第一章流体力学基础 (11)其他对工作介质的其他要求还有：无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀 系数要小等。 其实，能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的液 压液按GB/T7631.2一2003的分类见表1-1。目前90%以上的液压设备采用石油基液压油 液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要 求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化 剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增黏剂、抗磨剂、防爬剂等。 表11液压液的分类 组 应 特 用 更具体 产品行号 范 组成和特性 应用 ISO-L 典型应用 备注 用 无抑制剂的精制矿油 HH 精制矿油，并改善其防锈和 HL 抗氧性 有高负荷部件的一般液国 HL油，并改善其抗磨性 HM 系统 L油，并改善其黏温性 HR HM油，并改善其黏温性 HV 建筑和船舶设备 无特定难燃性的合成液 HS 特殊性能 用于要 甘油三酸酯 HETC 液 求使用环 流 聚乙二醇 HEPG 每个品种的基础液的 体 境可接受 一般液压系统（可移动式） 最小含量应不少于70% 压 液压液的 合成酯 HEES (质量分数) H 压 场合 聚α烯烃和相关烃类产品 HEPR 系 系 液压和滑动轴承导轨润滑系 统 液压导 这种液体具有多种用 统 HM油，并具有抗黏-滑性 HG 轨系统 统合用的机床在低速下使振动途，但并非在所有液压 或间断滑动（黏-滑）减为最小 应用中都有效 通常含水量大于80% 水包油型乳化液 HFAE 质量分数) 通常含水量大于80% 化学水溶液 HFAS 用于使 质量分数) 用难燃液 油包水乳化液 HFB 压液的 通常含水量大于35% 场合 含聚合物水溶液 HFC 质量分数) 磷酸酯无水合成液口 HFDR 其他成分的无水合成液 HFDU ①这类液体也可以满足HE品种规定的生物降解性和毒性要求 (二)物理性质 工作介质的基本性质有多项，现择其与液压传动性能密切相关的三项做一介绍。 1.密度 单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，即 P=V (1-1) 9
液压与气压传动第3版 式中p一液体的密度： V一液体的体积： m 液体的质量。 常用液压传动工作介质的密度见表1-2。 表1-2常用液压传动工作介质的密度(20℃) 工作介质 密度p/(kg·m) 工作介质 密度p(kg·m) 抗磨液压液L-HM32 0.87×10 水-乙二醇液压液LHC 1.06×103 抗磨液压液L-HM46 0.875×10 通用磷酸酯液压液L-HFDR 1.15×10 油包水乳化液LHFB 0.932×10 飞机用磷酸酯液压液L-HFDR 1.05×10 水包油乳化液L-HFAE 0.977×10 10号航空液压油 0.85×10 液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可 以忽略不计。 2.可压缩性 液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为P。时液体的体积为V。, 当压力增加△p后，液体的体积减小△V,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为 =14p (1-2) △pVo 式中一液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k 成为正值，在上式右边须加一负号。 液体压缩率：的倒数，称为液体的体积模量，即 (1-3) 表1-3所列为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它 的可压缩性是钢的100~170倍（钢的弹性模量为2.1×103MPa)。 表1-3各种工作介质的体积模量(20℃，大气压) 工作介质 体积模量KMPa 工作介质 体积模量K/MPa 石油基液压油 (1.4-2)×10的 水-乙二醇液压液 3.45×101 水包油乳化液 1.95×10 磷酸酯液压液 2.65×103 油包水乳化液 2.3×10 水 2.4×10 由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始 压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压 油K的取值为(0.7~1.4)×103MPa,且应采取措施 尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。 3.黏性 (1)黏性的表现液体在外力作用下流动时 分子间内聚力的存在使其流动受到牵制，从而沿其 界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的黏性 现以图1-1为例说明液体的黏性。若距离为h的 两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以 速度“。向右平动。由于液体和固体壁面间的附着力 图11液体黏性示意图
第一章流体力学基础 及液体的黏性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零， 紧靠着上平板的液层速度为4o,而中间各层液体的速度在层间距离h较小时，从上到下近 似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的，而速度慢的液层对速度快的起阻 滞作用。 实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力F,与液层接触面积A、液层间的速度 梯度du/dy成正比，即 u F=HA dy (1-4) 式中，比例系数：称为动力黏度。 若以？表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则式(1-4)可表示为 F du T=Ad (1-5) 这就是牛顿液体内摩擦定律 du 一般认为，液压系统中的工作介质符合牛顿液体内摩擦定律：T=: 由式(1-5)可知，在静止液体中，速度梯度du/dy=0,故其内摩擦力为零，因此静止 液体不呈现黏性，液体只在流动时才显示其黏性。 (2)黏性的度量度量黏性大小的物理量称为黏度。常用的黏度有三种，即动力黏度、 运动黏度、相对黏度 1)动力黏度：。由式(1-5)可知，动力黏度4是表征流动液体内摩擦力大小的比例系 数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，即 /dy u=Tdy (1-6) 在我国法定计量单位制及S制中，动力黏度4的单位是Pa·s(帕·秒)或用N·s/m2 (牛·秒/米2)表示。 如果动力黏度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称为牛顿液体，否则为非 牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。 2)运动黏度”。液体动力黏度与其密度之比称为该液体的运动黏度v,即 ~《 p (1-7) 在我国法定计量单位制及SI制中，运动黏度v的单位是m2/s(米2/秒)。因其中只有 长度和时间的量纲，故得名为运动黏度。国际标准S0按运动黏度值对油液的黏度等级 (VG)进行划分，见表1-4。 表14常用液压油运动黏度等级 (单位：×106m2/s 茹度等级 40℃时黏度平均值 40℃时黏度 黏度等级 40℃时黏度平均值 40C时黏度 VG10 10 9.00-11.0 VG46 46 41.4-50.6 VG15 13.5-16.5 VG68 68 61.2-74.8 VG22 22 19.8-24.2 VG100 100 90.0-110 VG32 2 28.8-35.2 VG150 150 135-165 注：其中最常用的为VC15~VG68 11
液压与气压传动第3版 3)相对黏度。相对黏度是根据特定测量条件制定的，故又称条件黏度。测量条件不 同，采用的相对黏度单位也不同。如恩氏黏度E(欧洲一些国家)、通用赛氏秒SUS(美 国、英国)、商用雷氏秒R,S(英、美等国)和巴氏度B(法国)等。 国际标准化组织IS0已规定统一采用运动黏度来表示油的黏度。 例1-1图1-2所示为一黏度计，若D=100mm,d=98mm,l=200mm,外筒转速n 8r/s时，测得的转矩T=0.4N·m,已知油液密度p=900kg/m3, 试求其油液的动力黏度和运动黏度。 解外筒旋转线速度为 D v=wR=2πn 2 =2×mx8x10 mm/s=2.512m/s 转矩为 T=FR-F2 所以 F,=272x0.4 N=8N D0.1 du 又因为 F=uA dy F/A T, 则动力黏度为 μ= du/dy 图1-2例1-1图 而 A=mDl=r×0.1×0.2m2=0.0628m2 du v-0 1=2512s1 dy0.1-0.098 2 8/0.0628 故 Pa·s=0.051Pa·s 2512 u=4=0.051 2/8=56.7×10-6m2/s p900 (3)温度对黏度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的黏度对温度的 变化十分敏感：温度升高，黏度下降（图1-3）。这一特性称为液体的黏-温特性。黏-温特性 常用黏度指数Ⅵ来度量。Ⅵ表示该液体的黏度随温度变化的程度与标准液的黏度变化程度之 比。通常在各种工作介质的质量指标中都给出黏度指数。黏度指数高，说明黏度随温度变化 小，其黏-温特性好。 一般要求工作介质的黏度指数应在90以上，优异的在100以上。当液压系统的工作温 度范围较大时，应选用黏度指数高的介质。几种典型工作介质的黏度指数列于表1-5。 表15典型工作介质的黏度指数门 介质种类 黏度指数M 介质种类 站度指数Ⅵ 石油基液压油LHM ≥95 油包水乳化液LHFB 130-170 石油基液压油L-HB ≥160 水-乙二醇液L-HFC 140-170 石油基液压油LHG ≥90 磷酸酯液L-HFDR -31-170 12
第一章流体力学基础 10000 5000 3000 1000 500 100 6 20 8.0 6.0 4.0 2.0 .-1002030405060708090100 120140 温度/℃ 图13盘度和温度间的关系 1→石油基普通液压油2一石油基高黏度指数液压油 3一水包油乳化液4一水-乙二醇液5一磷酸酯液 二、气压传动介质 空气是气压传动及控制的工作介质。 (一)空气的组成 自然界的空气是由若干种气体混合组成的，原本主要成分是氮和氧，其他气体所占比例 很小。但是，近年来由于环境污染日益严重，致使大气中还含有大量二氧化碳、二氧化硫、 亚硝酸、有机微生物、固体颗粒和PM25等污染物 此外，空气中常含有一定量的水蒸气。含有水蒸气的空气称为湿空气。大气中的空气基 本上都是湿空气。当在一定的压力和温度下，空气中所含水蒸气达到最大可含量时，这种空 气称为饱和湿空气。不含有水蒸气的空气称为干空气。 基准状态下（即温度t=0℃、压力p=0.1013MPa),清洁干空气的组成见表1-6。 表16清洁干空气的组成 成分 氨(N1 氧(0,1 显(A) 二氧化碳(CO 其他气体 体积分数(%) 78.03 20.95 0.932 0.03 0.078 质量分数(%) 75.50 23.10 1.28 0.045 0.075 空气的全压力是指其各组成气体压力的总和，各组成气体的压力称为分压力，它表示这 种气体在相同温度下，独占空气总容积时所具有的压力。 (二)空气的性质 1.密度 空气具有一定质量，常用密度ρ表示单位体积内空气的质量。 13