1.4 液压油的主要性能及选用

液压油是液压传动的工作介质，同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可靠、有效的工作，在很大程度上取决于系统所用的液压油液的物理性质。

1.4.1 液体的密度

单位体积液体的质量称为该液体的密度，即

式中 ρ———液体的密度；

m———体积为V的液体的质量；

V———体积。

密度是液体的一个重要的物理参数。随着温度或压力的变化，其密度也会发生变化，但变化量很小，可以忽略不计。一般液压油的密度为900kg/m³。

1.4.2 可压缩性

液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。体积为V的液体，当压力变化量为Δp时，体积的绝对变化量为ΔV，液体在单位压力变化下的体积相对变化量为

式中 k———液体的压缩系数。

由于压力增大时液体的体积减小，因此上式的右边必须加一负号，以使k值为正。

液体压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，简称体积模量，用K表示。即

体积弹性模量K表示液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量。在使用中，可用K值来说明液体抵抗压缩能力的大小。一般矿物油型液压油的体积弹性模量K=（1.2～2）×10³MPa。它的可压缩性是钢的100～50倍。但在实际使用中，由于在液体内不可避免地会混入空气等原因，其抗压缩能力显著降低，这会影响液压系统的工作性能。因此，在有较高要求或压力变化较大的液压系统中，应尽量减少油液中混入的气体及其他易挥发性物质（如煤油、汽油等）的含量。由于油液中的气体难以完全排除，在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7×10³MPa左右。

1.4.3 黏性

1.黏性的意义

液体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，由此产生一种内摩擦力，这种现象称为液体的黏性。

液体流动时，由于液体的黏性以及液体和固体壁面间的附着力，会使液体内部各液层间的流动速度大小不等。如图1-4所示，设两平行平板间充满液体，下平板不动，上平板以速度v₀向右平移。由于液体的黏性作用，紧贴下平板液体层的速度为零，紧贴上平板液体层的速度为v₀，而中间各液层的速度则视它距下平板距离的大小按线性规律或曲线规律变化。

实验表明，液体流动时相邻液层间的内摩擦力F_f与液层接触面积A和液层间的速度梯度dv/dy成正比，即

图1-4 液体黏性示意图

式中 _μ———比例常数，又称为黏性系数或动力黏度。

如以τ表示液层间在单位面积上的内摩擦力，则有

这就是牛顿液体内摩擦定律。牛顿液体是指其动力黏度只与液体种类有关，而与速度梯度无关，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。

由式（1-5）可知，在静止液体中，因速度梯度dv/dy=0，内摩擦力τ也为零，所以液体在静止状态下不呈现黏性。

2.液体的黏度

液体黏性的大小用黏度来表示。常用的液体黏度表示方法有三种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。

（1）动力黏度μ

式（1-6）液体动力黏度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力黏度的法定计量单位为Pa·s（1Pa·s=1N·s/m²），以前沿用的单位为P（泊，dyn·s/cm²），他们之间的关系如下

1Pa·s=10P

（2）运动黏度υ 液体的动力黏度μ与其密度ρ的比值称为液体的运动黏度，即

液体的运动黏度没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量纲，所以被称为运动黏度。它的法定计量单位为m²/s，以前沿用的单位为St（斯），它们之间的关系是：

1m²/s=10⁴St=10⁶cSt（厘斯）

我国液压油的牌号是用液压油在温度为40℃时的运动黏度平均值来表示的。例如32号液压油，就是指这种油在40℃时的运动黏度平均值为32mm²/s。

（3）相对黏度 动力黏度和运动黏度是理论分析和计算时经常使用到的黏度，但它们都难以直接测量。因此，在工程上常常使用相对黏度。相对黏度又称为条件黏度，它是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的黏度。用相对黏度计测量出它的相对黏度后，再根据相应的关系式换算出运动黏度或动力黏度，以便于使用。中国、德国、前苏联等采用恩氏度°E，美国、英国等通用赛氏秒SSU，法国等用巴氏度°B，等等。

恩氏黏度用恩氏黏度计测定，即将200cm³的被测液体装入底部有ϕ=2.8mm小孔的恩氏黏度计的容器中，在某一特定温度t℃时，测定液体在自重作用下流过小孔所需的时间t₁和同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间t₂之比值，便是该液体在t℃时的恩氏黏度，即

°E=t₁/t₂ （1-8）

一般以20℃、50℃及100℃作为测定液体恩氏黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度分别用°E₂₀、°E₅₀、°E₁₀₀来标记。

恩氏黏度与运动黏度之间的换算关系式为

事实上，液体的黏度是随着液体的压力和温度而变化的。对液压油来说，压力增大时，黏度增大。但在一般液压系统使用的压力范围内，黏度增大的数值很小，可以忽略不计。但是液压油液的黏度对温度的变化十分敏感。温度升高，黏度显著下降，这种变化将直接影响液压油液的正常使用和液压系统的性能。液压油液的这种性质称为液压油液的黏温特性。不同种类的液压油有着不同的黏温特性。黏温特性好的液压油，黏度随温度的变化较小。黏温特性通常用黏度指数（VI）表示。液压油的黏度指数表明该油的黏度随温度变化的程度与标准油的黏度变化程度比值的相对值。黏度指数高，即表示黏温曲线平缓，黏温特性好。一般液压油的黏度指数要求在90以上，优异的在100以上。

（4）黏度和压力的关系压力对流体的黏度一般影响很小，可以忽略不计。但在液压系统中，当压力较高或压力变化较大时，应考虑其对黏度的影响，压力愈高，分子之间的距离愈小，黏度愈大。

3.其他性质

液压油还有其他一些物理化学性质，如抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、导热性、相容性（主要指对密封材料不侵蚀、不溶胀的性质）以及纯净性等，它们都对液压系统工作性能有重要影响。对于不同品种的液压油，这些性质的指标是不同的，使用时可查油类产品手册。

1.4.4 液压油的分类和选用

1.液压油的分类

液压油主要分为三大类型：矿油型、乳化型和合成型。

（1）矿油型 矿油型液压油的润滑性和防锈性好，黏度等级范围较宽，在液压系统中应用很广。其主要品种有普通液压油、抗磨液压油、低温液压油、高黏度指数液压油、液压导轨油等。它们都是以全损耗系统用油为基础原料，精炼后按需要加入适当的添加剂制成的。

（2）乳化型 乳化型液压油是利用互不相溶的油和水，使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散在另一种液体中所形成的抗燃液体，分为水包油乳化液和油包水乳化液两种类型。

1）水包油乳化液：其含油量为5%～10%（质量分数），含水量为90%～95%（质量分数），另加各种添加剂。其特点是难燃，黏温特性好，有一定的防锈能力，但润滑性差，易泄漏。

2）油包水乳化液：其含油量为60%（质量分数），含水量为40%（质量分数），另加各种添加剂。其特点是有较好的润滑性、防锈性、抗燃性，但使用温度不能高于65℃。

（3）合成型

1）水-乙二醇液：其含水量为35%～55%（质量分数），其余为乙二醇和各种添加剂。其特点是抗燃、黏温特性和抗蚀性好，凝点低（-50℃），但润滑性差、价格高。

2）磷酸脂液：其使用的温度范围宽（-54～135℃），抗燃性、润滑性、抗磨性、抗氧化性等性能良好，但有毒，与多种密封材料的相容性差，价格贵。

2.液压油的选用

选择液压油，首先应选择油液的品种，可根据有无防火要求、工作压力、环境温度等因素进行考虑，然后就要选择油液的黏度。黏度等级选择得恰当与否，对液压系统工作的稳定性、可靠性、效率、温升都会产生显著的影响。选择黏度时应考虑以下几个方面的情况。

1）工作压力：对工作压力较高的液压系统，宜选用黏度较大的液压油，以减少泄漏；

2）环境温度：环境温度较高时，宜选用黏度较大的液压油；

3）运动速度：执行元件的运动速度较高时，宜选用黏度较小的液压油，以减少液流的摩擦损失；

4）液压泵的类型：在液压系统的所有元件中，以液压泵对液压油的性能最为敏感，因为泵内零件的运动速度高、工作压力大、温升高，故对润滑要求苛刻。因此，常根据液压泵的类型及要求来选择液压油的黏度。各类液压泵适用的液压油黏度范围见表1-1。

表1-1 各类液压泵适用的液压油黏度范围

本章小结

用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式成为液体传动。液压传动的两个特征：系统工作压力取决于外负载，负载越大，产生的压力也越高；活塞的运动速度取决于单位时间内输入的流体体积（流量）。流体的压力p和流量Q是液压系统中两个最基本的性能参数。用液压元件的职能图形符号可使液压系统图简单明了，便于绘制。职能图形符号只表示元件的功能、操作（控制）方法及连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示连接口的实际位置和元件的安装位置。一个完整的液压系统主要由能源装置、控制调节装置、液压执行器、辅助装置及工作介质5个部分组成。液压传动由于具有单位功率重量轻、无级调速范围大、传动平稳和操控方便等优点而得到广泛应用，但是液压传动也存在油液泄漏、油液对温度比较敏感、效率不高以及不宜用于远距离传动等缺点，在应用时应结合其传动特点进行考虑。单位体积液体的质量称为该液体的密度。液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。液体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，由此产生一种内摩擦力，这种现象称为液体的黏性。液体黏性的大小用黏度来表示，常用的液体黏度表示方法有三种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。液压油主要分为三大类型：矿油型、乳化型和合成型。选择液压油的品种时要考虑工作压力、执行元件的运动速度、环境温度和泵的类型等因素。

思考题和习题

1-1 液体传动有哪两种形式？它们的主要区别是什么？

1-2 液压传动系统由哪几部分组成？各组成部分的作用是什么？

1-3 液压传动系统的主要特征是什么？

1-4 液压传动的主要优缺点是什么？

1-5 某液压油在大气压下的体积是50×10³m³，当压力升高后，其体积减小到49.1×10³m³，设液压油的体积模量K=700.0MPa，求压力升高值。

1-6 液压油液的黏度有几种表示方法？它们各用什么符号表示？各用什么单位？

1-7 国家现行标准GB/T3141—1994规定的液压油液牌号是表示在多少温度下的哪种黏度的平均值？

1-8 液压油一般分为哪几种类型？

1-9 液压油的选用应考虑哪几个方面？

1-10 某液压油的运动黏度为68mm²/s，密度为900kg/m³时，求其动力黏度和恩氏黏度。

1-11 20℃时200mL蒸馏水从恩氏黏度计中流尽的时间为51s，如果200mL的某液压油在40℃时从恩氏黏度计中流尽的时间为232s，已知该液压油的密度为900kg/m³时，试求该液压油在40℃时的恩氏黏度、运动黏度和动力黏度。