液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)課件：液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)分析

液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)分析任務(wù)一液壓工作介質(zhì)的性任務(wù)二液壓油的類(lèi)型、要求與選用任務(wù)三液壓油的污染與控制

知識(shí)目標(biāo):

1.掌握液壓油的性質(zhì),特別是黏度及其表示方法。

2.掌握液壓油的類(lèi)型、對(duì)液壓油的要求、選用液壓油的原則及方法。

3.掌握液壓油污染的原因和控制污染的方法。

技能目標(biāo):

1.能認(rèn)識(shí)常用的液壓油。

2.根據(jù)工作條件,能正確選用液壓油。

3.能分析YT4543型動(dòng)力滑臺(tái)液壓系統(tǒng)的液壓油類(lèi)型及防污染措施。

4.通過(guò)完成上述任務(wù),能夠自覺(jué)遵守安全操作規(guī)范。

任務(wù)一液壓工作介質(zhì)的性質(zhì)

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中,通常采用礦物油作為工作介質(zhì),一般將液壓傳動(dòng)介質(zhì)稱(chēng)為液壓油。除礦物油以外,近年來(lái)又出現(xiàn)了以水為主要成分的高水基液壓油。由于液壓油的性質(zhì)及其質(zhì)量將直接影響液壓系統(tǒng)的工作狀況,因此有必要對(duì)液壓油的性質(zhì)進(jìn)行研究,并對(duì)各種液壓油的選用和污染的控制進(jìn)行探討。

液壓工作介質(zhì)要完成的功能如下:①傳遞能量和信號(hào);②潤(rùn)滑液壓元件,減少摩擦和磨損;③散熱;④防止銹蝕;⑤密封液壓元件對(duì)偶摩擦副中的間隙;⑥傳輸、分離和沉淀非可溶性污染物;⑦為元件和系統(tǒng)失效提供診斷信息。

1.密度

單位體積液體的質(zhì)量稱(chēng)為液體的密度。體積為V,質(zhì)量為m的液體的密度ρ=m/V。

礦物油型液壓油的密度隨溫度的上升而有所減小,隨壓力的提高而稍有增加,但變動(dòng)值很小,可以認(rèn)為是常值。我國(guó)采用攝氏20℃時(shí)的密度作為油液的標(biāo)準(zhǔn)密度。以ρ20表示。一般礦物液壓油在20℃時(shí)的密度為850~900kg/m3。

2.液體的可壓縮性

液體的可壓縮性是表示液體在溫度不變的情況下,壓力增加后其體積會(huì)縮小、密度會(huì)增大的特性。液體可壓縮性的大小可用體積壓縮系數(shù)k來(lái)表示。體積為V的液體,當(dāng)壓力變化量為Δp時(shí),體積的絕對(duì)變化量為ΔV,液體在單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量為

因?yàn)閴毫υ龃髸r(shí)液體的體積減小,所以上式的右邊加一負(fù)號(hào),以便使液體的體積壓縮系數(shù)k為正值。

液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱(chēng)為液體的體積彈性模量,簡(jiǎn)稱(chēng)體積模量,用K表示,即

體積彈性模量表示液體產(chǎn)生單位體積相對(duì)變化量時(shí)所需要的壓力增量。在使用中,可用K值來(lái)說(shuō)明液體抵抗壓縮能力的大小。一般礦物油型液壓油的體積彈性模量為(1.4~2)×103MPa,它的可壓縮性是鋼的50~100倍。但在實(shí)際使用中,由于在液體內(nèi)不可避免地會(huì)混入空氣等原因,其抗壓縮能力顯著降低,這會(huì)影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此,在有較高要求或壓力變化較大的液壓系統(tǒng)中,應(yīng)盡量減少油液中混入的氣體及其他易揮發(fā)性物質(zhì)(如煤油、汽油等)的含量。由于油液中的氣體難以完全排除,在工程計(jì)算中常取液壓油的體積彈性模量為700MPa左右。

液壓油液的體積彈性模量與溫度、壓力有關(guān)。溫度增高時(shí),K值減小,在液壓油液正常工作溫度范圍內(nèi),K值會(huì)有5%~25%的變化。壓力增大時(shí),K值增大,反之則減小,但這種

變化由于液壓油的可壓縮性很小,所以一般可以忽略不計(jì)。但在有些情況下,例如在研究液壓傳動(dòng)中的動(dòng)態(tài)特性,包括計(jì)算液流的沖擊力、抗震穩(wěn)定性、工作的過(guò)渡過(guò)程以及計(jì)算遠(yuǎn)距離操縱的液壓機(jī)構(gòu)時(shí),往往必須考慮液壓油的可壓縮性。

3.液體的膨脹性

液體的膨脹性是表示液體在壓力不變的情況下,溫度升高后其體積會(huì)增大、密度會(huì)減小的特性。膨脹性的大小可用熱膨脹系數(shù)α(℃-1)表示,其定義為:當(dāng)液體的溫度改變1℃時(shí),其體積V的相對(duì)變化值,即

式中:Δt為溫度變化值(℃);V為液體膨脹前的體積(m3);

ΔV為液體膨脹后體積的增加值(m3)。

常用液壓油的熱膨脹系數(shù)為(8.5~9.0)×10-4℃-1。

4.液體的黏性

1)黏性

當(dāng)液體在外力作用下流動(dòng)時(shí),由于液體與固體壁面間的附著力及液體分子之間內(nèi)聚力的存在,流動(dòng)的液體內(nèi)各處的流動(dòng)速度不一定相同,如圖2－1所示。實(shí)驗(yàn)表明,液體在管路中流動(dòng)時(shí),各處的速度并不相等,緊貼管壁的液體速度為零,管路中心處速度最大。

圖2－1液體在管路中的速度分布

2)黏度

黏性是液體的一個(gè)重要的特性,其大小用黏度來(lái)表示。黏度的大小表示了液體流動(dòng)時(shí)其內(nèi)摩擦力的大小,使各液層間速度不相等,如圖2－2所示。黏度愈大,內(nèi)摩擦力就愈大,液體的流動(dòng)性就愈差。黏度是選擇液壓油的主要指標(biāo)。

黏度可用動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度、條件黏度(恩氏黏度)等表示。我國(guó)的石油產(chǎn)品常用運(yùn)動(dòng)黏度來(lái)標(biāo)定。圖2－2液體黏性示意圖

(1)動(dòng)力黏度μ。對(duì)于1m3的液體,如果其上下表面發(fā)生相對(duì)速度為1m/s的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需切向力為1N,則稱(chēng)該液體的黏度為1Pa·s(即1N·s/m2)。

(2)運(yùn)動(dòng)黏度ν。液體的動(dòng)力黏度與液體在相同溫度下密度ρ的比值稱(chēng)為該液體的運(yùn)動(dòng)黏度。

式中:μ為動(dòng)力黏度,單位為Pa·s;ρ為密度,單位為kg/m3;

ν為運(yùn)動(dòng)黏度,單位為m2/s。

一般液壓油的牌號(hào)就是該潤(rùn)滑油在40℃(或100℃)時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度(以mm2/s為單位)的平均值,如32號(hào)液壓油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度為32mm2/s。

(3)相對(duì)黏度。

動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度是理論分析和計(jì)算時(shí)經(jīng)常使用的黏度,但它們都難以直接測(cè)量,因此在工程上常使用相對(duì)黏度。相對(duì)黏度又稱(chēng)為條件黏度,它是采用特定的黏度計(jì)在規(guī)定的條件下測(cè)量出來(lái)的黏度,用相對(duì)黏度計(jì)測(cè)量出相對(duì)黏度后,再根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系式換算成運(yùn)動(dòng)黏度或動(dòng)力黏度,以便使用。中國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等(國(guó)家)采用恩氏黏度,美國(guó)、英國(guó)等(國(guó)家)采用通用賽氏秒(SSU),美國(guó)、英國(guó)還采用商用雷氏秒(R1S),法國(guó)等采用巴氏度(°B)。

恩氏黏度由恩氏黏度計(jì)測(cè)定。在規(guī)定的溫度下從恩氏黏度計(jì)流出200ml樣品所需的時(shí)間與同體積蒸餾水在20℃時(shí)流出所需的時(shí)間之比值稱(chēng)為該液體的恩氏黏度,用符號(hào)°E表示。一般以20℃、40℃及100℃作為測(cè)定液體恩氏黏度的標(biāo)準(zhǔn)溫度。由此而得到的恩氏黏度分別用°E20、°E40和°E100來(lái)標(biāo)記。恩氏黏度和運(yùn)動(dòng)黏度可用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式換算。

3)黏度與壓力的關(guān)系

當(dāng)壓力增加時(shí),液體分子間距離減小,內(nèi)聚力增加,其黏度也有所增加。在液壓系統(tǒng)中,若系統(tǒng)的壓力不高,則壓力對(duì)黏度的影響較小,一般可忽略不計(jì)。當(dāng)壓力高于50MPa時(shí),壓

力對(duì)黏度的影響較明顯,則必須考慮壓力對(duì)黏度的影響。

4)黏度與溫度的關(guān)系

液壓油的黏度對(duì)溫度的變化極為敏感,溫度升高,黏度將顯著降低。液壓油的黏度隨溫度變化的性質(zhì)稱(chēng)為黏溫特性。不同種類(lèi)的油液有不同的黏溫特性。油液溫度的變化將直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量,因此希望油液的黏度隨溫度的變化越小越好。圖2－3所示為幾種常用液壓油的黏溫特性曲線。

圖2－3幾種常用液壓油的黏溫特性曲線

5.其他特性

用作液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的液壓油除以上特性外,還需要有其他一些性質(zhì),如熱安定性、氧化安定性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤(rùn)滑性以及相容性(其密封材料、涂料等起作用的程度)等。這些性質(zhì)都對(duì)液壓油的選擇和使用有重要的影響,需在精煉的礦物油中加入各種添加劑來(lái)獲得。

任務(wù)二液壓油的類(lèi)型、要求與選用

一、液壓油的類(lèi)型液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中采用的液壓油主要有礦物油、乳化型液壓油、合成型液壓油和高水基型液壓油四大類(lèi)。常用工業(yè)液壓油的種類(lèi)如圖2－4所示。圖2－4常用工業(yè)液壓油的種類(lèi)

1.礦物油

礦物油是由提煉后的石油制品加入各種添加劑精制而成的。這種油液的潤(rùn)滑性好,腐蝕性小,化學(xué)穩(wěn)定性較好,但抗燃性差,廣泛應(yīng)用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中。

2.乳化型液壓油

乳化型液壓油有兩類(lèi):一類(lèi)是少量油分散在大量的水中,稱(chēng)為水包油乳化液;另一類(lèi)是水分散在大量的油中,稱(chēng)為油包水乳化液。乳化型液壓油具有價(jià)格便宜、抗燃等優(yōu)點(diǎn),但它

的潤(rùn)滑性差、腐蝕性大、適用溫度范圍窄,一般用于水壓機(jī)、礦山機(jī)械和液壓支架等場(chǎng)合。

3.合成型液壓油

合成型液壓油是由多種磷酸酯和添加劑用化學(xué)方法合成的,具有抗燃性好、潤(rùn)滑性好和凝固點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn),但價(jià)格較貴,有毒性,一般用于防火要求較高的場(chǎng)合,如鋼鐵廠、火力發(fā)電

廠和飛機(jī)等的液壓設(shè)備中。

4.高水基型液壓油

高水基型液壓油是一種以水為主要成分的液壓油,它是國(guó)外20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的,現(xiàn)已演變到第三代。第一代是可溶性油,由5%的可溶性油和95%的水制成,即原始的水包油乳化液。第二代是合成溶液,不含油,由無(wú)色透明的合成溶液和水按5∶95的比例配制而成。第三代是微型乳化液,它既不是乳化液,也不是溶液,而是一種在95%的水中均勻地?cái)U(kuò)散著水溶性抗磨添加劑的膠狀懸浮液。高水基型液壓油的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、抗燃性好、工作溫度低、黏度變化小,運(yùn)輸保存方便(因95%的水是在使用時(shí)加進(jìn)的);缺點(diǎn)是潤(rùn)滑性差、黏度低、腐蝕性大,適合應(yīng)用于大型液壓機(jī)以及環(huán)境溫度較高的液壓系統(tǒng)中,特別適用于防火要求較高的場(chǎng)合。

二、對(duì)液壓油的要求

在液壓傳動(dòng)中,液壓油是液壓系統(tǒng)的重要組成部分,是用來(lái)傳遞能量的工作介質(zhì)。除了傳遞能量外,它還起著潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件和保護(hù)金屬不被銹蝕的作用。液壓油的質(zhì)量及其各種性能將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。從液壓系統(tǒng)使用油液的要求來(lái)看,對(duì)液壓油的要求如下:

(1)要有適宜的黏度和良好的黏溫特性。

一般液壓系統(tǒng)所用的液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度范圍為(11.5~41.3)mm2/s

(2)具有良好的潤(rùn)滑性。

在液壓傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備中,除液壓元件外,其他一些有相對(duì)滑動(dòng)的零件也要用液壓油來(lái)潤(rùn)滑,因此液壓油應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑性能。為了改善液壓油的潤(rùn)滑性能,可加入添加劑增加其潤(rùn)滑性能。

(3)質(zhì)地純凈,不含或含有極少量的雜質(zhì)、水分和水溶性酸堿等。

(4)具有良好的熱安定性和氧化安定性。

油液抵抗其受熱時(shí)發(fā)生化學(xué)變化的能力叫做熱安定性。熱安定性差的油液在溫度升高時(shí)容易發(fā)生分子裂化或聚合,產(chǎn)生脂狀瀝青、焦油等物質(zhì)。由于這些化學(xué)反應(yīng)是隨溫度升高而加快的,所以一般液壓油的工作溫度限制在65℃以下。

油液與空氣中的氧氣或其他含氧物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后生成酸性化合物,能腐蝕金屬。這種化學(xué)反應(yīng)的速度越慢,其氧化安定性就越好。

(5)具有較好的相容性,即對(duì)密封件、軟管、涂料等無(wú)溶解反應(yīng)。

(6)具有良好的抗泡沫性,抗乳化性要好,腐蝕性要小,防銹性要好。

液壓油乳化會(huì)降低其潤(rùn)滑性能,從而使酸性增加,使用壽命縮短。液壓油中產(chǎn)生泡沫會(huì)引起氣穴現(xiàn)象。

(7)流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低,閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高。

液壓油用于高溫場(chǎng)合時(shí),為了防火安全,閃點(diǎn)要求要高;在溫度低的環(huán)境下工作時(shí),凝固點(diǎn)要求要低。

(8)對(duì)人體無(wú)害,成本低。

三、液壓油的選用

正確合理地選用液壓油,是保證液壓設(shè)備高效率正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。液壓油的合理選用具體表現(xiàn)為對(duì)液壓油品種和牌號(hào)的選擇。

液壓系統(tǒng)的很多運(yùn)行故障是由液壓油引起的,因此,正確、合理地選用液壓油對(duì)于提高液壓設(shè)備的工作可靠性,延長(zhǎng)系統(tǒng)及元件的壽命,保證機(jī)械設(shè)備的安全、正常運(yùn)行,具有十分重要的意義。

液壓油的選用應(yīng)當(dāng)是在全面了解液壓油性質(zhì)并結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境及其使用條件選擇合適的品種,確定適宜的黏度,因?yàn)轲ざ燃扔绊懴到y(tǒng)的泄漏,

又影響功率損失。當(dāng)黏度大時(shí),油液流動(dòng)產(chǎn)生的阻力較大,克服阻力所消耗的功率就大,而此功率損耗又將轉(zhuǎn)換成熱量使油溫上升;當(dāng)黏度太小時(shí),會(huì)使油液的泄漏量加大,系統(tǒng)的容

積效率下降。因此,在選擇液壓油時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求和具體情況來(lái)選用合適的黏度,通常按以下幾方面進(jìn)行選用。

1.按液壓泵的類(lèi)型選用

液壓泵是液壓系統(tǒng)的重要元件,它對(duì)油液的性能最為敏感,因?yàn)楸脙?nèi)零件的運(yùn)動(dòng)速度高,承受壓力大,溫升較高,潤(rùn)滑要求嚴(yán)格,因此,常根據(jù)液壓泵的類(lèi)型和要求來(lái)選擇液壓油的黏度。各類(lèi)液壓泵適用液壓油的黏度范圍如表2－1所示。

2.按液壓系統(tǒng)的工作壓力選用

通常,當(dāng)工作壓力較高時(shí),宜選用黏度較大的液壓油,以減少系統(tǒng)泄漏;當(dāng)工作壓力較

低時(shí),宜選用黏度較小的液壓油,以減少壓力損失。

3.依據(jù)液壓系統(tǒng)的環(huán)境溫度選用

環(huán)境溫度較高時(shí)宜選用黏度較大的液壓油;反之,可選用黏度較小的液壓油。

4.依據(jù)液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度選用

液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí),為減少液流的壓力損失,宜選用黏度較小的液壓油;反之,當(dāng)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí),每分鐘所需的油量很小,系統(tǒng)泄漏相對(duì)較大,對(duì)執(zhí)

行元件的運(yùn)動(dòng)速度影響也較大,因此宜選用黏度較大的液壓油。

任務(wù)三液壓油的污染與控制

液壓油是否清潔,不僅影響液壓系統(tǒng)的工作性能和液壓元件的使用壽命,而且直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否正常工作。液壓系統(tǒng)的多數(shù)故障與液壓油受到污染有關(guān),因此控制液壓油的污染是十分重要的。

一、液壓油污染的原因

液壓油被污染的原因主要有以下幾方面。

1.殘留物的污染

液壓系統(tǒng)的管道及液壓元件內(nèi)的型砂、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統(tǒng)使用前沖洗時(shí)未被洗干凈,在液壓系統(tǒng)工作時(shí),這些污垢會(huì)進(jìn)入液壓油里面。

2.侵入物的污染

外界的灰塵、砂粒等,在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中通過(guò)往復(fù)伸縮的活塞桿、流回油箱的泄漏油等進(jìn)入液壓油里。另外,在檢修時(shí),稍不注意也會(huì)使灰塵、棉絨等進(jìn)入液壓油。

3.生成物的污染

液壓系統(tǒng)本身產(chǎn)生污垢,而直接進(jìn)入液壓油里,如金屬和密封材料的磨損顆粒、過(guò)濾材料脫落的顆?；蚶w維,以及油液因油溫升高氧化變質(zhì)而生成的膠狀物等。

液壓油污染嚴(yán)重時(shí),直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能,使液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障、液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的固體顆粒進(jìn)入液壓元件內(nèi),會(huì)使元件的滑動(dòng)部分磨損加劇,并可能堵塞液壓元件里的阻尼孔,或使閥芯卡死,從而造成液壓系統(tǒng)的故障。進(jìn)入液壓油中的水分會(huì)腐蝕金屬,使液壓油變質(zhì)、乳化等。

二、液壓油污染的控制

由于液壓油被污染的原因比較復(fù)雜,在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中液壓油又在不斷地產(chǎn)生污染物,因此,要徹底地防止污染是很困難的。為了延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命,保證液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的正常工作,應(yīng)將液壓油的污染程度控制在一定的范圍內(nèi)。一般常采取如下措施來(lái)控制污染。

1.減少外來(lái)的污染

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在裝配前后必須嚴(yán)格清洗,用機(jī)械的方法除去殘?jiān)捅砻嫜趸?然后進(jìn)行酸洗。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在組裝后要進(jìn)行全面清洗,最好用系統(tǒng)工作時(shí)使用的油液清洗,特別是液壓伺服系統(tǒng)最好要經(jīng)過(guò)幾次清洗來(lái)保證清潔。油箱通氣孔要加空氣過(guò)濾器,給油箱加油要用過(guò)濾車(chē),對(duì)外露件應(yīng)裝防塵密封,并經(jīng)常檢查,定期更換。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的維修與液壓元件的更換、拆卸應(yīng)在無(wú)塵區(qū)進(jìn)行。

2.濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)

應(yīng)在系統(tǒng)的相應(yīng)部位安裝適當(dāng)精度的過(guò)濾器,并且要定期檢查、清洗或更換