1.5　液壓傳動的工作介質

1.5.1　液壓傳動工作介質的性質

液壓傳動的工作介質是液壓油。液壓油具有如下性質：

1.密度

單位體積液體的質量稱為該液體的密度，用ρ表示。即

ρ=m/V　　（1.10）

式中：m——體積為V的液體的質量（kg）；

V——液體的體積（m3）。

液體的密度隨溫度的升高而下降，隨壓力的增加而增大。對于液壓傳動中常用的液壓油（礦物油）來說，在常溫和常壓范圍內，密度變化很小，可視為常數。在計算時，常取15℃時的液壓油密度ρ=900kg/m3。

2.可壓縮性

液體受壓力作用而發生體積減小的性質稱為液體的可壓縮性。可壓縮性的大小用體積壓縮系數k來表示，其定義為：液體在單位壓力變化下的體積相對變化量，即

式中：V——增壓前液體的體積（m3）；

ΔV——壓力變化Δp時液體體積的變化量（m3）；

Δp——液體壓力的變化量（N）。

由于壓力增大時液體的體積減小，因此上式的右邊須加一負號，使k為正值，常用液壓油的體積壓縮系數k=（5～7）×10-10（m3/N）。對于一般液壓系統，可認為油液是不可壓縮的。只有在研究液壓系統的動態特性和高壓情況下，才考慮油液的可壓縮性。但是，若液壓油中混入空氣，其可壓縮性將顯著增強，并將嚴重影響液壓系統的工作性能，故液壓系統中應盡量減少油液中的空氣含量。

3.黏性

（1）黏性的意義

液體在外力作用下流動時，因分子間的內聚力阻礙分子間的相對運動而產生內摩擦力的性質稱為黏性。黏性是液體的重要物理性質，也是選擇液壓用油的主要依據。

液體流動時，由于它和固體壁面間的附著力以及它的黏性，會使其內各液層間的速度大小不等。設在兩個平行平板之間充滿液體，兩平行平板間的距離為h，如圖1.4所示。當上平板以速度v0相對于靜止的下平板向右移動時，緊貼于上平板極薄的一層液體，在附著力的作用下，隨著上平板一起以μ0的速度向右運動；緊貼于下平板極薄的一層液體和下平板一起保持不動；而中間各層液體則從上到下按遞減的速度向右運動，這是因為相鄰兩薄層液體間存在內摩擦力，該力對上層液體起阻滯作用，而對下層液體起拖曳作用。當兩平板間的距離較小時，各液層的速度按線性規律分布。

實驗測定指出：液體流動時，相鄰液層間的內摩擦力F與液層間的接觸面積A和液層間相對運動的速度dv成正比，而與液層間的距離dy成反比。即

若用單位面積上的摩擦力τ（切應力）來表示，則上式可以改寫成

式中：μ——比例系數，稱為動力黏度；

——速度梯度，即相對運動速度對液層距離的變化率。

上式稱為牛頓液體內摩擦定律。

由上式可知，在靜止液體中，因速度梯度dμ/dy=0，故內摩擦力為0，因此液體在靜止狀態下是不呈現黏性的。

（2）液體的黏度

液體黏性的大小用黏度表示。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μ。動力黏度又稱絕對黏度，它表征液體黏性的內摩擦因數，由式（1.13）可得

由此可知，液體動力黏度的物理意義是：當速度梯度等于1時，流動液體液層間單位面積上的內摩擦力，即為動力黏度。

動力黏度μ的法定計量單位是N·s/m2或用Pa·s表示。

②運動黏度ν。動力黏度μ和液體密度ρ之比值稱為運動黏度，用ν表示。即

運動黏度ν沒有明確的物理意義。因為在其單位中只有長度和時間的量綱，所以稱為運動黏度，它在液壓分析和計算中是一個經常遇到的物理量。

運動黏度ν的法定計量單位是m2/s。

就物理意義來說，運動黏度ν并不是衡量黏度的量，但工程中常用它來標志液體的黏度。如液壓油的牌號，就是這種油液在40℃時的運動黏度ν（m2/s）的平均值。例如YA-N32液壓油就是指這種液壓油在40℃時的運動黏度ν的平均值為32m2/s。

（3）相對黏度

相對黏度又稱條件黏度。它是采用特定的黏度計，在規定的條件下測出來的液體黏度。根據測量條件不同，各國采用的相對黏度的單位也不同。如美國采用國際賽氏秒（SSU），英國采用商用雷氏秒（″R），我國和歐洲一些國家采用恩氏黏度（°E）。

恩氏黏度由恩氏黏度計測定，即將200cm3的被測液體裝入底部有ф2.8mm小孔的恩氏黏度計的容器中，在某一特定溫度t（℃）時，測定全部液體在自重作用下流過小孔所需的時間t1與同體積的蒸餾水在20℃時流過同一小孔所需的時間t2（t2=50～52s）之比值，便是該液體在t（℃）時的恩氏黏度。恩氏黏度用符號°Et表示

恩氏黏度和運動黏度之間可用下面經驗公式換算

液體的黏度隨液體的壓力和溫度而變。對液壓傳動工作介質來說，壓力增大時，黏度增大。在一般液壓系統使用的壓力范圍內，增大的數值很小，可以忽略不計。但液壓傳動工作介質的黏度對溫度的變化十分敏感，如圖1.5所示，溫度升高，黏度下降。這個變化率的大小直接影響液壓傳動工作介質的使用，其重要性不亞于黏度本身。

4.其他特性

液壓油還有其他一些物理化學性質，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、抗磨性等，這些性質對液壓系統的工作性能也影響較大。對于不同品種的液壓油，這些性質的指標是不同的，具體應用時可查油類產品手冊。

1.5.2　對液壓傳動工作介質的要求和選用

1.要求

液壓油既是液壓傳動與控制的工作介質，又是各種液壓元件的潤滑劑，因此液壓油的性能會直接影響液壓系統的性能，如工作可靠性、靈敏性、穩定性、系統效率和零件壽命等。

選用液壓油時應滿足下列要求：

（1）黏溫性好。在使用溫度范圍內，黏度隨溫度的變化越小越好。

（2）潤滑性能好。在規定的范圍內有足夠的油膜強度，以免產生干摩擦。

（3）化學穩定性好。在儲存和工作過程中不易氧化變質，以防膠質沉淀物影響系統正常工作；防止油液變酸，腐蝕金屬表面。

（4）質地純凈，抗泡沫性好。油液中含有機械雜質易堵塞油路，若含有易揮發性物質，則會使油液中產生氣泡，影響運動平穩性。

（5）閃點。明火能使油面上油蒸氣閃燃，但油本身不燃燒時的溫度要高，凝固點要低。油液用于高溫場合時，為了防火安全，閃點要求高；在溫度低的環境下工作時，凝固點要求低。

2.種類和選用

液壓油的品種很多，主要可分為三大類型：礦物油型、合成型和乳化型。液壓油的主要品種及性質見表1.1。

正確選用液壓油，是保證液壓設備高效率正常運轉的前提。目前，90以上的液壓系統采用礦物油型液壓油為工作介質。選用時，普通液壓油優先考慮，有特殊要求時，則選用抗磨、低溫或高黏度指數的液壓油，如沒有普通液壓油，則可用汽輪機油或機械油代用；合成型液壓油價格貴，只有在某些特殊設備中，例如在對抗燃性要求高并且使用壓力高、溫度變化范圍大等情況下采用；在工作壓力不高時，高水基乳化液也是一種良好的抗燃液。在選用液壓油時，合適的黏度有時更為重要。黏度的高低將影響運動部件的潤滑、縫隙的泄漏以及流動時的壓力損失、系統的發熱等。一般根據黏度選擇液壓油的原則是：運動速度高或配合間隙小時，宜采用黏度較低的液壓油以減少摩擦損失；工作壓力高或溫度高時，宜采用黏度較高的液壓油以減少泄漏。實際上系統中使用的液壓泵對液壓油黏度的選用往往起決定性作用。此時可根據表1.2的推薦來選用油液黏度。