第二章 液压油的性质（Properties of Hydraulic Fluids）2.1概述（INTRODUCTION）在液压系统中唯一最重要的材料是工作流体本身。 液压油的性质对设备的正常工作和使用寿命有着决定性 的影响。为了液压系统能够高效地完成其工作使用清洁 、高质量的液压油是非常重要的。为了满足工作要求现代大多数液压油都是经过特殊 合成的化合物。除了有一种基本的流体，液压油还包含 一些添加物来得到所希望的性质。 1.液压油的主要功能实质上，液压油有四个主要功能： 传递能量； 润滑运动部件；密封两部件之间的配合间隙；散热。2.液压油的特性为真正地实现上述这些主要功能并从安全和成本上 考虑，液压油应具有以下特性： 良好的润滑性； 理想的粘度； 化学和环保稳定性； 与系统其它材料的相容性； 较大的体积模量； 耐火性； 良好的传热能力； 低密度； 抗泡性；无毒；低挥发性。 低成本； 容易得到。单一的液压油不具有所有这些希望的性质。为了实 际使用，流体传动设计者必须选择最接近所有这些理想 性质的流体。液压油必须定期更换，其周期不仅取决于流体本身 还与其使用环境有关。实验室分析是确定液压油更换周 期的最好方法。通常说，由于油液分解或被污染而导致 其粘度和酸度增大时，它就应被更换。更好地是当系统 处于工作温度时更换油液。用这种方法，大多数杂质都 处于悬浮状态并且容易排除。2.2 流体：液体（FLUIDS: LIQUIDS）“流体”一词是液体和气体的总称。液体是这样一种 流体，具有已知的质量，它具有明确的、与它的容器形 状无关的体积。这个意思是即使液体呈现其容器的形状 ，容器中充满液体部分的体积等于液体的体积。液体被认为是不可压缩的以致于压力变化时，液体 的体积不会变化。这并不绝对准确，但是由于压力变化 引起的体积变化是很小的，在大多数工程应用中可忽略 不计。2.3 重量、密度、比重（WEIGHT, DENSITY, SPECIFIC GRAVITY） 1.重量所有物质，不论固体或流体，都受到地心引力的作 用。这个力称为物体的重力，并与物体的质量成正比， 定义为：（21）F力（N）；W流体的重量（N）；m流体的质量（kg）；g重力加速度（9.8m/s2）。2.重度重度被定义为单位体积流体的重量，即：（22）重度（N/m3）；W重量（N）；V体积（m3）；利用式（22）我们能够计算出水的重度：大多数油液的重度大约为8792N/m3。然而，根据 油液种类的不同，其重度在8635 N/m3和9106 N/m3之间 变化。3.比重给定流体的比重（Sg）是流体的重度与4纯水的 重度之比，即油液的比重：（23）代入已知数值得：注：比重是无量纲（无单位）参数。4.密度其定义是单位体积的质量：（24）密度（kg/m3）m质量（kg）V体积（m3）由于质量与重量成正比，密度也等于给定流体的密 度除以水的密度。密度与重度有如下关系：（25）那么水的密度为：2.4 压力（PRESSURE） 1.流体压力压力在流体传动系统中压力或者说得更确切些是力以相 等的数值向各个方向传递。压力用单位面积上所受的力 来表示。因此，压力是单位面积上作用的力的总和，即 ：（26）p压力；F力；A面积。如果F和A的单位分别是N和m2，那么p的单位就是 Pa。静止流体中的压力称为流体静压力，它有两个重要 性质： 静止流体中任一点上压力大小与所受力面的方位无 关，即静止流体中任一点的压力在各个方向相等。 静止流体中压力作用方向是垂直于表面并指向该表 面，即沿表面内法线方向。静压力的基本方程如图所示，从流体中划出一个 底面积为A的液柱，在流体表面 上，外力产生的压力peFe/A，液 柱所受质量力为hA，设液柱下 表面上作用的压力为p，其方向向上， 则沿垂直方向的力平衡方程为peA+hApA，由此得ppe+h （27）式中，p是离液面h深处的压力。由式（27）可知： 静压力是外力产生的压力pe和自重产生的压力h之 和； 静止流体压力随深度线性地增加； 静压力相等的各点组成的面称为等压面，在静止流 体中等压面是水平面； 在一般液压系统中工作压力（ pe）比自重产生的压 力h大得多，故在液压系统中h可忽略，即p pe。2.压力的计算基准和单位压力计算基准 绝对压力pabs：以绝对真空为计算基准的压力； 大气压pa：由大气产生的压力； 相对压力（表压）p：以大气压为基准的压力，压 力表所指示的压力均为相对压力。 真空度pv：压力比大气压低的数值。它们之间关系如图所示：pabspa+ppvpapabs。压力的单位压力有多种单位。在SI制中，压力的单位是Pa， 1Pa=1N/m2，由于Pa太小，工程上常用MPa，目前也可 用bar。1MPa106Pa，1bar105Pa。在工程上还有以下压力单位被应用标准大气压（atm），工程 大气压（at），mH2O（米水柱 高），mmHg（毫米汞柱高）， kgf/cm2。1atm1.033kgf/cm2 10.33mH2O760mmHg1.013105Pa。1at1kgf/cm210mH2O735.5mmHg 9.8104Pa。2.5 帕斯卡原理（PASCALS LAW）帕斯卡原理揭示了流体传动的基本原理。它表明了 作用在密闭流体上的压力等值地向各个方向传递。如图所示，在小活塞上施 加力F1时，在液体中将产生压 力pF1/A1，它以相同大小传 向液体各部分，在大活塞上将 产生力F2pA2。它们的关系 是F1/F2A1/A2或F2 （A2/A1）F1，由此可看出，由于A2A1，故F2 F1， 即进行了力的放大，发大比为A2/A1。在上图中，如果大活塞上无重物，那么在液体中不 会产生压力。由此可知，在密闭容器流体系统中的压力 是由外界负载决定的。2.6 帕斯卡原理的应用（APPLICATIONS OF PASCALS LAW）在这一节中我们将探讨一个帕斯卡原理的基本应用 ：液压千斤顶。这个系统使用一个活塞式手动泵来驱动一个单作用 液压缸，如图。其工作原理如下。一手动力作用在手柄ABC的A点，手柄可绕C点旋 转，手动泵的活塞杆与手柄的 B点铰接。手动泵实际上是一 个内有可自由上下运动活塞的 液压缸。活塞和活塞杆是固连 在一起的。当用手提起手柄时， 活塞上升并在其下腔产生真空。 其结果是，油箱中的油液在大 气压的作用下经过单向阀1流入手动泵的下腔。这是吸油过程。单向阀是仅允许油液单 向通过的元件，用箭头表示。当用手压下手柄时，油液被从手动泵中挤出并通过 单向阀2进入负载缸的下腔。负载缸在结构上与手动泵 相似，也是内有一个活塞和活塞杆的液压缸。当油液被 挤出油泵并在流入下腔时受到阻力，在负载活塞下就产 生压力。由帕斯卡原理我们可知作用在负载活塞上的压 力等于油泵下腔产生的压力。 因此，手柄的每一次上下循环， 一定体积的油液就从油泵中被 挤出从而克服负载阻力使负载 缸升高一定距离。放油阀是一 个手动阀，当它打开时，从负 载缸放油回油箱使负载下行。 应该注意油液从每一个液压缸里流入和流出都仅在其一端。这样的液压缸称为单作 用，因为液压驱动仅向一个方向。在图中的液压千斤 顶中，当放油阀打开时活塞的缩回是靠负载的自重。2.7 体积弹性模量（BULK MODULUS）具有较高功率重量比和刚度的液压系统经常被用 于大功率的场所。液压系统的刚度与油液的不可压缩性 有直接关系。体积弹性模量是不可压缩性的度量值。体 积弹性模量越高，流体的压缩性越小或流体的刚性越大 。体积弹性模量的数学表达式如式（27），负号说明 随着压力的增加，体积减小：（27）其中：体积弹性模量（MPa）；V初始体积（m3）；p压力变化值（MPa）；V体积变化值（m3）。油液的体积弹性模量随其压力和温度的变化而变化，但是，在大多数流体传动系统的工作范围内，这些 变化因素均可忽略不计。2.8 粘性和粘度指数（VISCOSITY AND VISCOSITY INDEX）粘性或许是液压油最重要的特性。它是运动流体流 动性的度量值。当粘性小时，流体容易流动因为它是稀 的以及粘度低。高粘性的流体因具有高粘度而看起来很 浓，所以流动困难。事实上，一个液压系统的理论粘度是适中的，过高 的粘度会导致： 流动阻尼高，导致粘滞出现； 由于摩擦损失，增大功率消耗； 通过液压阀及管路的压降增加； 摩擦使油温升高。另一方面，粘度太低，又会导致： 泄漏增加； 由于两个相对运动部件间的油膜被破坏而导致过度磨损。1.绝对粘度（动力粘度）粘度的概念可以通过研究图中 的两个相距为油膜厚度y的平行平 板来了解。下面的平板固定，上面 的平板因受推力F的作用而以速度v 移动。由于粘性，油液附着在两个平板的表面。与下面 平板接触的油层流速为零，而与上面平板接触的油层流 速为v。其结果是呈线性变化的速度分布，其斜率为v/y 。油液的绝对粘度（或动力粘度）可由下式表示：（28）其中：油液单位面积上的剪切应力（内摩擦力） （N/m2或Pa）；它引起了油膜相邻两层的滑动；v移动平板的速度（m/s）；y油膜厚度（m）；绝对粘度（或动力粘度）（Pas）。如果移动的平板与油液接触面积为单位面积，上面 的平板速度与油膜厚度均为单位值，那么式（28）就 变成：为此，我们可以定义绝对粘度（动力粘度）为当两 个平板间充满油液时以单位速度推动与固定平板相距单 位距离并具有单位面积的平板所需要的力。2.运动粘度在流体力学中经常使用运动粘度而不用绝对粘度。 运动粘度等于绝对粘度除以密度：（29）在SI制中，的单位为m2/s，在工程中常用cst（厘 施）为的单位1cst102cm2/s106m2/s，纯水在 20时1cst，并不具有表示流体粘度的物理意义 。