1.4 液压传动的工作介质

1.4.1 概述

在液压系统中，液压油是传递动力和信号的工作介质。同时它还起到润滑、冷却和防锈的作用。

液压传动介质按照国标GB/T7631.2—1987、GB/T7631.2—2003进行分类，主要有石油基液压油和难燃液压油两大类。

石油基液压油可分为普通液压油、液压—导轨油、抗磨液压油、低温液压油、高粘度指数液压油、机械油、汽轮机油和其它专用液压油。难燃液压油可分为合成型、油水乳化型和高水基型。本节主要介绍液压系统通常采用的石油基液压油。

（1）普通液压油（L-HL液压油）

采用精制矿物油做基础油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂调和而成，是当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于0℃以上的工作环境。其牌号有HL-32、HL-46、HL-68。

在代号L-HL32中，前一个L代表润滑剂类，H为该L类产品所属的组别，表示应用场合为液压系统（以下的代号中含义相同），后一个L代表防锈、抗氧化型，数字32表示该液压油在40℃时的运动粘度厘斯数。

（2）抗磨液压油（L-HM液压油）

抗磨液压油的配制较复杂，除加防锈、抗氧剂外，还需添加抗磨剂、金属钝化剂、破乳化剂和抗泡沫添加剂等。从抗磨剂的组成来看，抗磨液压油分为两种：一种是以二烷基二硫代磷锌为主剂的含锌油；一种是不含金属盐（简称无灰型）的油。含锌抗磨液压油，对钢-钢磨擦副（如叶片泵）来说抗磨性特别突出，而对含有银和铜的部件有腐蚀作用。无灰抗磨液压油对含有银和铜的部件不会产生腐蚀且在水解安定性、破乳化及氧化安定性方面好于含锌抗磨液压油。

抗磨液压油适用于–15℃以上的高压、高速建设机械和车辆液压系统。其牌号有HM-32、HM-46、HM-68、HM-100、HM-150。其中M代表抗磨型。

（3）低温液压油、稠化液压油和高粘度指数液压油（L-HV液压油）

用深度脱蜡的精制矿物油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈、降凝和增粘等添加剂调和而成。其粘温特性好，有较好的润滑性，以保证不发生低速爬行和低速不稳定现象。适用于低温地区的户外高压系统。对油有更好的低温性能要求或无L-HV时，可选用L-HS。

（4）低凝抗磨液压油（L-HS）

用高粘度指数基础油，加入抗氧、防锈、抗磨剂合粘温性能改进剂调和而成，应用同L-HV油。本产品比HV低温抗磨液压油的低温性能更好，特别适用于冬季严寒地区户外作业机械的润滑。本产品按照40℃运动粘度分为10、15、22、32、46等牌号。

L-HS比L-HV有更高的低温性能，HS油凝点达-45°C，对在低温环境下工作的液压设备，要采用低温流动性好的液压油，倾点应比环境最低温度高10°C。HV和HS油均属于宽温度变化范围下使用的低温液压油，都具有低凝点、优良的抗磨性、低温流动性及低温泵送性，且粘度指数均大于130。但是，HV油的低温性能稍逊于HS油，而HS油的成本及价格都高于HV油。HV油主要用于寒冷地区，HS油主要用于严寒地区。L-HV适用于寒冷地区-30℃以上、作业环境温度变化较大（-30～+70℃）的室外的中、高压液压系统的机械设备上。L-HS适用于严寒区-40℃以上、环境温度变化更大（-40～+90℃）的室外作业的中、高压液压系统的机械设备上。

（5）机械油

机械油是一种工业用润滑油，价格低廉，但精制程度较浅，化学稳定性差，使用时易生成黏稠物质阻塞元件小孔，影响系统性能。系统的压力越高，问题越严重。因此只有在低压系统且压力要求很低时才可以应用机械油。

（6）专用液压油

专业液压油包括10号航空液压油、合成锭子油、炮用液压油和机动车辆制动液。其中10号航空液压油以深度精制的轻质石油馏分油为基础油，加入8%-9%的T601增粘剂、0.5%的T501抗氧防胶剂、0.007%的苏丹Ⅳ染料。具有良好的粘温特性、凝点低、低温性能和抗氧化安定性好，不易生成酸性物质和胶膜，油液高度清洁，应用于飞机的液压系统和起落架、减震器、减摆器等，也应用于大型舰船的武器和通讯设备，如雷达、导弹发射架和火炮的液压系统。寒区作业的工程机械，有的规定冬季使用航空液压油，如日本的加藤挖掘机等。

1.4.2 液压油的性质

1.密度

对于均质的液体来说，单位体积所具有的质量叫做密度，其计算公式如下

（1-21）

式中 ——液体的密度(kg/m³)；

—— 液体质量（kg）；

—— 液体体积（m³）。

我国采用20℃时的密度为液压油的标准密度，以表示。计算时，液压油的密度常取= 900kg/m³，在一般条件下，温度和压力引起的密度变化很小，故实用中可近似认为液压油的密度是固定不变的。

2.压缩性

液体受压力的作用发生体积变化的性质叫压缩性。液体压缩性的大小可用体积压缩系数来表示，是指液体所受的压力每增加一个单位压力时，其体积的相对变化量，即

（1-22）

式中 ——液体压力的变化值（Pa）；

——液体体积在压力变化时,其体积的变化（m³）；

—— 液体的初始体积（m³）。

式中负号是因为压力增大时,液体体积反而减小,反之则增大。为了使为正值,故加一负号。液体体积压缩系数的倒数,即为液体体积弹性模量,用表示,即

(1-23)

常用液压油的压缩系数=(5~7)×10^-10 m²/N，故=(1.4~2)×10⁹ Pa。在液压传动中，如果液压油中混入一定量的处于游离状态的气体，会使实际的压缩性显著增加，也就是使液体的弹性模量降低。在实际液压系统中，一般可忽略油液的压缩性，但当压力较高或进行动态分析时就必须考虑液体的压缩性。

3.液压油的粘性

液压油在流动过程中，其微团间因有相对运动而产生内摩擦力。这种流动液体内部产生内摩擦力的性质就称为粘性。粘性是流体固有的属性，但只有在流动时才呈现出来。因此，粘性是液压油最重要的特性之一。

1）粘性的度量

粘性的大小用粘度表示。粘度是液体流动的缓慢程度的度量。当粘度较低时，液体较稀很容易流动，液体的粘度较高时较难流动。液体粘度常用动力粘度、运动粘度和相对粘度三种方式来表示。按国标GB/T3141—1994所规定，液压油产品的牌号用粘度的等级表示，即用该液压油在40℃时的运动粘度中心值表示。

液体流动时，由于与固体之间的附着力以及自身的粘性，会使其内各液层间的速度大小不等。如图1-10所示，两平行平面内充满液体，上板运动，下板固定不动。由于液体与固体间的附着性及各层之间的吸附性，致使各液层速度呈线性分布。

 动画演示

图1-10 液体粘性示意图

实验表明，各层间的内摩擦力与下述因素有关：

• 与层间速度成正比，与层间距离成反比，即与成正比。这里，——速度梯度，即由下层向上层速度变化的快慢程度；

• 与两层液体的接触面积成正比；

• 与液体的品种有关，与压力无关。

用数学表达式为：内摩擦力　　　　

式中 ——比例系数。

（1）动力粘度

用液体流动时所产生的内摩擦力大小来表示的粘度就是动力粘度，通常用μ表示。其物理意义是：面积各为1cm²，相距1cm的两层液体，以1cm/ s的速度相对运动，此时产生的内摩擦力，称为动力粘度，如图1-10所示。

在SI单位制中，动力粘度单位为帕·秒（Pa·s），即N·s/ m²。常用的SI倍数关系mPa·s。在物理单位制中单位为达因·秒/厘米²，称为泊（P）。换算单位为1P=0.1Pa·s，1cP（厘泊）=1 mPa·S。

（2）运动粘度

由于许多流体力学方程中出现动力粘度与液体密度的比值，于是流体力学中把同一温度下这一比值定义为运动粘度，以表示，即

= （1-24）

运动粘度的单位，在SI单位制中为m²/ s，在工程上常用mm²/ s（厘斯，cSt）或cm²/ s表示（斯，St）表示，其换算关系为1m²/ s=10⁴St=10⁶ cSt 。

动力粘度和运动粘度是理论分析和推倒中经常使用的粘度单位。因采用SI制及其倍数单位中的绝对单位制，故称为绝对粘度。两者都难以直接测量，一般多用于理论分析与计算。

（3）相对粘度

相对粘度又称条件粘度，是指在规定条件下可以直接测量的粘度。根据测定条件的不同，各国采用的条件粘度单位不同，美国用赛氏粘度SSU，英国用雷氏粘度R，中国、德国和俄罗斯用恩氏粘度。

恩氏粘度是被测液体与水的粘性的相对比值，用恩氏粘度计来测量。其测定办法是在某个标准温度T下，将被测液体200cm³装入恩氏粘度计的容器中，测定这些液体经容器底部小孔（直径φ2.8mm）流尽的时间t₁，然后在温度T时将200cm³蒸馏水装入恩氏粘度计的同一容器中，测出这些水经容器底部小孔流尽的时间t₂，时间t₁和t₂的比值就是被测液体在该标准温度T下的恩氏粘度。

工业上用50℃作为测定恩氏粘度的标准温度，并相应地以符号50来表示。

通常采用如下经验公式做为恩氏粘度和运动粘度的换算式

(St) (1-25)

或 (cSt)

另外，还可以利用各种手册上绘制好的粘度图及标尺来进行粘度换算。

2）压力对粘度的影响

一般说来，液压油的粘度随压力的增加而增大。但压力值在20MPa以下时变化不大，故可忽略不计。不同的油液有不同的粘度压力变化关系，这种关系叫做油液的粘压特性。在实际应用中，当压力在0 ~ 50MPa的范围内变化时，可用下列公式计算油的粘度

（1-26）

式中 压力为时的运动粘度；

在一个大气压下的运动粘度；

油压力；

系数，对于一般液压油=0.002~ 0.003（Pa）^-1。

3）温度对粘性的影响

液压油的粘性对温度的变化十分敏感，在低温范围内表现的特别强烈。不同的油液有不同的粘度温度变化关系，这种关系叫做油液的粘温特性。液压油的粘温特性表现为温度升高粘性降低。液压油粘性变化会直接影响液压系统的工作性能，因此希望液压油的粘性随温度的变化越小越好。油温在20 ~ 80℃范围内，粘温关系可用如下公式表示

（1-27）

式中 、 分别为温度为和时该油液的动力粘度；

为取决于油液物理性能的粘度系数，对矿物系液压油可取=1.8~ 3.6×10^-2[℃]^‐1。

液压油的粘性随温度变化而变化的程度可用粘度指数来衡量。它表示被试油液的粘性随温度变化的程度与标准液压油粘性随温度变化的程度之间的相对比较值。粘度指数越大的液压油其粘性随温度的变化越小，粘温特性越好。目前，液压油的粘度指数一般要求90以上，优良的在100以上。

4）调和油的粘度

有时，一种液压油的粘度不符合要求，需要用两种液压油调和才能达到所要求的粘度，则此调和油的粘度可用下式计算

（1-28）

式中 、、——参加调和的两种油及调和后的粘度，而且>；

、——参加调和的两种油各占的百分比，+=100；

——实验所得的系数，可查相应的手册或资料。

1.4.3 液压油的选用

1.对液压油的要求

液压油既是液压传动与控制系统的工作介质，又是各种液压元件的润滑剂，因此液压油的性能会直接影响系统的性能，如工作可靠性、灵敏性、稳定性、系统效率和零件寿命。选用液压油时应满足下列要求：

• 合适的粘度，较好的粘温特性；

• 润滑性能好；

• 质地纯净，杂质少；

• 对金属和密封件有良好的相容性；

• 对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性；

• 抗泡沫性好和抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好；

• 体积膨胀系数低，比热高；

• 流动点和凝固点低，闪点和燃点高；

• 对人体无害，成本低。

2.液压油的选择

一般来说，选用液压油时最先考虑的是它的粘度，因为液压油粘度对液压装置的性能影响最大。粘度太大，则流动压力损失就会加大、油液发热，会使系统效率降低；粘度太小，则泄漏过多，使容积效率降低。因此在实际使用条件下应选用使液压系统能正常、高效和长时期运转的液压油粘度。

液压油的选择通常按下述三个步骤进行：

（1）列出液压系统对液压油性能的变化范围要求，如：粘度、密度、温度、压力、抗

燃性、润滑性、空气溶解率、可压缩性和毒性等。

（2）尽可能选出符合或接近上述要求的工作介质品种。从液压元件的生产厂及产品样品本中获得对工作介质的推荐资料。

（3）最终综合、权衡、调整各方面的要求，决定采用合适的油液。

在具体选择时可按照以下两种方法进行：一种方法是考虑系统压力、工作温度、运动速度及经济性等因素来选用合适粘度，使液压泵和控制阀在最佳粘度范围内工作。其具体步骤为：

（1）考虑液压系统的工作压力

当液压系统工作压力较高时宜选用粘度较高的油，以免泄漏过多、效率过低；当工作压力较低时宜采用粘度较低的油，以减少压力损失。

（2）考虑液压系统的环境温度

液压油的粘度随着温度的变化较大，为保证工作温度下有适宜的粘度，就必须要考虑周围环境的温度，环境温度高时宜采用粘度较高的液压油；环境温度低时宜采用粘度较低的液压油。

（3）考虑液压系统中的运动速度

当液压系统中工作部件的运动速度较高时，油液的流速也高，压力损失增大漏油率减少，因此宜采用粘度较低的液压油；当工作部件运动速度较低时，每分钟所需流量很小，漏油率增大，对系统的运动速度影响较大，所以宜采用粘度较高的液压油。

另一种方法是按照液压泵的类型及要求来确定液压油的粘度及型号，如表1-3所示。

1.4.4 环保型液压油

传统的液压油分为石油型和难燃型两种，其中石油型液压油是由石油经过提炼再加入相应的添加剂而形成的，这种液压油成本低，是目前液压系统中普遍使用的液压油液。但石油型液压油易燃，而且难以生物降解，如果泄漏到环境中，会带来安全隐患或对环境造成长久的污染。难燃型液压油主要应用于矿山和钢铁等具有防爆要求的行业，有些难燃型液压油是水和石油型液压油的乳化液；有些难燃型液压油含有大量水，并以乙二醇做粘稠剂；有些是由有毒的磷酸酯合成的，其主要组成成分生物可降解率很低。随着人类环境保护意识的逐渐增强，以及地球石油资源的逐渐枯竭，各国纷纷开展了环保型液压油的研究和生产。

液压油的环保性指的是液压油的生物可降解能力，即生物可降解性。通常一种材料的生物可降解性是指该材料具有普通环境下分解的能力，即在3年内通过自然生物过程，材料变成无毒的、含碳的土壤、水、碳氧化合物或者甲烷的能力。生物可降解性用生物可降解率作为其评价标准。生物可降解率是指一定条件下、一定时间内被自然界存在的微生物消化代谢分解为二氧化碳、水或降解中间体的百分率，即材料被微生物降解的百分率。

生物可降解液压油是指即能满足机器液压系统的要求，其损耗产物又对环境不造成危害的液压油，又称为环境友好型液压油或绿色液压油。

根据基础油的种类不同，环保型液压油主要可分为聚乙二醇、植物油、合成酯及碳氢化合物等。国际标准ISO 6743-4—1999（中国标准GB/T 7631.2—2003）中对环保型液压油的分类见表1-4.

表1-4 环保型液压油的分类

目前国外已有多家公司生产环保型液压油，例如Mobil公司的EAL 224 H系列、Cognis公司的PROECOEAF 300系列、Fuchs公司的PLANTOHYD S系列合成酯型液压油、Castrol公司的Carelube HTG植物油型液压油、Quaker公司的Quintolubric 855合成酯抗燃型液压油、ACT公司的EcoSafe FR系列抗燃液压油以及Houghton公司的COSMOLUBRIC HF—130合成酯抗燃液压油等。

尽管环保型液压油既具备普通矿物油的抗磨及润滑等特性，同时又不会对环境造成污染，但在目前阶段仍然存在着一些问题，例如：

（1）低温问题

低温下许多以植物油作为基础油的环保型液压油会出现胶凝或固化现象。

（2）承载压力不能过高

目前，环保型液压油的工作压力一般不超过34.5MPa，如超过，则会对使用菜籽油的液压泵产生较大磨损，较大的承载工况甚至可把甘油三酸酯分解为酸，从而破坏泵内的有色金属。

（3）寿命问题

若暴露在光照下，环保型液压油会变黑，因为油中的光敏类脂类和脂肪材质会由于吸收紫外线而改变颜色。

但是，随着科学技术的进步，环保型液压油的性能必然会得到提高和改善，上述问题必将得到解决，环保型液压油的应用会越来越广泛。