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长源液压:张海平| “白话液压”之液压油

http://www.cm.hc360.com2018年08月07日13:58 来源:慧聪工程机械网T|T

这篇文章选自张海平博士即将出版的新书《白话液压》的章节。张博士以其深厚的液压理论功底、丰富的实践经验,在国内液压领域享有崇高的盛誉。

本文中,张博士深入浅出地介绍了液压介质的的种类、特点、应用及未来的发展方向;用通俗的语言、真实的案例向读者娓娓道来,读来生动有趣。

正文如下:

液压介质发展的历史

在液压技术中,用来作为传递压力的液体,统称为压力介质。早期的压力介质是水。液压的英语 hydraulics,在很多英汉词典中的解释就是水力学。

长源液压

在 1905 年前后发现,矿物油——石油分馏精炼得到的碳氢化合物,比水黏稠, 因此,泄漏少得多,润滑性好得多,工作压力可以大大提高。鲜有腐蚀金属件的问题。此外,由于矿物油的凝固点较水低得多、挥发点较水高得多,可以有更广的工作温度范围,所以,更适宜作为压力介质。因此,在很短时间内就被普遍采用了。当时还特别出现了“油压”一词,以强调区别于“水压”。

在 1905 年工作压力还仅为 4MPa,到了 1940 年,工作压力为 35MPa 的液压泵已系列生产。

长源液压

采用矿物油开创了现代液压技术。 目前,在液压系统中使用的压力介质,主要还是以矿物油为基体,约占 88%(壳牌 Shell 石油公司 2015 年统计),2016 年全世界消耗约 38 亿升液压油,约值 45 亿 美元。为叙述简便起见,本书一般情况下使用液压油或压力油泛指所有压力介质。在现代液压技术中,液压油起着多方面的作用,须满足多种要求与期望,因此,遇到了多种问题,研发出了多种应对措施。

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传递动力的媒介--液压油

传递动力是液压油最基本的任务。 要传递动力,液压油就必须流动。液压油流动,会导致压力的下降,简称压降,也称压力损失或压差。

以下分别介绍影响压力损失的一些因素。 

1.黏性

从一个瓶子里往外倒菜油、蜂蜜,会发觉,要比倒水明显来得慢,这是由于菜油、蜂蜜的黏性高于水。

液体的黏性来自液体分子之间的吸引力。

推动一块放在液体上面的板(下图),会感到有一些阻力。原因在于,由于黏性,最高层的液体会随着上板运动,而最底层的液体会由于下板的不动而保持不动。夹在其中的液体,就相互牵制着,不情愿但又多少得动一些。这就是阻力的来源。液体黏性越高,阻力就越大。

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液压技术中常用运动黏度来度量液体的黏性,单位为 mm²/s 厘斯。黏度加倍,意味着阻力加倍,压力损失加倍。

水的运动黏度约为 1mm²/s。 常用的液压油的运动黏度在40°C时为 32、46、64 mm²/s。

  • 黏温特性

矿物油的黏度会随温度变化:温度越低,黏度越高(见下表)。矿物油的牌号根据其 40°C 时的运动黏度而定。

表 3-1 矿物油在不同温度时的黏度 mm²/s

长源液压

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黏温特性曲线

据历史资料,二次大战时,纳粹德国的坦克都装有液压马达,操纵灵活,爬山涉水,挺进神速。进攻苏联是在 6 月 22 日开始的,短短两个多月,就已兵临莫斯科城 下。没料到冬天提前到来,气温骤降,液压油黏度陡增,以致坦克行动艰难,成为活靶子,最后兵败城下。由此可见,液压油的黏温特性也曾影响过历史进程,不可小觑。

以后的研究发现,添加少量高分子化合物可以改善矿物油的黏温特性。

  • 黏压特性

矿物油的黏度,不仅受温度影响,也随压力增加而增加。

因此,必须根据液压系统的环境温度、实际工作温度、压力、速度范围,选择恰当黏度的液压油。

  • 层流和紊流

如果注意观察从自来水龙头中流出的水(见下图),可以发觉,在流量较小时,水柱晶莹透亮,形状相对稳定;而流量增大以后,水柱就不再透亮了,似有多泡,形状湍动不安。前者被称为层流,后者被称为紊流。

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层流之所以看上去透明稳定,是因为液体的流速较低,液体分子团相互之间的吸 引力高于它们的惯性力,流动没有漩涡,因此稳定有序。

而当流量增大以后,流速增高,液体分子团的惯性力超过相互间的吸引力,分子 团各行其道,相互撞击,无稳定轨迹,就成为紊流。

在管道中,液体的流动也同样有层流a与紊流b之分(见下图)。

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层流时,压力损失较低,大致与平均流速成正比。 紊流时,由于分子团相互撞击严重,压力损失较高,大致与平均流速的平方成正比。

1.影响流态的因素 

影响流态的主要因素:黏度、流速、管径

黏度越低则分子团相互之间的吸引力越小,流速越高则惯性力越大,而管径越大,则液体流动时可依附的部分相对就少,流动越容易成为紊流。

2.流态的转变 

如果缓慢开大自来水开关,在层流转为紊流后,再缓慢关小开关,仔细观察,会发现,必须关到更小的开度,紊流才会回复为层流。这与日常生活经验相符:保持整齐不变为混乱易,而由混乱再恢复为整齐难。

也正是这点,给液压技术带来了最基本的不确定性。在层流和紊流时,压力损失与流量之间还有一个基本固定的关系。但在层流-紊流过渡区,就不能断定,流态是紊流还是层流,也就无法估算出压力损失。

  • 液流通道的形状根据对压力损失的影响,液流通道可分为以下两种类型

1.长通道,面积和形状没有突然改变,压力就逐渐下降,术语称沿程损失。这里,造成压力下降的主要原因是液体相互间,以及液体与管道壁的摩擦力。

因为管径越大,与管道壁发生摩擦的液体相对总量越少,所以,压降越小。 

2.通流面积或/和形状突然改变,如,小孔、弯头、管道分叉会合处等。在这些地方,由于液流方向改变,造成涡流、分子团相互撞击、重组,内耗严重,导致压力 明显下降,术语称局部损失。

液压油的其它作用与特性

1.润滑运动部件 

液压系统工作时总是会有相对运动的部件,术语称摩擦副。为了保证润滑,减少摩擦磨损,油的黏度必须保持在一定范围内。因为,黏度过 高,不易进入摩擦副之间;黏度过低,在摩擦副之间就停留不住,特别是在摩擦副承受很大压力、相互高速运动时(见下图)。

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一般较理想的工作黏度范围为 30~50mm²/s,随设备的结构类型不同而变,一般至少应该在 10~800mm²/s 之间。

2.保护与液压油接触的表面

一般而言,矿物油不会腐蚀金属,可以保护与之接触的金属表面。但液压油中的 水、空气会腐蚀金属。在有些应用场合,很难完全避免水进入液压油,例如一些船舶液压。加入弥散添 加剂(类似家用洗涤剂)后,在水含量不超过 5%时,都会自动形成细微的油包水的 乳化滴,从而不影响润滑膜的形成,也不会腐蚀金属。

在液压油中加入所谓消泡剂,可以提高其空气分离能力。 

3.散热

机械设备工作时不可避免会由于摩擦或液压油泄漏产生热,造成温度上升,对设备中的元件带来不利影响。因此,期望流动的液压油可以把这热量带走。从这点出发,希望液压油有好的导热性和高的热容量。可惜,在这方面,普通矿物油的能力只有水的一半。

4.带走杂质 

设备工作时部件难免会发生磨损,有剥落物。液压油的流动有利于带走杂质。

5.可压缩性

液体也是可压缩的。如果压力增高 40MPa,矿物油体积会缩小约 3%。 液体中混有的未溶解空气会增高液体的可压缩性。在正常大气压力条件下,液体中总含有一定量的溶解空气。而液体对空气的溶解能力,会随着压力和温度的下降而下降,已溶解的空气会释出,就会增加液体的可压缩性。

在高压力、大容量情况下用液体去驱动负载,就像用一根弹簧去推动一个物体,不易准确定位。

6.热胀冷缩

液体也会热胀冷缩

温度每上升 50°C,矿物油体积会膨胀约 3%。如果被密闭在一个容器里,无法膨胀,就会导致压力增高约 40MPa。这很可能损坏管道及液压件,所以必须有适当的预防措施。

7.工作持久性

液压油的价格,好的,每吨 3、4 万元,次的也在 1 万多元以上。所以,理想的是可以长期使用,终生不换。但不利影响是多方面的。

(1)化学不相容液压系统中的密封圈、软管等,含有天然或人造高分子材料。如果与液压油不相容,长期工作后就会发生侵蚀膨胀。

一般把密封圈、软管浸泡在热油中 24 小时,之后检测膨胀率。超过一定值,就认为化学不相容。

(2)气蚀

如在 1.2 节已提及,在封闭管道中,通流截面小处,流速高。在液体分子全都一心一意往前冲的时候,相互间,以及撞击管壁的力就会减小,宏观来说,就是压力降低。这也符合能量守恒定律,压力能转化为动能。因此,在流速增高 的地方,液体的压力会降低,甚至可能形成负压。手动喷雾器(见下图 ),一些抽真空机就是根据此原理工作的。

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在低压区,除了原先溶解的空气会分离出来外,甚至,液压油也会变为蒸气,出现气泡。混有气泡的液压油快速进入大截面区时,流速变慢,压力又会升高(见下图)。气泡被快速压缩爆炸,造成局部冲击力,使相接触的固体表面发生剥蚀,出现海绵状小孔(见图),这种现象被称为“气蚀”。气蚀会降低液压元件的使用寿命,也会加速油液老化发黑。

长源液压

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气蚀很难完全避免,只有设法减少。如,减少气体混入油中,避免让液流直接冲击固体表面,等等。

(3)老化矿物油,长期使用后,不仅黏度会下降,还会分泌出很黏稠的酸性、带负电荷的糊状沉积物,这种现象称老化。这种沉积物会堵塞液流通道,特别是在液压阀中,小的节流口处,使元件失效。而且一旦产生,很难清除。因此,是要尽力避免的。

1)造成老化的原因

a)氧化:矿物油是碳氢化合物,氧化后会形成酸酯。 

b)水解:酯遇水会分解。 

c)碳氢化合物受高压剪切会裂化。

d)聚合:碳氢化合物互联,形成大分子团。

2)影响老化过程的因素油液的老化程度一般可通过其酸性——中和数来判断。

a)油液中的气和水会加快老化(见下图)。

b)由灰尘等固体颗粒引起的污染,特别是金属(尤其是非金属)的催化作用,都会加速矿物油老化。

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c)高温也会加速老化。一般,在 70℃以上,温度每升高 10℃,老化速度便增加一倍。

d)高压也会加速老化。 在矿物油中加入某些化学物质——添加剂,可以改善油的物理、化学特性,如改善黏温特性,降低凝点,减小摩擦系数,阻碍泡沫产生并促使其破裂,减缓氧化,减 少对金属的锈蚀,等等。据此,液压油被分为:未加添加剂(H)、加有一般抗老化抗腐蚀添加剂(HL)、加有特殊的耐高压抗磨损添加剂(HM),等等。

因为加入了多种添加剂,现代液压油的特性与普通矿物油已有很大差别。因此, 根据应用场合选择合适的液压油,对于液压系统功能的正常发挥、可靠操作、工作持久性以及经济性,都是非常重要的。

新品种液压油的研发一直没有停顿。例如,力士乐在 2015 年提出了对液压油的新的要求 RDE90245。据壳牌公司 2017 年初报告,他们的 Tellus S2 MX 液压油率先满足了此要求。

难燃液

矿物油在自身温度超过 150°~180°C(术语称闪点)后会产生大量有害健康的油雾。如果遇到明火,还会燃烧。

在上世纪五十年代英国煤矿曾因为使用的矿物基液压油引发火灾,伤亡惨重,遂立法在矿井中禁止使用矿物油作为液压油。在国内,在本世纪也还曾发生过,投产才 几个月的轧钢流水线由于泄漏的矿物基液压油燃烧而被完全损毁。因此,在可能接触 炽热金属或明火的场合,例如,压铸机械、热锻压机械等,液压系统都应采用难燃液。

难燃液被分为以下几类。

1)HFA——以水为主的乳化液,可燃成份最多为 20%,实际一般在 1%~5%,也被 称为高水基液。有点类似牛奶。通常,水包油,看似均匀的液体。但如用离心机一 甩,就会分离出奶油来。

价格便宜,主要应用于开采业。 由于其大部分会挥发,因此泄漏到大地后危害也不大。 由于黏度很低,因而很易泄漏。因此,运动部件间的间隙必须很小。因此,液体必须很精细地过滤。 受水的凝点和挥发点的限制,工作温度只能在 5~50°C 之间。

由于含水多,会腐蚀金属,也容易滋生微生物。因此,还需要加入防锈防腐剂, 对水质要经常监测。

2)HFC——水乙二醇液,含水量为 35%~55%,可达到与矿物油相近黏度,工作温度在-20~60°C 之间。与大多数常用密封材料都相容,抗腐蚀能力强于 HFA。在采掘 机械、冶金设备和压铸机械中应用较多。

由于水容易挥发,在含水量低于 35%时液体的可燃性会大幅增加,所以必须经常 监测水含量。

3)HFD——无水合成液,如磷酸酯、氯化烃,或两者的混合物。 黏度与矿物油相近,耐磨性能好,抗老化能力高,能用于温度变化较大的场合。 与常用密封材料以及喷涂的表面不太相容。有毒,会危害生态环境。所以,现在应用渐少。

难燃液和矿物油在某些方面的性质差别很大。这常意味着,系统的工作参数(转速、压力等)必须降低,液压元件的使用寿命也会降低。

环保液 

由于矿物油等很难被微生物分解,甚至含有有毒物质,因此,对环境生态有危害。例如,一块土壤中一旦渗有矿物油,至少 3 年寸草不生。这点特别给移动液压设备的密封性带来严酷的挑战。

在上世纪七十年代石油危机时,芬兰等国就开始研究在液压系统中使用植物油代替矿物油。植物油虽然环保,泄漏到地上或水里,会被微生物分解(术语称:可生物快速降解),但也容易被氧化水解。后来找到了一些无毒的添加剂,可以一定程度地减缓植物油被氧化水解的速度,但又不影响其被微生物分解。然而,两棵树上的苹果都可能口味不同,不同植物中提取出来的油,特性也常有差别,这不利于工业液压系统的稳定性。

合成酯的化学结构与植物油相近,同样可生物快速降解,但抗氧化性能强得多。 而且因为是人工合成的,容易做到高纯度一致性。在农业机械、森林机械中已越来越多地被应用。但目前价格还较贵,约为矿物基液压油的两倍。研发探索还在进行中。 

清水 

这里的清水,指的是,作为压力介质,不含有增加黏度材料的水,包括自来水、 河水、海水。

清水,说起来有一系列优点:不可燃,无爆炸危险、卫生、环保、散热性能好, 价廉易得,后处理几乎不需要什么费用。但由于易挥发,工作温度受限制,对多种金属有腐蚀性,特别是黏度低,润滑性差,泄漏大,所以,其实并不是一种好的压力介质。

上世纪九十年代,由于发明了恰当的陶瓷加工工艺,制造出来的陶瓷零件对润滑要求较低。因此,清水液压又重获青睐。但至今,工作压力只能在 16MPa 以下。因 此,只是被用于一些有特殊要求的行业和场所,如食品、饮料、化妆品、粮食加工、 制药、医疗、造纸、文化娱乐、体育、办公室、家用机器人等,与矿物油并不形成竞争局面。

目前常说的“水液压”包括了高水基液体,即含有增加黏度的材料。虽然与清水 液压有些共同处,但也有很多不同处:易得性、卫生性、可应用场合、对液压元件的要求等等。所以,不应混淆两个概念。

此外,海水淡化、从油页岩中获取石油、水切割、内高压成型、汽车用薄板的清洁去皮等等,都必须使用高压水,且用量很大。虽然这些应用已不属于液压传动,但 从液压传动发展出来的技术与这些应用,也正相辅相成,互相推动。

责任编辑:时嘉

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