50和°E100表示。

工程上通常先測出液體的恩氏黏度，再根據關系式或用查表法，換算出動力黏度或運動黏度。

當1.35≤°E≤3.2時

當°E>3.2時

（4）調合油的黏度　選擇適合黏度的液壓油，對液壓系統的工作性能起著重要的作用。但有時能得到的油液產品的黏度不合要求，在此種情況下可把同一型號兩種不同黏度的油液按適當的比例混合起來使用，稱為調合油。調合油的黏度可用下面經驗公式計算。

式中　°E1，°E2——混合前兩種油液的恩氏黏度，取°E1>°E2；

°E——調合后油的恩氏黏度；

α1，α2——參與調合的兩種油液各占的百分數（α1+α2=100％）；

c——實驗系數，見表1-2-2。

（5）黏度與壓力的關系　液體所受的壓力增加其分子間的距離將減小，內聚力增加，黏度也略隨之增大。不同的油液有不同的黏度壓力變化關系，這種關系稱為油液的黏壓關系。液體的黏度與壓力的關系可表示為

νp=ν（1+0.003p）　　（1-2-10）

式中　νp——壓力為p時液體的運動黏度；

ν——壓力為101.33kPa時液體的運動黏度；

p——液體所受的壓力。

在液壓系統中，當壓力不高且變化不大時，壓力對黏度的影響較小，一般可忽略不計。當壓力較高（大于107Pa）或壓力變化較大時，應考慮壓力對黏度的影響。

（6）黏度與溫度的關系　油液的黏度對溫度的變化十分敏感，溫度升高時黏度下降。液體的黏度隨溫度變化的性質稱為黏溫特性。

如圖1-2-2所示為常用幾種國產液壓油的黏溫特性曲線。由圖可見，溫度對黏度影響較大。

油液黏度的變化直接影響液壓系統的性能和泄漏量，因此希望黏度隨溫度的變化越小越好。它可用黏度指數VI來表示，它表示被試油和標準油黏度隨溫度變化程度比較的相對值。VI值大表示黏溫特性平緩，即油的黏度受溫度影響小，因而性能好；反之則差。一般的液壓油要求VI值在90以上，精制的液壓油或摻有添加劑的液壓油VI值可達100以上。

4.其他特性

液壓油的其他性質，如穩定性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性以及相容性（主要指對所接觸的金屬、密封材料、涂料等作用程度）等，它們對液壓傳動系統的工作性能有重要影響。這些性質可以在精煉的礦物油中加入各種添加劑來獲得，不同品種的液壓油有不同的指標，具體應用時可參閱油類產品手冊。

【任務實施】

1.場地及設備

（1）場地　液壓實訓室、實訓基地。

（2）設備　常用透明瓶裝油液標本、濾油器、清洗工具。

2.認識液壓油的種類

了解液壓油液的種類，正確、合理地選擇使用液壓油液，對保證液壓油液對液壓系統適應各種環境條件和工作狀況的能力，延長系統和元件的壽命，提高設備運轉的可靠性，防止事故發生等方面都有重要影響。

液壓油的品種很多，主要分為三大類：礦油型、合成型和乳化型。

礦油型液壓油主要品種有通用液壓油、抗磨液壓油、低溫液壓油、高黏度指數液壓油、液壓導軌油及其他專用液壓油。這類液壓油是以機械油為原料，精煉后按需要加入適當添加劑而成，潤滑性能好，應用廣泛，但抗燃性較差，在一些高溫、易燃、易爆的工作場合，為了安全起見，應該在液壓系統中使用難燃性的合成型和乳化型，如水-乙二醇、磷酸酯等合成液或水包油、油包水等乳化液。液壓油的主要品種、性質及使用范圍見表1-2-3。

3.液壓油的選用

正確合理地選擇液壓油液，對液壓系統適應各種工作環境，延長系統和元件的壽命，提高系統的穩定性、可靠性都有重要的影響。

（1）選用原則　選擇液壓油液方法主要有三方面。

①列出液壓系統對系統油液性能的要求，如黏度、工作壓力、工作溫度、可壓縮性、抗燃性、潤滑性、毒性等容許范圍，以及技術經濟性。

②從液壓元件的生產廠產品樣本或說明書中獲得對液壓油液的推薦材料，并考慮液壓油與液壓系統密封材料的適應性。盡可能選出符合或基本符合上述要求的液壓油液品種。

③綜合、權衡、調整各方面的要求和參數，決定采用合適的、經濟的液壓油液。

（2）選擇油液品種　在通常情況下，應從工作壓力、溫度、工作環境、液壓系統及元件結構和材質、經濟性等幾個方面綜合考慮和判斷。

①工作壓力　液壓系統的工作壓力一般以其主油泵額定或最大壓力為標志。如表1-2-4所示。

②工作溫度　液壓系統的工作溫度一般以液壓油的工作溫度為標志。如表1-2-5所示。

③泵閥結構特點　液壓油的潤滑抗磨性對三大泵類的減摩效果，葉片泵最好，柱塞泵次之，齒輪泵較差。故凡是以葉片泵為主油泵的液壓系統，不論其壓力大小，常選用抗磨液壓油HM。

液壓系統閥的精度越高，要求所用的液壓油清潔度也越高。如對有電液伺服閥的閉環液壓系統要用清潔度高的清凈液壓油。對有電液脈沖馬達的開環系統要求用數控機床液壓油。此兩種油可分別由高級抗磨液壓油HM和高級低凝液壓油HV代用。

（3）選擇黏度等級　液壓油的黏度對液壓系統工作的穩定性、可靠性、效率、溫升及磨損有顯著影響。黏度過大，使液體流動阻力增加，功率損失大，液壓泵吸油困難；黏度過小，則使泄漏增加，容積效率降低，功率損失增加，環境污染。在具體選用時，一般在溫度、壓力較高及工作部件速度較低時，可采用黏度較高的液壓油液，反之宜采用黏度較低的液壓油液。

在液壓系統的元件中，泵的轉速最高、壓力較大、溫度較高。因此，一般根據液壓泵的要求來確定工作介質的黏度，見表1-2-6液壓泵用油黏度范圍及推薦用油。

注：1cSt=1×10-6m2/s。

4.液壓油的使用

①液壓系統運行前應按有關規定嚴格沖洗，使用中按規定要求更換新油。評定油液是否劣化，一是采取現場抽樣，觀察油液顏色、氣味、有無沉淀物，與新油進行比較的定性方法；二是將油樣送往實驗室，用定量的方法評定。另外，應注意如液壓傳動裝置在運轉中的聲音有異常，應及時對油液進行評定。

②保持液壓系統清潔，密封良好，防止泄漏和塵土、雜物和水的侵入。因此，應定期給油箱放水，定期清洗液壓系統。

③控制好液壓油的溫度。油溫過高，油液氧化變質，產生各種生成物；過低，黏度過高使裝置無法啟動或發生氣蝕。一般液壓系統的油溫，應控制在10～50℃。

【知識拓展】

液壓油的污染與控制

液壓油是保證液壓系統的工作性能和液壓元件的使用壽命的重要條件。油液污染將會影響系統的正常工作和使元件過度的磨損，甚至會造成設備的故障。有關資料表明，現場70％～80％液壓系統的工作不穩定和出現故障都與液壓油的污染有關，因此控制液壓油的污染是十分重要的。

（1）液壓油被污染的原因

①液壓系統的液壓元件以及管道、油箱在制造、儲存、運輸、安裝、維修過程中，帶入的砂粒、鐵屑、磨料、焊渣、銹片和灰塵等，在系統使用前未清洗干凈而殘留下來的殘留物所造成的液壓油液污染。

②在液壓系統工作過程中外界的砂粒、空氣、水滴等，通過往復伸縮的活塞桿、油箱的通氣孔和注油孔等進入液壓油里。另外在檢修時，環境周圍的污染物如灰塵、棉絨等進入液壓油里。

③液壓傳動系統在工作過程中所產生的金屬微粒、密封材料磨損顆粒、涂料剝離片、水分、氣泡及油液變質后的膠狀物等所造成的液壓油液污染。

（2）液壓油液被污染后對液壓傳動系統所造成的主要危害

①固體顆粒和膠狀生成物堵塞過濾器，使液壓泵吸油不暢、運轉困難，產生噪聲；堵塞閥類元件的小孔或縫隙，使閥類元件動作失靈，從而造成液壓系統的故障。

②微小固體顆粒會加劇液壓元件有相對滑動零件表面的磨損，降低元件的使用壽命，影響液壓元件正常工作。同時，也會劃傷密封件，使系統泄漏流量增加。

③空氣和水分的混入液壓油會降低潤滑能力，并加速氧化變質；產生氣蝕，使液壓元件加速損壞；使液壓傳動系統出現振動、爬行等現象。

（3）防止油液污染的措施

造成液壓油污染的原因多而復雜，要徹底解決液壓油的污染問題是很困難的。行之有效的辦法是將液壓油的污染度控制在某一限度以內。對液壓油的污染控制工作主要是從兩個方面著手：一是防止污染物侵入液壓系統；二是把已經侵入的污染物從系統中清除出去。污染控制要貫穿于整個液壓系統的設計、制造、安裝、使用和維護等各個階段。

①保持液壓油在使用前清潔。防止液壓油在運輸和保管過程受到外界污染，加入液壓系統時必須將其靜放數天后經過濾使用。

②做好液壓系統在組裝前、后清潔。液壓元件在組裝過程中必須嚴格清洗，液壓系統在組裝前、后都應用系統工作中使用的油液徹底進行清洗。拆裝元件應在無塵區進行。

③保持液壓油在工作中清潔。盡量避免液壓油在工作過程中受到環境污染，采用密封油箱，通氣孔上加空氣濾清器，防止空氣、水分、塵土和磨料的侵入，經常檢查并定期更換密封件和蓄能器的膠囊。

④采用合適的濾油器。這是控制液壓油污染的重要手段。應根據設備的要求，在液壓系統中選用不同的過濾方式、不同的精度和不同的結構的濾油器，并要定期檢查和清洗濾油器和油箱。

⑤控制液壓油的工作溫度。采取水冷、風冷等適當的措施，控制系統的工作溫度，防止液壓油氧化變質，產生各種生成物，縮短它的使用期限。一般液壓系統的工作溫度最好控制在65℃以下，機床液壓系統則應控制在55℃以下。

⑥定期檢查和更換液壓油。定期對系統的液壓油進行抽樣檢查，發現不符合要求，應及時更換。更換新油前，必須對整個液壓系統進行徹底清洗。

【思考與練習】

1.何謂液體的黏性？黏性的大小通常的表示方法有哪些？

2.黏溫特性指的是什么？

3.說明常用液壓油的種類及選用。