2.2 液压传动的工作介质
在液压系统中，工作液体既是传递功率的介质，又是液压元件的冷却剂、防锈剂和润滑剂。在工作中产生的磨粒和来自外界的污染物，也要靠工作液体带走。工作液体的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。
2.2.1 液压传动的工作液体应具有的基本性质
1.液体的粘度
粘度是选择工作介质的首要因素。在同样工作压力下，粘度过高会导致部件运动阻力增加、温度升高快、系统发热、泵的自吸能力下降、管道压力降和功率损失增大。反之，粘度过低会增加泵的容积损失，并使密封能力和油膜支撑能力下降，导致摩擦副间产生干摩擦降低润滑性能。所以在给定的温度、压力等运行条件下，液压机构的工作介质要具有合适的粘度，且粘度变化要小。
粘度的定义及单位：在外力作用下，液体内某一层面与其相邻层面间发生相对运动时，沿其界面产生内部摩擦阻力，此种性质称为粘性。表示粘性大小（即反映此内摩擦阻力大小程度）的物理量称为粘度。粘度一般可分为下列三种：
（1）动力粘度（绝对粘度、粘性动力系数）
动力粘度是各种粘度表示法的基础。在图2-3中，根据牛顿粘性定律，单位面积A上的粘性力F/A，即内摩擦阻力τ与垂直于该面上的速度变化率v/y或dv/dy成比例，其比例常数μ即动力粘度。μ的法定计量单位为帕秒（Pa·s）。
（2）运动粘度（粘性运动系数）
运动粘度是液体在同一温度下的动力粘度与该液体密度的比值，用ν表示。其法定计量单位为m2/s，而在实用上标定油的粘度用cm2/s（St，沲）的1/100，即mm2/s（cSt，厘沲）表示。
一般液压操动机构所选用的液压油为10#航空液压油，其运动粘度ν为40℃下15cSt，50℃下10cSt。欧洲进口的液压机构，如法国的ETNA公司、德国的ABB公司则使用Esso Univis J13或Aeroshell Fluid4，这两种油品可以互换，其运动粘度ν为40℃下13cSt。
（3）条件粘度（相对粘度）
条件粘度是用各种粘度计所测得的粘度，以条件单位表示，测定的方法和表示粘度的单位很多，因此条件粘度的种类也很多，例如恩氏、赛氏、雷氏等粘度。
我国主要采用运动粘度，其他一些国家采用的粘度单位与运动粘度换算的公式，见表2-1。
图2-3 动力粘度示意图
表2-1 各个国家采用的粘度单位及其换算的公式
按我国GB规定，液压油产品的代号按下列顺序表示：“类组号-牌号-尾注号”。“牌号”即该介质在40℃时的运动粘度等级，并在级前冠以“N”字符，以区别于其他温度下的运动粘度等级。尾注号有以下几种：H表示由石油烃叠合或缩合等工艺制得的产品；G表示具有良好的粘-温特性，可减少导轨的爬行现象；D表示具有良好的低温起动性能；K表示对镀银部件具有良好的抗腐蚀性。
常用液压油的牌号和粘度见表2-2（注：旧标准是以50℃时的粘度值作为液压油的粘度等级牌号）。
表2-2 常用液压油的牌号和粘度
2.液体的粘温特性
各种液体的粘度随着温度升高而降低，每种液体有自身的粘度随温度变化的特性，即粘温特性。使用时要求液体的粘度随温度变化越小越好。粘温特性用粘度指数Ⅵ表示，Ⅵ表示被试油的粘度随温度变化的程度同标准油粘度变化程度比较的相对值，粘度指数计算简图如图2-4所示。如果被试油（图中虚线所示）在210℉和100℉时的粘度为已知，取两种标准油液（在图中用两条实现表示），一种粘度指数为100，另一种粘度指数为零，它们在210℉时的粘度和被试油的相同。被试油的粘度指数可用下式求得
式中 U——被试油在100℉（37.8℃）时的粘度；
L——VI值为零的油在100℉（37.8℃）时的粘度，而这种油在210℉（98.9℃）时的粘度与被试油粘度相同；
H——VI值为100的油在100℉（37.8℃）时的粘度，而这种油在210℉（98.9℃）时的粘度与被试油粘度相同。
L和H的数值随被试油在210℉时粘度的不同而改变，可在一般液压手册中查得。
图2-4 粘度指数计算简图
粘度指数高，表示粘温曲线平缓，也就是粘温性能好。液压用油的粘度指数值一般要求在90以上，精制油液及附有添加剂的油液粘度指数可大于100。在计算时，L、H的数值在国标GB/T 1995中有数表可查用。在实际工作中，只要知道液压油在40℃和100℃时的运动粘度mm2/s，其粘度指数VI值即可在（GB/T 2541石油产品粘度指数算表）中直接查到，不用计算。图2-5所示为几种国产液压油的粘温特性曲线。从图2-5中可看出在所列的几种油品中，N15（10号）航空液压油和YC-N46低温液压油的粘温性能最好。
3.液体的粘度和压力的关系
油液的压力增加时，分子间的距离就缩小，因此液体的粘度一般随压力的升高而增大。当压力在30MPa以下时，粘度和压力的变化几乎成线性的关系。当压力很高时，粘度将急剧增大。粘度和压力的关系可用下式表示：
νp=ν0e10.2bp （2-5）
式中 νp——压力为p时的运动粘度；
ν0——压力为零表压（一个大气压）时的运动粘度；
b——系数，对于一般液压传动用油，b=0.002～0.003；
p——液压油压力（MPa）。
实际应用中的液压传动矿物油，可用下式计算压力在0～50MPa范围内的油液粘度：
νp=ν0（1+0.0306p） （2-6）
压力对粘度的影响在低压时不明显，当压力大于50MPa时，其影响趋于显著。压力升高到70MPa以上时，液体的粘度将比常压下增加4～10倍。
图2-5 几种国产液压油的粘温特性曲线
1—N32机械油 2—YC-N32低温液压油 3—N15机械油 4—N15（10号）航空液压油 5—HU-45汽轮机油 6—N68机械油 7—N46机械油 8—HU-30汽轮机油 9—YC-N46低温液压油 10—HU-20汽轮机油
4.润滑性
为了提高功率和容积效率，液压系统和元件发展趋向是高压、高速。液压元件内部摩擦副在高负载、高速或其他工况（如快速启动和停止）下，多数处于边界润滑状态。因此，为防止发生粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损等，以免造成液压元件性能降低、寿命缩短、故障增多，要求工作油液对元件摩擦具有良好的润滑性和极压抗磨性。
5.氧化安定性
工作介质与空气接触，特别是在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值增加会增强腐蚀性，氧化生成的粘稠状油泥甚至油膜会堵塞滤油器，妨碍部件的动作以及降低系统效率。因此，油液应具有良好的氧化安定性和热安定性。
6.剪切安定性
工作介质通过液压元件的狭窄通道（节流间隙或阻尼孔时），要经受剧烈的剪切作用，会使一些聚合型增粘剂高分子断裂，造成粘度永久性下降，在高压、高速时，情况更严重。为延长使用寿命，要求剪切安定性好。
7.防锈和抗腐蚀性
液压元件的各种金属零件，在工作油液混入的水分和空气的作用下，精加工表面会发生锈蚀。锈蚀颗粒在系统内循环，会产生磨损引起故障，并因其催化作用促使油品进一步氧化，引起元件腐蚀。所以要求工作介质具有阻止与其接触的金属元件产生锈蚀的能力和防腐蚀性。
8.抗乳化性
工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水。混有水分的油液在液压元件的剧烈搅拌下，易形成乳化液，使油液水解变质或生成沉淀物，引起系统锈蚀和腐蚀，妨碍冷却和导热，阻滞管道和油液在阀内的流动，降低润滑性。因此，要求工作介质应有良好的抗乳化性、水解安定性和分水性。10号航空液压油的水分含量不大于60mg/kg，Esso Univis J13或Aeroshell Fluid 4的水分含量不大于0.01g/100g。
9.抗泡沫性
空气混入油液后会产生气泡，混有气泡的油液在液压系统内循环，不仅会使系统的压力和能量传递不稳定，产生滞后现象，失去可靠性和准确性，并会使润滑条件恶化，产生异常的噪声、振动和工作不正常。此外，气泡还增加了与空气的接触面积，加速了工作介质氧化，因此要求工作介质应具有良好的抗泡沫性和空气释放能力。
10.相容性
工作介质对液压系统中密封材料、金属材料、塑料、橡胶、过滤材料和镀层、油漆的适应性。适应性指接触这些材料时无侵蚀作用，反之，这些材料也不会使油液污染变质，能相互相容，不会产生金属腐蚀、橡胶和塑料的溶胀软化变形、镀层溶解等。其结果都会造成系统运行故障，缩短使用寿命，加快了油液的变质，缩短换油期，因此要求工作介质与系统内材料的相容性要好。
11.其他要求
对工作介质的其他要求还有：低温性，难燃性，在工作压力下具有足够的不可压缩性，比热和热传导率要大，热膨胀系数要小，清洁度要高，无毒性、无异味，贮存安定性等。
2.2.2 液压油液的物理性质
1.密度
单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V、质量为m的液体的密度ρ为
重度 单位体积液体的重量称为液体的重度。体积为V、重量为G的液体的重度γ为
矿物型液压油的密度和重度是随温度和压力而变化的（随着温度的上升而减小，随着压力的提高而稍有增加），但其变动值很小，可认为其为常数。一般矿物油系液压油在20℃时密度约为850～900kg/m3（0.85～0.9g/cm3）。10号航空液压油在20℃时密度值为850kg/m3。
2.可压缩性
液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。液体的压缩性可用体积压缩系数k表示。
式中 k——体积压缩系数，和温度、压力以及含在油液中的空气有关，不同的实验方法和实验装置所得的k值也各不相同，一般石油型液压油在分析时可取k=（6～14）×10-5MPa；
Δp——液体被压缩前后压力的变化值（MPa）；
ΔV——液体被压缩前后体积的变化值（cm3）；
V0——液体被压缩前的体积（cm3）。
因此，液体受Δp压缩后的体积V可由下式计算：
V=V0-ΔV=V0（1-kΔp） （2-10）
液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，以β表示，即
液压油的体积弹性模量和温度、压力以及含在油液中的空气有关。
封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。
液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析（液流的冲击力、抗振稳定性、工作的过渡过程及远距离操纵的液压机构）时，就需要考虑液体可压缩性的影响。
3.其他性质
物理和化学性质
1）比热容c是指单位质量的液体，当温度升高1℃时所需要的热量。
一般石油型液压油平均可取： c=（0.4～0.5）×4187J/kg·K （2-12）
必须注意，所有液压油的比热容几乎都是随温度的上升而增大的。
2）热导率λ表示液体内热传导的难易程度，其表达式为
式中 Qn——所传导的热量（W）；
A——传热面积（m2）；
t2-t1——温度差（K）；
L——与热流成直角方向的物质厚度（m）；
λ——热导率，一般石油型液压油在常温下可取λ=0.116～0.151 [（W/m）·K]。
3）温度膨胀：由温度t引起的液压工作介质的体积V和密度ρ的变化为
V=V0（1+αVΔt） （2-14）
ρ=ρ0（1-αVΔt） （2-15）
式中 V0——常温下工作介质的体积（ml）；
ρ0——常温下工作介质的密度（g/ml）；
Δt——由常温起算的温度差，Δt=t-t0（℃）；
αV——液体膨胀系数（℃-1）。
一般石油型液压油αV=（8.5～9.0）×10-4/℃，平均取αV=8.7×10-4/℃
4）闪点：闪点是在规定的开形杯或闭形杯内用规定容量的油样加热到它蒸发的油气与空气混合后，在与规定火焰接触能发生闪光时，油样的最低温度。
闪点用来评价油液中含有低沸点的馏份的程度。闪点高，表明低沸点馏份少，油液在高温下的安全性好；闪点低就不宜在高温下使用。10号航空液压油的闪点（开口）不低于92℃。
5）凝点和倾点（也称流动点）：凝点是指在规定的冷却条件下油品停止流动的最高温度。油品的凝固和纯化合物的凝固有很大的不同。油品并没有明确的凝固温度，所谓“凝固”只是作为整体来看失去了流动性，并不是所有的组分都变成了固体。
液压油的凝点是表示液压油低温流动性的一个重要质量指标。凝点高的液压油不能在低温下使用。相反，在气温较高的地区则没有必要使用凝点低的液压油。因为液压油的凝点越低，其生产成本越高，造成不必要的浪费。应结合油品的凝点、低温粘度及粘温特性全面考虑。因为低凝点的油品，其低温粘度和粘温特性亦有可能不符合要求。10号航空液压油的凝点不高于-70℃。
倾点是油液在试验条件下，冷却到能够流动的最低温度。一般来讲，倾点较凝点高2～3℃。
液压油的低温流动性与倾点有关，一般认为，在倾点以上5℃使用时，液压油的流动性是好的。
6）中和值（也称酸值）：中和值是中和液压油中的全部酸性物质所需氢氧化钾的毫克数，以mgKOH/g表示。中和值是控制液压油使用性能的重要指标之一。中和值大容易造成元件的腐蚀，还会促进油液变质、增加机械磨损。10号航空液压油的酸值不大于0.05mgKOH/g。
7）腐蚀：腐蚀是液压油在规定条件下，对规定金属试片的腐蚀作用。液压油要求腐蚀试片合格。
腐蚀试验按GB/T 5096进行，10号航空液压油的腐蚀性不大于2级。
2.2.3 液压油液的分类和选用
1.分类
目前我国所采用的液压油液，按抗燃烧特性可分为两大类：一类为矿物油系；一类为不燃或难燃油系（可分为水基液压油和合成液压油两种）。特殊情况下可采用抗燃液压油。
液压技术中广泛采用石油基液压油作为工作液体，液压操动机构中通常采用10#航空液压油（红油），属矿物油系石油基液压油中的特种液压油。
2.液压油液的选用原则
选择液压油时，首先考虑其粘度是否满足要求，同时兼顾其他方面。选择时应考虑如下因素：
1）液压系统的环境条件（闪点、凝点、水分等）；
2）液压系统的工作压力（润滑性、挤压抗磨性、水解安定性、抗氧化性、抗泡沫性、空气释放性等）；
3）运动速度（气蚀、对轴承面的浸润力）；
4）环境温度（粘度、粘温特性、热氧化安定性、低温流动性）；
5）防污染及相容性要求（氧化安定性、酸值、腐蚀度）；
6）综合经济性（价格及使用寿命、维护保养的难易程度）。
总之，选择液压油时一是考虑液压油的品种，二是考虑液压油的粘度和粘温特性。在断路器液压操动机构中普遍选用10#航空液压油（SH 0358—1995）作为工作介质。10#航空液压油是以深度精制的轻质石油馏分油为基础油，加有增粘剂、抗氧化剂、抗磨剂、防锈剂及染色剂制成。它具有良好的粘温特性、低温性能和氧化安定性。适用于低温工作，常温时粘度较低的液压系统。用作航空液压传动机构如飞机上的主液压系统和助力液压系统（起落架等）的工作介质，其技术性能见表2-3。
表2-3 10#航空液压油的技术性能
①用95%乙醇（分析纯）抽提，取0.1%溴麝香草酚蓝作指示剂。
②油膜质量的测定：将清洁的玻璃片侵入试油中取出，垂直的放在恒温器中干燥，在65℃±1℃下保持4h，然后在15～25℃下冷却30～45min，观察在整个表面上油膜不得呈现硬的粘滞状。