2 液压传动中的工作液体
工作液体是液压能的载体，其基本功能是进行能量的转换和传递。此外，它还对液压元件和系统进行润滑和冷却。
2.1液体的主要物理性质
2.1.1液体的压缩性
液体体积随作用压力的变化而体积发生相应变化的性质称为液体的压缩性。压缩性大小用压缩系数β表示，即
β=lim(
ΔV V Δp
) =-
1dV V dp
(Pa) (2-1)
-1
其平均值：
1V -V
β=-() （2-2）
V p /-p
/
式中： p 、p ′—压力（Pa ）；
V 、V ′—压力为p 和p ′的液体体积（m 3）；
dp —压力增量（Pa ）；
dV —压力增加到p + dp时的液体体积减少量（m 3）；
既然液体具有压缩性这一物理性质，那么当液体受到压缩时，它必然产生一种向外膨胀的力，当液体受到压缩时，所产生的这种向外膨胀的力，可以看成是一种弹性力，其大小用弹性系数K 来表示。
K =
1β=-V
dp d υ
（Pa ） （2-3）
2.1.2 粘性
“人往高处走，水往低处流”这一句古话。但水为什么往低处流呢？这是因为高处的水在重力的作用下，沿着水的表面方向产生了剪切力，破坏了水的静止状态，水在剪切力的作用下开始滑动，从而产生了水的流动。
水之所以流动，其原因是水对其剪切力的抗阻很小，即抵抗剪切力的能力很小。同样，其它液体也具有这种特性。
但是，如果把水和油放置在两个同样的流道中，会发现二者的流动速度是不同的，即二者流动的快慢程度不同。这说明二者承受切应力的能力是不同的。液体承受切应力大小的能力反映了液体的一种物理性质—粘性。即粘性是液体承受切应力大小的能力。
粘性是液体阻止自身发生剪切变形的一种特性，它存在于液体的内部。由于液体粘性的存在，液体在流动过程中，因克服自身的内摩擦力必然要做功。因此，液体的粘性是液体中产生机械能量损失的根源。
（1）牛顿内摩擦定律
F =±μA
du dy
(2-4)
令τ为单位面积上的内摩擦力，即内摩擦应力（或切应力），于是：
τ=
F A =±μ
du dy
(N/m2) (2-5)
式（2-4），（2-5）中的du /dy 称为速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率。 （2）动力粘度 式（2-4），（2-5）中的比例系数μ，它代表着液体的一种物理性质—粘性，称为动力粘度。它表示两层相距1m ，具有相对速度为1m /s 的相对滑动的液体，在其1m 2的接触面上所发生的内摩擦力的大小。其单位为N .s /m2。
（3）运动粘度
动力粘度与密度的比值，即运动粘度。运动粘度用υ表示： υ=
μρ
（m /s ） （2-6）
-6
2
液压油的牌号一般都以运动粘度 υ的10倍的运动粘度值来表示。比如：20号机械
-62
油，指的就是这种油在50℃时的运动粘度的平均值为20⨯10m /s 。
（4）相对粘度（条件粘度）
由于液体的动力粘度和运动粘度直接测量比较困难，因此，在工程上常采用另一种可用仪器直接测量的粘度表示方法，即相对粘度。各国采用的相对粘度的单位有所不同。我国同欧洲一些国家采用恩氏粘度E 。
恩氏粘度的测定方法是：在一定温度下，将200 mL的被测液体从恩氏粘度计流出所
液压传动中的工作质 7 需时间t 于同体积20℃下的蒸馏水从该恩氏粘度计中流出所需时间t B 之比称为恩氏粘度，用符号0E 表示。
0E =
t t B
（2-7）
一般均以50℃ 为测量时的标准温度，记符号0E 50。从上式看出，恩氏粘度只是一个
比值，没有因次。
恩氏粘度0E 与运动粘度 ν之间的换算关系为： ν=(0. 07310E -
0. 0731
-4
E
) ⨯10
(m 2/s ) （2-8）
（5）油液粘性与压力、温度的关系
一般而言，油液所受压力增大，其粘性变大。在压力不高且变化不大时，压力对粘性的影响可以忽略不计。在压力较高或变化较大时，需要考虑压力对粘性的影响。
油液粘性对温度十分敏感，当油液温度升高时，粘性下降。油液的粘度与温度之间的关系称为油液的粘温特性。一般可用粘温计算图、经验公式或粘度指数来描述粘温特性。
油液的动力粘度与压力、温度的关系可用如下公式表示： μ=μ0e
αp -λ(t -t 0)
（2-9）
2.2.1（1）表2-1粘度。
变化量越小。
（2）良好的抗磨性。
8 液压传动与控制
表2-1 液压泵的适用粘度与推荐用液压油牌号
抗磨性是指减少液压元件零部件磨损能力。因此希望工作介质的润滑性好，其抗磨性就愈好。但在工作介质的选用中，应首先满足系统要求—粘性的性能要求，即应兼顾两者的需要。
（3）抗氧化安定性好。
工作介质抵抗空气中氧的氧化作用的能力，称为抗氧化安定性。
工作介质在储运和使用过程中，与空气接触就会被氧化变质，其粘度发生变化，酸值也会增加，从而可能改变传动系统的工作性质，腐蚀液压元件。严重时，会造成一些粘稠的液态和固态物质，堵塞系统中的工作小孔和运动副间隙，加速零件磨损，破坏液压传动系统正常工作。
研究发现，工作介质的温度愈高，其氧化过程愈快。对于一般的液压系统，当采用矿物油类的工作介质时，其工作温度不应超过65℃，短期运转不得超过80℃；机床液压系统的工作温度一般为55℃。
国家专业标准ZBE 341014 规定了润滑油抗氧化安定性的测定方法。 （4）抗剪切安全性好。
工作介质通过液压元件内部时，由于受到运动零部件表面反复的剪切作用，其粘度与粘度指数都会下降，严重时会产生永久性下降，而使工作介质失去工作能力。工作介质抵抗剪切的能力称为抗剪切安全性好，用粘度下降的百分数来表示。它的测试方法可以参考ASTMD 2603中的规定。
（5）良好的防锈蚀性能
液压传动中的工作质 9 空气和水对液压元件都有锈蚀作用。锈蚀严重时，也会破坏系统的正常工作或损坏液压元件。但矿物油有防锈作用，在一定程度上能够延缓金属零部件的锈蚀过程。 （6）良好的抗乳化性
矿物油类工作介质工作过程中，在流动和液压元件的剧烈搅动下，可能与混入的水分形成乳化液。这种乳化液往往会促进工作介质变质，加速油液的挥发，生成腐蚀性的沉淀物，从而降低工作介质的润滑性能、防锈性和工作寿命。矿物油与水接触时，抵抗它们生成乳化液的能力，称为抗乳化性。
（7）抗泡沫性能好
是指当工作介质中混入气体时，气体不易生成微小气泡和泡沫，即使生成，也会很快逸出。实际的液压系统都设置排气装置。
（8）清净性好。
工作介质不清净含有两方面的内容：一是油液的能量污染，如：热能、电能和放射线等；二是油液的物质污染，如：固体颗粒、水、空气等。详见本章第三节。
（9）要与密封材料和涂料相容。
液压系统中使用的一些密封元件和涂料，都是由有机合成材料制成的，因此与工作介
10 液压传动与控制
HV 油可以作为它的代用品。
4) L —HV 液压油 本产品是在L —HM 油基础上改善了粘温特性的工作介质。具有防锈、抗氧化、抗磨性和很好的粘温特性。适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低、中、高液压系统和中等负荷的机械润滑部位。
5) L —HR 液压油 本产品是在L —HR 油基础上改善了粘温特性的工作介质。具有防锈、抗氧化和很好的粘温特性，适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低压系统和轻负荷的机械润滑部位。
6) L —HG 液压油 本产品是在L —HM 油基础上改善了粘—滑特性的工作介质。具有防锈、抗氧化、抗磨性和良好的粘温特性。适用于液压和导轨润滑系统的合用的机床。 （3）抗燃工作介质
抗燃工作介质即难燃液。目前我国常用的有四个品种。 1) L —HFAE 液压液 水包油型（O/W）乳化液。 通常矿物油和水是互不相溶解的，也很难混合，但当我们在矿物油中加入某些添加剂，经过处理后，它便能与水均匀混合，其中一种液体分散成直径为0.2~40μm 的微小液珠，均匀散布在另一种液体中，形成稳定的乳状混合液体，称为乳化液。
L —HFAE 液压液是一种高水基乳化液，通常含水80% 以上，其抗燃性好，价格便宜，但低温性、粘温性和润滑性较差。适用于煤矿液压支架的液压传动系统和其它不要求回收废液或对润滑性能要求较低，而对抗燃性要求较高的液压传动系统或机械部位。这种液体的工作温度为5~50℃。
2) L —HFB 液压液 油包水型（W/O）乳化液。 L —HFB 含矿物油60% 以上，其余为水和添加剂，其性质与组成的矿物油基本相同，但抗燃性有明显提高。其缺点是工作温度范围较小，一般为50~60℃。其适用于冶金、煤炭等行业的中、高压，高温和易燃环境中的液压传动系统。
3) L —HFC 液压液
本产品通常为含乙二醇或其他聚合物的水溶液，水—乙二醇溶液中，乙二醇含量高达50%。其低温性、粘温性、对橡胶的适应性和抗燃性都比较好，但润滑性差。适用于冶金和煤炭等行业的中、低压液压系统。工作温度可为-20~50℃。
4) L —HFDR 液压液
本产品通常为无水的各种磷酸酯作基础油加入各种添加剂制成。抗燃性好，但粘温性差。工作温度范围为-20~100℃ 。适用于冶金、火力发电等高温环境下工作的高压液压系统。其缺点是与普通的耐油橡胶和涂料不相容，液压系统中需使用价格昂贵的氟橡胶和硅橡胶密封件，以及环氧树脂基的涂料—喷涂液压元件的材料。
2.2.3选用工作介质的基本原则
正确选用工作介质，不仅可以保证液压传动系统的工作性能，而且可以提高它的可靠性和使用寿命，获得理想的经济效果。
选择工作介质就是确定给定的液压传动系统的工作介质的类型和规格，其中最为重要的一点是确定工作介质的粘度参数。
（1）正确选择工作介质的类型
首先必须了解各类工作介质的性能和适用范围。
液压传动中的工作质 11 其次根据液压传动系统的工作环境和载荷条件，选择工作介质的类型。例如：对于高温、热源或用火的工作环境应选择抗燃性好的工作介质；对于寒冷地区露天作业的设备，比如北方的汽车、铲雪车等应选择低温性好的工作介质；对于高压、高速的重载设备，大吨位的载重车、挖掘机应选择抗磨液压油。
第三注意兼顾液压传动系统的成本和工作介质的价格。例如：对于液压伺服系统，必须选择高清洁度的工作介质，并采取必要的措施加以保证。
（2）正确选择工作介质的粘度
在液压传动系统中，液压泵对工作介质的粘度最敏感，液压泵的最佳工作粘度，一般由试验决定。表2-1列出了常用液压泵各种相应的粘度数值和推荐用的工作介质。
2.3工作介质的污染及其控制
实践证明，工作介质污染是液压传动系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压传动系统的可靠性及元件的寿命。由于液压传动系统工作介质被污染，液压元件的实际使用寿命往往比设计寿命低的多。因此液压传动系统工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压传动系统可靠性及延长元件使用寿命的重要手段。
2.3.1污染物的种类及危害
液压传动系统中的污染物，是指包含在油液中的固体颗粒、水、空气、化学物质等杂物。工作介质被污染后，将对液压传动系统及元件产生不良后果甚至使整个系统瘫痪。固体颗粒使元件加速磨损，寿命缩短，性能下降，甚至使阀芯卡死，滤油器堵塞；空气的混入，有可能引起气蚀，降低工作介质的润滑性；水的侵入加速油液的氧化，并和添加剂作用产生粘性物质。
2.3.2污染的原因
工作介质遭受污染的原因是很复杂的，污染物来源如表2-2所示。
2.3.3污染的测定
工作介质的污染度是指单位容积工作介质中固体颗粒污染物的含量。污染度测定有以下两种方法。
（1）称重法 把100mL 的工作样品进行真空过滤并烘干后，在精密天平上称出颗粒的重量，按标准定出污染等级。此法设备简单，操作方便，重复精度高。但只能表示工作介质中颗粒污染物的总量，不能反映颗粒尺寸的大小及分布情况。适用于工作介质日常性的质量管理场合。
（2）颗粒计数法
是测定单位容积工作介质中含有某给定尺寸范围的颗粒数。其测定方法有以下两种： 1）显微镜颗粒计数法：将100mL 的工作样品进行真空过滤，并把得到的颗粒进行溶剂处理后，放在显微镜下，找出其尺寸大小及数量，然后依标准确定工作介质的污染度。此法的优点是能直接看到颗粒的种类、大小及数量，从而推定污染的原因；缺点是时间长、
12 液压传动与控制
劳动强度大，精度低，且要求熟练的操作技巧。
2）自动颗粒计数法：利用光源照射工作介质样品时，根据工作液中颗粒在光电传感器上投影所发出的脉冲信号来测定油液的污染度。由于信号的强弱和多少与颗粒的大小和数量有关，将测得的信号与标准颗粒产生的信号相比较，即可算出工作介质样品中颗粒的大小与数量。此法能自动计数、简便、迅速、精确，可以及时从高压管道中抽样测定，因此得到了广泛的应用。但此法不能直接观察到污染颗粒本身。
2.3.4 污染度的等级
我国国家标准GB/T14039—93（与国家标准ISO 4406相同）规定，污染等级代号由用斜线隔开的两个标号组成：前面的标号表示1mL 工作介质中大于5μm的颗粒数, 后面的标号表示1mL 工作介质中大于15μm的颗粒数。颗粒数与其标号的对应关系如表2-3所示。例如：等级代号18/13表示在1mL 给定工作介质中大于5μm的颗粒数量在>1300~2500个之间，大于15μm 的颗粒数量在>40~80个之间。这种双标号表示法说明了实质性的工程问题，是很科学的方法，因为5μm 左右的颗粒对堵塞元件缝隙的危害最大，而大于15μm的颗粒对元件的磨损作用最为显著，所以用它们来反映工作介质的污染度最为合适。因而工程上普遍采用这种标准。
表2-3 工作介质中固体颗粒数与标号的对应关系（GB/T 14039—93）
美国污染度等级标准NAS 1638如表2-4所示。以颗粒浓度为基础，按100mL 工作介质中在给定的5个颗粒尺寸区间内的最大允许颗粒划分为14个等级，最清洁的为00级，污染最严重的为12级。
表2-4
美国污染度等级标准NAS 1638（100mL 液压油液中颗粒数）
13表2-5 为典型液压传动系统允许的污染等级范围。
表2-5 典型液压传动系统允许的污染等级范围
2.3.5工作介质的污染控制
工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生赃物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压传动系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度以内是较为切实可行的办法。
为了减少工作介质的污染，常采取如下一些措施： 对元件和系统进行清洗，清除在加工和组装过程残留的污染物。液压元件在加工的每道工序后都应净化，装配后经严格的清洗。
（1）液压传动系统在组装前，油箱和管道必须清洗。用机械方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。液压传动系统在组装后进行全面的清洗，最好用液压传动系统工作时使用的工作介质清洗，不可用煤油。清洗时除油箱的通气孔（加防尘罩）外须全部密封。清洗时应尽可能加大流量，有可能时并采用热油冲洗。机械油在80℃时的粘度为其25°C 时的1/8，因此80℃的热机械油能冲掉许多25℃的机械油冲不掉的污物。系统在冲洗时须装设高效率滤油器，同时使元件动作，并用铜锤敲打焊口和连接部位。
（2）防止污染物从外界侵入。工作介质在工作过程中会受到环境污染，因此可在油箱呼吸孔上装设高效的空气滤清器或采用密封油箱，防止尘土，磨料和冷却物的侵入。工作介质在运输和保管过程中会受到污染，买来的工作介质必须静放数天，然后通过滤油器注入液压传动系统。另外，对活塞杆端应装防尘密封，经常检查并定期更换。
（3）采用合适的过滤器。这是控制工作介质污染度的重要手段，应根据液压传动系统的不同情况选用不同过滤精度，不同结构的过滤器，并定期检查和清洗。
14 液压传动与控制
（4）控制工作介质的温度。工作介质工作温度过高对液压装置不利，工作介质本身也会加速氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。一般液压传动系统的工作温度最好控制在65℃以下，机床液压传动系统还应该更低一些。
（5）定期检查和更换工作介质。每隔一定时间，对液压传动系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度是否还在该液压传动系统容许的使用范围之内。如已经不合要求，必须立即更换。不应在工作介质污染到使液压传动系统工作出现故障时才更换。在更换新工作介质前，整个液压传动系统必须清洗一次。
2.4 液压冲击与气穴现象
2.4.1液压冲击
在液压系统中，由于某种原因使液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。
(p 0+递。
+υ00原理，则液体也以同样大小的力作用于阀门，使得阀门附近压力骤然升高到p 0+△p 。于是在管流m-n 段上产生了两种变形—水的压缩和管壁的胀大。当靠近阀门的第一层水停止运动后，第二层以后的各层都相继地停止下来，直到靠近水池的M -M 层为止。水流速度υ0与动量相继减小必然引起压强的相继增高，出现了全管液体暂时的静止受压和整个管壁被胀大的状态。
以c 表示水击波的传递速度，l 表示水管长度，则经过时间t=l/c 后，自阀门开始的水击波便传到了水池，这时管内的全部液体便处在p 0+△p 作用下的受压缩状态。
第二阶段，常压p 0弹性波自水池向阀门传递。
由于水池中压强不变，在管路进口M -M 处的液体，便在管中水击压强与水池静压强
液压传动中的工作质 15 的压差△p 作用下，以-υ0立即向着水池方向流去。这样管中水受压缩的状态，便自进口
M -M 处开始以波速c 向下游方向逐层地迅速解除，这就是从水池反射回来的常压p 0弹性波。当t=4l /c 时，整个管中水流恢复到正常压强p 0，而且都具有向水池方向的流动速度-υ0。
第三阶段，低压（p 0-△p ）弹性波由阀门处向水波方向传递。
当阀门处的压强恢复到常压p 0后，由于液体运动的惯性作用，管中的液体仍然往水池方向流去，致使阀门处的压强急剧降低到常压之下p 0-△p ，并使将m-m 段液体停止下来。
这一低压p 0-△p 弹性波由阀门处又以波速 c 向上游进口M -M 处传递，直到时间t=3l /c 后传到水池口为止，此时管中液体便处在瞬时减压p 0-△p 的静压状态。
第四阶段, 自水池第二次反射回的常压力p 0弹性波向阀门方向传递。
由于进口M -M 处，水池压强为p 0，而水管压强为p 0-△p ，则在压差的作用下，水又开始从水池以+υ0流向管路。管中的水又逐层获得向阀门方向的速度+υ0，压强也相应地
逐层升到常压力p 0，这是自水池第二次反射回的常压p 0弹性波。当t=4l /c 时，阀门处的压强也恢复到正常压强p 0，此时水流恢复到水击未发生的起始正常状态。
（2图油口T 一段距离Δp =式中：k —液体的体积弹性系数；
V —回油腔中被封闭的油液容积；
υ0—运动部件制动前的速度；
M —运动部件的总质量。
2.4.2 气穴与气蚀现象
气体常常以混入和溶解两种形式侵入液体内。混入液体中的气体，大多以0.25～0.5mm 直径的气泡悬浮于其中，呈游离状态。溶解于液体中的气体溶解量与其绝对压力成正比。常温常压下液体中空气溶解量约占总体积的6～12%。
16 液压传动与控制
（1）气穴现象
液压传动中的工作液体里的空气溶解量都按一个大气压时的溶解量考虑。当压力小于一个大气压时，溶解于液体中的空气处于过饱和状态，过饱和的空气将从液体中分离出来形成气泡。在液流中，由于压力降低，致使有气泡形成的现象统称为气穴现象。
当压力降到一定值，液体中形成一定体积的气泡，它是以微细气泡为核，体积膨胀并相互聚合，这种现象称为轻微气穴。
压力降到空气分离压时，除有上述现象外，原来溶解于液体中的空气游离出来，产生大量气泡，这种现象称为严重气穴。
压力继续降低到相应温度液体的饱和蒸汽压时，上述现象不但要继续加重，而且油液将会沸腾、汽化，产生大量气泡，使得油液变成混有许多气泡的不连续的状态，这种现象称为强烈气穴。
（2）气蚀现象
液压系统产生气穴后，气泡随着流动的液体被带到高压区时，气泡体积急剧缩小或溃灭，并又重新混入或溶于油液中凝结成液体，使局部形成真空，周围的液体质点就会以高速填补这一空间，液体质点互相碰撞而产生局部高温和高压，产生液压冲击，并伴有噪音和振动。如果反复的液压冲击和高温作用于固体壁面上，可引起固体壁面的氧化腐蚀，并产生剥落破坏，这种因气穴现象而产生的零件剥蚀现象称为气蚀现象。气蚀现象的产生会大大缩短液压元件的使用寿命，恶化系统的工作性能，因此必须防止其发生。
思考题与习题
2-1 说明工作介质在液压传动系统的作用。
2-2 粘度有几种表示方法？它们之间的关系如何？
2-3 什么是乳化液？其有哪些类型？各自的特点如何？
2-4 对液压工作介质有哪些基本要求？试说明理由。
2-5 在矿物油类工作介质中，有几种常用的工作介质？它们的性能和适用范围如何？ 2-6 什么液压工作介质的粘温特性？用什么指标来表示？
2-7 液压工作介质中的污染物是如何产生的？
2-8 为了减少液压工作介质的污染，应采取哪些措施？
2-9 什么是气蚀现象？它有哪些危害？
2-10 什么是液压冲击？举例说明其产生的过程。
2 液压传动中的工作液体
工作液体是液压能的载体，其基本功能是进行能量的转换和传递。此外，它还对液压元件和系统进行润滑和冷却。
2.1液体的主要物理性质
2.1.1液体的压缩性
液体体积随作用压力的变化而体积发生相应变化的性质称为液体的压缩性。压缩性大小用压缩系数β表示，即
β=lim(
ΔV V Δp
) =-
1dV V dp
(Pa) (2-1)
-1
其平均值：
1V -V
β=-() （2-2）
V p /-p
/
式中： p 、p ′—压力（Pa ）；
V 、V ′—压力为p 和p ′的液体体积（m 3）；
dp —压力增量（Pa ）；
dV —压力增加到p + dp时的液体体积减少量（m 3）；
既然液体具有压缩性这一物理性质，那么当液体受到压缩时，它必然产生一种向外膨胀的力，当液体受到压缩时，所产生的这种向外膨胀的力，可以看成是一种弹性力，其大小用弹性系数K 来表示。
K =
1β=-V
dp d υ
（Pa ） （2-3）
2.1.2 粘性
“人往高处走，水往低处流”这一句古话。但水为什么往低处流呢？这是因为高处的水在重力的作用下，沿着水的表面方向产生了剪切力，破坏了水的静止状态，水在剪切力的作用下开始滑动，从而产生了水的流动。
水之所以流动，其原因是水对其剪切力的抗阻很小，即抵抗剪切力的能力很小。同样，其它液体也具有这种特性。
但是，如果把水和油放置在两个同样的流道中，会发现二者的流动速度是不同的，即二者流动的快慢程度不同。这说明二者承受切应力的能力是不同的。液体承受切应力大小的能力反映了液体的一种物理性质—粘性。即粘性是液体承受切应力大小的能力。
粘性是液体阻止自身发生剪切变形的一种特性，它存在于液体的内部。由于液体粘性的存在，液体在流动过程中，因克服自身的内摩擦力必然要做功。因此，液体的粘性是液体中产生机械能量损失的根源。
（1）牛顿内摩擦定律
F =±μA
du dy
(2-4)
令τ为单位面积上的内摩擦力，即内摩擦应力（或切应力），于是：
τ=
F A =±μ
du dy
(N/m2) (2-5)
式（2-4），（2-5）中的du /dy 称为速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率。 （2）动力粘度 式（2-4），（2-5）中的比例系数μ，它代表着液体的一种物理性质—粘性，称为动力粘度。它表示两层相距1m ，具有相对速度为1m /s 的相对滑动的液体，在其1m 2的接触面上所发生的内摩擦力的大小。其单位为N .s /m2。
（3）运动粘度
动力粘度与密度的比值，即运动粘度。运动粘度用υ表示： υ=
μρ
（m /s ） （2-6）
-6
2
液压油的牌号一般都以运动粘度 υ的10倍的运动粘度值来表示。比如：20号机械
-62
油，指的就是这种油在50℃时的运动粘度的平均值为20⨯10m /s 。
（4）相对粘度（条件粘度）
由于液体的动力粘度和运动粘度直接测量比较困难，因此，在工程上常采用另一种可用仪器直接测量的粘度表示方法，即相对粘度。各国采用的相对粘度的单位有所不同。我国同欧洲一些国家采用恩氏粘度E 。
恩氏粘度的测定方法是：在一定温度下，将200 mL的被测液体从恩氏粘度计流出所
液压传动中的工作质 7 需时间t 于同体积20℃下的蒸馏水从该恩氏粘度计中流出所需时间t B 之比称为恩氏粘度，用符号0E 表示。
0E =
t t B
（2-7）
一般均以50℃ 为测量时的标准温度，记符号0E 50。从上式看出，恩氏粘度只是一个
比值，没有因次。
恩氏粘度0E 与运动粘度 ν之间的换算关系为： ν=(0. 07310E -
0. 0731
-4
E
) ⨯10
(m 2/s ) （2-8）
（5）油液粘性与压力、温度的关系
一般而言，油液所受压力增大，其粘性变大。在压力不高且变化不大时，压力对粘性的影响可以忽略不计。在压力较高或变化较大时，需要考虑压力对粘性的影响。
油液粘性对温度十分敏感，当油液温度升高时，粘性下降。油液的粘度与温度之间的关系称为油液的粘温特性。一般可用粘温计算图、经验公式或粘度指数来描述粘温特性。
油液的动力粘度与压力、温度的关系可用如下公式表示： μ=μ0e
αp -λ(t -t 0)
（2-9）
2.2.1（1）表2-1粘度。
变化量越小。
（2）良好的抗磨性。
8 液压传动与控制
表2-1 液压泵的适用粘度与推荐用液压油牌号
抗磨性是指减少液压元件零部件磨损能力。因此希望工作介质的润滑性好，其抗磨性就愈好。但在工作介质的选用中，应首先满足系统要求—粘性的性能要求，即应兼顾两者的需要。
（3）抗氧化安定性好。
工作介质抵抗空气中氧的氧化作用的能力，称为抗氧化安定性。
工作介质在储运和使用过程中，与空气接触就会被氧化变质，其粘度发生变化，酸值也会增加，从而可能改变传动系统的工作性质，腐蚀液压元件。严重时，会造成一些粘稠的液态和固态物质，堵塞系统中的工作小孔和运动副间隙，加速零件磨损，破坏液压传动系统正常工作。
研究发现，工作介质的温度愈高，其氧化过程愈快。对于一般的液压系统，当采用矿物油类的工作介质时，其工作温度不应超过65℃，短期运转不得超过80℃；机床液压系统的工作温度一般为55℃。
国家专业标准ZBE 341014 规定了润滑油抗氧化安定性的测定方法。 （4）抗剪切安全性好。
工作介质通过液压元件内部时，由于受到运动零部件表面反复的剪切作用，其粘度与粘度指数都会下降，严重时会产生永久性下降，而使工作介质失去工作能力。工作介质抵抗剪切的能力称为抗剪切安全性好，用粘度下降的百分数来表示。它的测试方法可以参考ASTMD 2603中的规定。
（5）良好的防锈蚀性能
液压传动中的工作质 9 空气和水对液压元件都有锈蚀作用。锈蚀严重时，也会破坏系统的正常工作或损坏液压元件。但矿物油有防锈作用，在一定程度上能够延缓金属零部件的锈蚀过程。 （6）良好的抗乳化性
矿物油类工作介质工作过程中，在流动和液压元件的剧烈搅动下，可能与混入的水分形成乳化液。这种乳化液往往会促进工作介质变质，加速油液的挥发，生成腐蚀性的沉淀物，从而降低工作介质的润滑性能、防锈性和工作寿命。矿物油与水接触时，抵抗它们生成乳化液的能力，称为抗乳化性。
（7）抗泡沫性能好
是指当工作介质中混入气体时，气体不易生成微小气泡和泡沫，即使生成，也会很快逸出。实际的液压系统都设置排气装置。
（8）清净性好。
工作介质不清净含有两方面的内容：一是油液的能量污染，如：热能、电能和放射线等；二是油液的物质污染，如：固体颗粒、水、空气等。详见本章第三节。
（9）要与密封材料和涂料相容。
液压系统中使用的一些密封元件和涂料，都是由有机合成材料制成的，因此与工作介
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HV 油可以作为它的代用品。
4) L —HV 液压油 本产品是在L —HM 油基础上改善了粘温特性的工作介质。具有防锈、抗氧化、抗磨性和很好的粘温特性。适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低、中、高液压系统和中等负荷的机械润滑部位。
5) L —HR 液压油 本产品是在L —HR 油基础上改善了粘温特性的工作介质。具有防锈、抗氧化和很好的粘温特性，适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣的低压系统和轻负荷的机械润滑部位。
6) L —HG 液压油 本产品是在L —HM 油基础上改善了粘—滑特性的工作介质。具有防锈、抗氧化、抗磨性和良好的粘温特性。适用于液压和导轨润滑系统的合用的机床。 （3）抗燃工作介质
抗燃工作介质即难燃液。目前我国常用的有四个品种。 1) L —HFAE 液压液 水包油型（O/W）乳化液。 通常矿物油和水是互不相溶解的，也很难混合，但当我们在矿物油中加入某些添加剂，经过处理后，它便能与水均匀混合，其中一种液体分散成直径为0.2~40μm 的微小液珠，均匀散布在另一种液体中，形成稳定的乳状混合液体，称为乳化液。
L —HFAE 液压液是一种高水基乳化液，通常含水80% 以上，其抗燃性好，价格便宜，但低温性、粘温性和润滑性较差。适用于煤矿液压支架的液压传动系统和其它不要求回收废液或对润滑性能要求较低，而对抗燃性要求较高的液压传动系统或机械部位。这种液体的工作温度为5~50℃。
2) L —HFB 液压液 油包水型（W/O）乳化液。 L —HFB 含矿物油60% 以上，其余为水和添加剂，其性质与组成的矿物油基本相同，但抗燃性有明显提高。其缺点是工作温度范围较小，一般为50~60℃。其适用于冶金、煤炭等行业的中、高压，高温和易燃环境中的液压传动系统。
3) L —HFC 液压液
本产品通常为含乙二醇或其他聚合物的水溶液，水—乙二醇溶液中，乙二醇含量高达50%。其低温性、粘温性、对橡胶的适应性和抗燃性都比较好，但润滑性差。适用于冶金和煤炭等行业的中、低压液压系统。工作温度可为-20~50℃。
4) L —HFDR 液压液
本产品通常为无水的各种磷酸酯作基础油加入各种添加剂制成。抗燃性好，但粘温性差。工作温度范围为-20~100℃ 。适用于冶金、火力发电等高温环境下工作的高压液压系统。其缺点是与普通的耐油橡胶和涂料不相容，液压系统中需使用价格昂贵的氟橡胶和硅橡胶密封件，以及环氧树脂基的涂料—喷涂液压元件的材料。
2.2.3选用工作介质的基本原则
正确选用工作介质，不仅可以保证液压传动系统的工作性能，而且可以提高它的可靠性和使用寿命，获得理想的经济效果。
选择工作介质就是确定给定的液压传动系统的工作介质的类型和规格，其中最为重要的一点是确定工作介质的粘度参数。
（1）正确选择工作介质的类型
首先必须了解各类工作介质的性能和适用范围。
液压传动中的工作质 11 其次根据液压传动系统的工作环境和载荷条件，选择工作介质的类型。例如：对于高温、热源或用火的工作环境应选择抗燃性好的工作介质；对于寒冷地区露天作业的设备，比如北方的汽车、铲雪车等应选择低温性好的工作介质；对于高压、高速的重载设备，大吨位的载重车、挖掘机应选择抗磨液压油。
第三注意兼顾液压传动系统的成本和工作介质的价格。例如：对于液压伺服系统，必须选择高清洁度的工作介质，并采取必要的措施加以保证。
（2）正确选择工作介质的粘度
在液压传动系统中，液压泵对工作介质的粘度最敏感，液压泵的最佳工作粘度，一般由试验决定。表2-1列出了常用液压泵各种相应的粘度数值和推荐用的工作介质。
2.3工作介质的污染及其控制
实践证明，工作介质污染是液压传动系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压传动系统的可靠性及元件的寿命。由于液压传动系统工作介质被污染，液压元件的实际使用寿命往往比设计寿命低的多。因此液压传动系统工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压传动系统可靠性及延长元件使用寿命的重要手段。
2.3.1污染物的种类及危害
液压传动系统中的污染物，是指包含在油液中的固体颗粒、水、空气、化学物质等杂物。工作介质被污染后，将对液压传动系统及元件产生不良后果甚至使整个系统瘫痪。固体颗粒使元件加速磨损，寿命缩短，性能下降，甚至使阀芯卡死，滤油器堵塞；空气的混入，有可能引起气蚀，降低工作介质的润滑性；水的侵入加速油液的氧化，并和添加剂作用产生粘性物质。
2.3.2污染的原因
工作介质遭受污染的原因是很复杂的，污染物来源如表2-2所示。
2.3.3污染的测定
工作介质的污染度是指单位容积工作介质中固体颗粒污染物的含量。污染度测定有以下两种方法。
（1）称重法 把100mL 的工作样品进行真空过滤并烘干后，在精密天平上称出颗粒的重量，按标准定出污染等级。此法设备简单，操作方便，重复精度高。但只能表示工作介质中颗粒污染物的总量，不能反映颗粒尺寸的大小及分布情况。适用于工作介质日常性的质量管理场合。
（2）颗粒计数法
是测定单位容积工作介质中含有某给定尺寸范围的颗粒数。其测定方法有以下两种： 1）显微镜颗粒计数法：将100mL 的工作样品进行真空过滤，并把得到的颗粒进行溶剂处理后，放在显微镜下，找出其尺寸大小及数量，然后依标准确定工作介质的污染度。此法的优点是能直接看到颗粒的种类、大小及数量，从而推定污染的原因；缺点是时间长、
12 液压传动与控制
劳动强度大，精度低，且要求熟练的操作技巧。
2）自动颗粒计数法：利用光源照射工作介质样品时，根据工作液中颗粒在光电传感器上投影所发出的脉冲信号来测定油液的污染度。由于信号的强弱和多少与颗粒的大小和数量有关，将测得的信号与标准颗粒产生的信号相比较，即可算出工作介质样品中颗粒的大小与数量。此法能自动计数、简便、迅速、精确，可以及时从高压管道中抽样测定，因此得到了广泛的应用。但此法不能直接观察到污染颗粒本身。
2.3.4 污染度的等级
我国国家标准GB/T14039—93（与国家标准ISO 4406相同）规定，污染等级代号由用斜线隔开的两个标号组成：前面的标号表示1mL 工作介质中大于5μm的颗粒数, 后面的标号表示1mL 工作介质中大于15μm的颗粒数。颗粒数与其标号的对应关系如表2-3所示。例如：等级代号18/13表示在1mL 给定工作介质中大于5μm的颗粒数量在>1300~2500个之间，大于15μm 的颗粒数量在>40~80个之间。这种双标号表示法说明了实质性的工程问题，是很科学的方法，因为5μm 左右的颗粒对堵塞元件缝隙的危害最大，而大于15μm的颗粒对元件的磨损作用最为显著，所以用它们来反映工作介质的污染度最为合适。因而工程上普遍采用这种标准。
表2-3 工作介质中固体颗粒数与标号的对应关系（GB/T 14039—93）
美国污染度等级标准NAS 1638如表2-4所示。以颗粒浓度为基础，按100mL 工作介质中在给定的5个颗粒尺寸区间内的最大允许颗粒划分为14个等级，最清洁的为00级，污染最严重的为12级。
表2-4
美国污染度等级标准NAS 1638（100mL 液压油液中颗粒数）
13表2-5 为典型液压传动系统允许的污染等级范围。
表2-5 典型液压传动系统允许的污染等级范围
2.3.5工作介质的污染控制
工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生赃物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压传动系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度以内是较为切实可行的办法。
为了减少工作介质的污染，常采取如下一些措施： 对元件和系统进行清洗，清除在加工和组装过程残留的污染物。液压元件在加工的每道工序后都应净化，装配后经严格的清洗。
（1）液压传动系统在组装前，油箱和管道必须清洗。用机械方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。液压传动系统在组装后进行全面的清洗，最好用液压传动系统工作时使用的工作介质清洗，不可用煤油。清洗时除油箱的通气孔（加防尘罩）外须全部密封。清洗时应尽可能加大流量，有可能时并采用热油冲洗。机械油在80℃时的粘度为其25°C 时的1/8，因此80℃的热机械油能冲掉许多25℃的机械油冲不掉的污物。系统在冲洗时须装设高效率滤油器，同时使元件动作，并用铜锤敲打焊口和连接部位。
（2）防止污染物从外界侵入。工作介质在工作过程中会受到环境污染，因此可在油箱呼吸孔上装设高效的空气滤清器或采用密封油箱，防止尘土，磨料和冷却物的侵入。工作介质在运输和保管过程中会受到污染，买来的工作介质必须静放数天，然后通过滤油器注入液压传动系统。另外，对活塞杆端应装防尘密封，经常检查并定期更换。
（3）采用合适的过滤器。这是控制工作介质污染度的重要手段，应根据液压传动系统的不同情况选用不同过滤精度，不同结构的过滤器，并定期检查和清洗。
14 液压传动与控制
（4）控制工作介质的温度。工作介质工作温度过高对液压装置不利，工作介质本身也会加速氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。一般液压传动系统的工作温度最好控制在65℃以下，机床液压传动系统还应该更低一些。
（5）定期检查和更换工作介质。每隔一定时间，对液压传动系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度是否还在该液压传动系统容许的使用范围之内。如已经不合要求，必须立即更换。不应在工作介质污染到使液压传动系统工作出现故障时才更换。在更换新工作介质前，整个液压传动系统必须清洗一次。
2.4 液压冲击与气穴现象
2.4.1液压冲击
在液压系统中，由于某种原因使液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。
(p 0+递。
+υ00原理，则液体也以同样大小的力作用于阀门，使得阀门附近压力骤然升高到p 0+△p 。于是在管流m-n 段上产生了两种变形—水的压缩和管壁的胀大。当靠近阀门的第一层水停止运动后，第二层以后的各层都相继地停止下来，直到靠近水池的M -M 层为止。水流速度υ0与动量相继减小必然引起压强的相继增高，出现了全管液体暂时的静止受压和整个管壁被胀大的状态。
以c 表示水击波的传递速度，l 表示水管长度，则经过时间t=l/c 后，自阀门开始的水击波便传到了水池，这时管内的全部液体便处在p 0+△p 作用下的受压缩状态。
第二阶段，常压p 0弹性波自水池向阀门传递。
由于水池中压强不变，在管路进口M -M 处的液体，便在管中水击压强与水池静压强
液压传动中的工作质 15 的压差△p 作用下，以-υ0立即向着水池方向流去。这样管中水受压缩的状态，便自进口
M -M 处开始以波速c 向下游方向逐层地迅速解除，这就是从水池反射回来的常压p 0弹性波。当t=4l /c 时，整个管中水流恢复到正常压强p 0，而且都具有向水池方向的流动速度-υ0。
第三阶段，低压（p 0-△p ）弹性波由阀门处向水波方向传递。
当阀门处的压强恢复到常压p 0后，由于液体运动的惯性作用，管中的液体仍然往水池方向流去，致使阀门处的压强急剧降低到常压之下p 0-△p ，并使将m-m 段液体停止下来。
这一低压p 0-△p 弹性波由阀门处又以波速 c 向上游进口M -M 处传递，直到时间t=3l /c 后传到水池口为止，此时管中液体便处在瞬时减压p 0-△p 的静压状态。
第四阶段, 自水池第二次反射回的常压力p 0弹性波向阀门方向传递。
由于进口M -M 处，水池压强为p 0，而水管压强为p 0-△p ，则在压差的作用下，水又开始从水池以+υ0流向管路。管中的水又逐层获得向阀门方向的速度+υ0，压强也相应地
逐层升到常压力p 0，这是自水池第二次反射回的常压p 0弹性波。当t=4l /c 时，阀门处的压强也恢复到正常压强p 0，此时水流恢复到水击未发生的起始正常状态。
（2图油口T 一段距离Δp =式中：k —液体的体积弹性系数；
V —回油腔中被封闭的油液容积；
υ0—运动部件制动前的速度；
M —运动部件的总质量。
2.4.2 气穴与气蚀现象
气体常常以混入和溶解两种形式侵入液体内。混入液体中的气体，大多以0.25～0.5mm 直径的气泡悬浮于其中，呈游离状态。溶解于液体中的气体溶解量与其绝对压力成正比。常温常压下液体中空气溶解量约占总体积的6～12%。
16 液压传动与控制
（1）气穴现象
液压传动中的工作液体里的空气溶解量都按一个大气压时的溶解量考虑。当压力小于一个大气压时，溶解于液体中的空气处于过饱和状态，过饱和的空气将从液体中分离出来形成气泡。在液流中，由于压力降低，致使有气泡形成的现象统称为气穴现象。
当压力降到一定值，液体中形成一定体积的气泡，它是以微细气泡为核，体积膨胀并相互聚合，这种现象称为轻微气穴。
压力降到空气分离压时，除有上述现象外，原来溶解于液体中的空气游离出来，产生大量气泡，这种现象称为严重气穴。
压力继续降低到相应温度液体的饱和蒸汽压时，上述现象不但要继续加重，而且油液将会沸腾、汽化，产生大量气泡，使得油液变成混有许多气泡的不连续的状态，这种现象称为强烈气穴。
（2）气蚀现象
液压系统产生气穴后，气泡随着流动的液体被带到高压区时，气泡体积急剧缩小或溃灭，并又重新混入或溶于油液中凝结成液体，使局部形成真空，周围的液体质点就会以高速填补这一空间，液体质点互相碰撞而产生局部高温和高压，产生液压冲击，并伴有噪音和振动。如果反复的液压冲击和高温作用于固体壁面上，可引起固体壁面的氧化腐蚀，并产生剥落破坏，这种因气穴现象而产生的零件剥蚀现象称为气蚀现象。气蚀现象的产生会大大缩短液压元件的使用寿命，恶化系统的工作性能，因此必须防止其发生。
思考题与习题
2-1 说明工作介质在液压传动系统的作用。
2-2 粘度有几种表示方法？它们之间的关系如何？
2-3 什么是乳化液？其有哪些类型？各自的特点如何？
2-4 对液压工作介质有哪些基本要求？试说明理由。
2-5 在矿物油类工作介质中，有几种常用的工作介质？它们的性能和适用范围如何？ 2-6 什么液压工作介质的粘温特性？用什么指标来表示？
2-7 液压工作介质中的污染物是如何产生的？
2-8 为了减少液压工作介质的污染，应采取哪些措施？
2-9 什么是气蚀现象？它有哪些危害？
2-10 什么是液压冲击？举例说明其产生的过程。