油液的性质分析与优化

1）密度

单位体积液体的质量，称为该液体的密度，用ρ表示。对均质液体，则

式中　V——液体的体积，m3；

　　　m——液体的质量，kg。

液压油的体积随着温度和压力的变化而改变。一般是随着温度的升高体积膨胀，体积随压力的增加而减小。但是，体积的变化量很小，可近似将液体的密度视为常数。在液压油的密度计算时，可取近似值ρ=900 kg/m3。

2）可压缩性

液体受压力作用而发生体积缩小的性质，称为液体的可压缩性。体积为V的液体，当压力增加Δp时，体积缩小ΔV，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为

式中　k——液体的压缩系数。

由于压力增加时液体的体积缩小。因此，式（2.2）的右边须增加一负号，使k值为正值。k的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示，即

式中　K——产生单位体积相对变化量所需要的压力增量。在实际应用中，常用K值说明液体抵抗压缩能力的大小。

液压油的平均体积弹性模量K值为（1.2~2）×103 MPa，数值很大，故对一般液压系统中的液压油都认为是不可压缩的。但如果液压油中混入空气时，其可压缩性将显著改变，并将严重影响液压系统的工作性能。因此，在液压系统中，应尽量防止空气混入油液中。

3）油液的黏性

（1）黏性的意义

液体分子与固体分子之间的吸引力，称为附着力。液体分子之间的吸引力使其互相制约形成一体，这种吸引力称为内聚力。当液体在流动时，液体分子间内聚力会阻碍上层液体分子的运动，拖拽下层分子，宏观上体现为内摩擦力，这个特性称为液体的黏性。黏性是液压油的重要物理特性，也是选择液压油的依据。油液在流动时，呈现黏性；液体处于静止状态时，不呈现黏性。

图2.1　液体黏性示意图

液体流动时，由液体和固体壁面间的附着力以及液体的黏性的存在，会使液体内各液层间的速度大小不同。如图2.1所示，设在两个平行平板之间充满液体，当上平板以速度u0向右运动，下平板相对于静止时，在附着力的作用下，紧贴于上平板的液体层其运动速度为u0，而中间各层液体的速度则从上到下近似呈线性规律递减到0，这是因为在相邻两液体层间存在内摩擦力的缘故。该力对上层液体起阻滞作用，而对下层液体则起拖曳作用。

实验测定结果表明，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即

式中　μ——比例系数，又称动力黏度或黏度系数。

若以表示液层间在单位面积上的内摩擦力，则式（2.4）可写为

式（2.5）为牛顿内摩擦定律的表达形式。

由式（2.5）可知，在静止液体中，因速度梯度为零，故内摩擦力为零。因此，液体在静止状态下是不呈黏性的。

（2）液体的黏度

液体的黏性的大小用黏度来表示。常见的黏度有3种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。(www.xing528.com)

①动力黏度μ

它是表征液体黏度的内摩擦系数。由式（2.5）可知

由式（2.6）可知，动力黏度的物理意义是：当速度梯度为1时，液层间单位面积上的内摩擦力，就是动力黏度。因此，动力黏度也称绝对黏度。

在我国动力黏度的单位是Pa·s（帕·秒），或用N·s/m2表示。

②运动黏度

动力黏度和该液体密度ρ的比值，称为运动黏度，用ν表示，即运动黏度。它没有明确的物理意义，即

动力黏度并不是一个黏度的量。但工程中，常用它来标志液体的黏度。例如，液压油的牌号，就是这种油液在40℃时的运动黏度（mm2/s）的平均值，如L-AN32液压油就是指这种液压油在40℃时的运动黏度平均值为32 mm2/s。

③相对黏度

相对黏度又称条件黏度，是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的液体黏度。根据测量条件的不同，目前世界各国采用的相对黏度的单位也不同。例如，中国、俄罗斯及德国等普遍采用恩氏黏度（°E），英国采用雷氏黏度（R），以及美国采用国际赛氏秒（SSU）等。

恩氏黏度由恩氏黏度计（见图2.2）测定，即将200 cm3的被测液体装入底部有ϕ8的小孔的恩氏黏度计的容器中，在某一特定温度t℃时，测定液体在自重作用下流过小孔所需的时间t1，和同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间t2（50~52 s，通常取51 s）的比值作为恩氏黏度。它是一个没有量纲的数，恩氏黏度用符号°Et表示。

一般以20，50，100℃作为测定恩氏黏度的标准温度，由此而得来的恩氏黏度分别用°E20，°E50和°E100表示。

恩氏黏度（单位：m2/s）和运动黏度的换算关系为

图2.2　恩氏黏度计

1—储液器；2—水槽；3—锥管；4—出口小孔；5—量筒

4）黏温关系

黏度和温度的关系，称为黏温关系，也称黏温特性。温度对油液黏度的影响很大，当油液温度升高时，其黏度迅速下降。油液黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。因此，希望黏温关系越平稳越好。不同的油液有不同的黏温特性。黏温特性常用黏度指数（νi）来表达。νi表示该液体的黏度随温度变化程度与标准液的黏度变化程度之比。黏度指数越高，液体的黏度特性越好，即温度变化时，黏度变化较小。通常要求油液的黏度指数高于90，在100以上为优质液压油。

5）黏压关系

压力会在一定程度上影响油液的黏度。压力增加，分子间的距离缩小，液体不容易流动，黏度增加。不同的液压油有不同的压力变化曲线，这种关系称为油液的黏压特性。通常当压力在35 MPa以下时，黏度随压力的变化较小；当压力在35 MPa以上时，压力对黏度的影响较明显。当压力从零升高到150 MPa时，液压油的黏度将增大至17倍。其运动黏度可计算为

式中　νp——压力p时的运动黏度，10-6 m2/s；

　　　ν0——一个大气压下的运动黏度，10-6 m2/s；

　　　b——黏度压力系数，对一般液压油，b=0.002~0.003。

6）其他特性

液压油还有其他的一些物理化学性质，如抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、防锈性、抗乳化性、导热性、润滑性、稳定性及相容性（主要是指对密封材料、软管等不侵蚀和不溶胀的性质）等。这些性质对液压系统的工作性能有重要影响。对不同品种的液压油，这些性质的指标是有差异的。具体应用时，可查阅相关手册。