Hydraulic Fluid Characteristics
1.1. Types Of Hydraulic Fluids
Water
The oldest hydraulic fluid, water, is still in use in such applications as elevators and hydraulic presses. For modern applications it has several fundamental shortcomings. The limited range of useful temperature between 32 and 212℉ is inadequate for most industrial and automotive applications and for all aeronautical and marine applications.Moreover the lubricating qualities of water are so poor that pumping and sealing become a major problem. The viscosity is low by normal standards of hydraulic machinery, causing bearing lubrication and load-carrying problems. A desirable characteristic would be the low fluid compressibility. In short, water is a poor fluid for use in hydraulic control systems.
Early attempts to attain a lower freezing point and increase the viscosity led to the use of glycerin; one sample application of glycerin was as a shockabsorber fluid in the recoil mechanism of World War I artillery rifles. Glycerin-water mixtures are in fact very similar in viscosity, density, and freezing point to current hydraulic fluids. A water-glycerin solution containing by weight 75 percent glycerin has a viscosity of 30 centistokes at 68℉ and a freezing point of -20℉. A mixture of 67 percent glycerin will freeze below -40℉and has a viscosity of 15 cs at 68℉.Several characteristics of glycerin-water mixtures are undesirable: they are hygroscopic, so that the concentration may change in exposed storage; as good electrolytes they form ideal corrosion accelerators; they are very poor lubricants and wetting agents for metallic surfaces, All these are shortcomings not found in the mineral oils and are deficiencies overcome in the water-base hydraulic fluids of the last few years.
Mineral Oils
Hydrocarbons are by far the most commonly used hydraulic fluids today. Although the base material is the game as that used in lubricating oils, modern hydraulic fluids contain additions which provide them with special characteristics which differ from the needs of the lubricating oil. Viscosity improves are used to obtain the least change of viscosity with temperature consistent with other properties such as high-temperature oxidation-stability, foaming, lubricity, and pour point. These hydrocarbon fluids offer the good lubricating properties needed for the reliable performance of hydraulic pumps of all types, servo motors, actuators, and servo valves. Wide ranges of temperature can be spanned with hydrocarbon fluids.
Hydraulic fluids conforming to Military Specification MIL-H-5606 are useful between -65 and 275℉. This range can be extended downward to -80℉ by sacrificing viscosity and vapor pressure at the high-temperature end.
In general, hydrocarbons are useful for hydraulic service over a temperature range of about 350℉. The upper and lower limits of this range are a matter of compromise for each specific application. If low temperatures are of importance. the viscosity at the lowest temperature point should be not over 5000 cs for hydraulic service. The limiting upper temperature of the fluid will then be determined by the lowest viscosity (say 2 to 3 cs) or highest vapor pressure tolerable in pumps, bearings, or seals.
The flash point of many fluids or the volatile fractions of these lie between 250 and 350℉. In the hydraulic system reservoir oil vapors and the oxygen of the air can form hazardous mixtures at temperatures well below the limit of usefulness of the hydraulic fluid itself. Above 160℉. it is common safety practice to permit no air to directly contact hydrocarbon hydraulic fluids. For such elevated temperature service, the use of an inert gas such as nitrogen, argon, or helium is recommended to pressurize the fluid reservoir; or use of an airless type of system employing a diaphragm reservoir or piston reservoir is recommended. This practice has the added advantage of preventing the gases from continuously migrating with the fluid from the reservoir to other parts of the system.
Synthetic hydraulic fluids
The limitation of the hydrocarbon fluids have led the chemical industry to search for compounds and mixtures which will server the hydraulic system designer better, considering temperature tolerance, fire hazard,viscosity, and replacement life of the fluid. A large number of such fluids are now available for every type of hydraulic service. For convenience these fluids will be categorized as nonflammable fluids and high-temperature fluids.
Nonflammable fluids are particularly desirable where hydraulic control or power equipment must operate near furnaces, heaters, chemicals,or other combustibles which could turn a hydraulic line break into 8disastrous fire. While most hydraulic fluids in bulk are no fire hazard,the extremely fine spray from a high-pressure line can become a veritable blow torch when issuing at some elevated temperature and possibly impinging on a hot surface in the atmosphere around it. Experimenters have also shown the spontaneous ignition temperature (SIT) to be markedly lowered if fluid.sprays from a high-pressure source.
Nonflammable fluids have a wide variety of chemical compositions ranging from water solutions of ethylene glycol to chlorine compounds such as Arochlor 1248. The truly nonflammable hydraulic fluids frequently lack many desirable properties. Most of the commercially available fluids span a limited temperature range. This is due to high viscosity at moderately low temperatures and boiling points in the vicinity of 250 or 300℉.
The high-temperature fluids are specifically designed compounds and mixtures Of compounds which find application in hydraulic systems where adequate cooling is impossible and yet extremely low temperatures must be endured without loss of fluidity. Currently the largest proportion of these applications li
液压油特性
1.1.液压油的类型
水
最古老的液压油，水，仍然在电梯和液压机等应用中使用。对于现代应用，它有几个基本缺点。对于大多数工业和汽车应用以及所有航空和船舶应用，有限温度范围在32到212华氏度之间是不够的。此外，水的润滑质量很差，泵送和密封成为主要问题。根据液压机械的正常标准，粘度较低，导致轴承润滑和承载问题。理想的特性是低流体压缩性。简而言之，水是用于液压控制系统的不良流体。
早期尝试获得较低的凝固点并增加粘度导致使用甘油;在第一次世界大战炮兵步枪的反冲机制中，甘油的一个样本应用是作为减震器液。实际上，甘油 - 水混合物在粘度，密度和凝固点方面与当前的液压流体非常相似。含有75％重量甘油的水 - 甘油溶液在68华氏度时的粘度为30厘，凝固点为-20华氏度。67％甘油的混合物将在-40华氏度以下冷冻，在68华氏度时粘度为15 厘。甘油 - 水混合物的几个特性是不可取的：它们具有吸湿性，因此在暴露的储存中浓度可能会发生变化;作为良好的电解质，它们形成理想的腐蚀促进剂;它们是用于金属表面的非常差的润滑剂和润湿剂，所有这些都是矿物油中没有的缺点，并且在过去几年中在水基液压油中克服了缺陷。
矿物油
碳氢化合物是目前最常用的液压油。尽管基础材料是用于润滑油的比对，但现代液压流体含有添加剂，这些添加剂为它们提供了与润滑油需求不同的特殊特性。粘度改进用于获得粘度的最小变化，其温度与其他性质一致，例如高温氧化稳定性，发泡性，润滑性和倾点。这些烃类流体为所有类型的液压泵，伺服电机，执行器和伺服阀的可靠性能提供了良好的润滑性能。宽范围的温度可以用烃流体跨越。
符合军用规格MIL-H-5606的液压油在-65和 275华氏度之间有用。通过牺牲高温端的粘度和蒸气压，该范围可以向下延伸至-80华氏度。
通常，碳氢化合物可用于在约350华氏度的温度范围内的液压服务。该范围的上限和下限是每个特定应用的妥协问题。如果低温很重要。液压维修时，最低温度点的粘度不应超过5000 厘。然后，流体的极限上限温度将由泵，轴承或密封件中可容许的最低粘度（例如2至3厘）或最高蒸汽压力确定。
许多流体的闪点或其挥发性部分介于250和350华氏度之间。在液压系统中，储存器油蒸汽和空气中的氧气可以在远低于液压流体本身的有效性极限的温度下形成危险混合物。高于160华氏度。通常的安全做法是不允许空气直接接触烃类液压油。对于这种高温使用，建议使用惰性气体如氮气，氩气或氦气来加压流体贮存器;建议使用采用隔膜储液器或活塞储液器的无气型系统。这种做法具有额外的优点，即防止气体随着流体从储存器连续迁移到系统的其他部分。
合成液压油
考虑到温度耐受性，火灾危险性，粘度和流体的更换寿命，烃类流体的限制促使化学工业寻找能更好地服务于液压系统设计者的化合物和混合物。现在可以为每种类型的液压服务提供大量这样的流体。为方便起见，这些流体将被归类为不可燃流体和高温流体。
当液压控制或动力设备必须在熔炉，加热器，化学品或其他可燃物附近操作时，不可燃流体是特别理想的，这些可燃物可能使液压管线断裂成8灾难性的火灾。虽然散装的大多数液压油都没有火灾危险，但高压管路中的极细喷雾在高温下发出并可能撞击周围大气的热表面时，可能成为名副其实的喷枪。实验者还表明，如果流体从高压源喷射，则自燃温度（SIT）会显着降低。
不可燃流体具有多种化学成分，从乙二醇水溶液到氯化合物如Arochlor 1248.真正不易燃的液压油通常缺乏许多理想的性能。大多数市售流体跨越有限的温度范围。这是由于在中等低温下的高粘度和在250或300华氏度附近的沸点。
高温流体是专门设计的化合物和化合物的混合物，可用于液压系统，在这些系统中，不可能进行充分的冷却，但必须承受极低的温度而不损失流动性。目前，这些应用中最大的比例在于军用航空和导弹领域。这些高温通常是高飞行速度的结果，其中重量限制妨碍了使用制冷。同时，物流使这种系统在-65华氏度的温度下储存，甚至更低的必要性，并且排除了加热或长时间的预热。快速发展的技术几乎不可能提供这些流体的完整图像。它们通常分为几个化学类别和几个温度范围，这通常与前者一致。在-65华氏度下使用的碳氢化合物在上限范围内限制在275至300华氏度之间。为了安全起见，以及在160华氏度以上的温度下化学稳定性有限，必须小心保护它们免受大气中的氧气影响. .
一组通常称为二酯的流体（碱性流体二-2-乙基己基癸二酸酯）几乎完全取代了作为喷气发动机润滑剂的碳氢化合物，符合美国政府规范MIL-L -7808，并且还发现有限的用作液压油之间的液压油。温度为-40至400华氏度。在限制范围内，二酯是优异的液压流体，因为它们具有抗泡沫形成性，良好的润滑性能和抗剪切破坏性。它们的粘度随温度的变化大于其他液压流体的变化，使它们在低温下非常粘稠。许多添加剂用于产生适当的润滑性，发泡性和粘度特性。它们的热稳定性和氧化稳定性通常可达400华氏度。主要是因为添加剂，它们的稳定性在500华氏度以上变差。即使在密封系统中，癸二酸形成约550华氏度，并且可在操作4至8小时后超过通常接受的1g KOH / 100g的极限。在温度超过400华氏度的氧气存在下，污泥形成非常迅速，并且流体寿命非常短。它们对铜和某些铜合金敏感，铜合金催化它们并加速热和氧化劣化。它们与镉，锌等反应类似。二酯通常用作弹性体材料的增塑剂，例如O形圈和垫圈。因此，二酯流体影响许多常见O形环化合物的硬度，强度和溶胀特性。应对所有金属和弹性体材料以及与二酯流体接触的油漆制定仔细的规范，以确保在使用中的兼容性。
硅酸酯比二酯具有更好的温度耐受性限制。它们适用于-65至450华氏度的使用范围，即使在500华氏度的短时间内仍可在封闭系统中使用。它们的局限性在于它们易于水解，即与水或湿气形成固体化合物;因此，它们需要小心处理和储存。水力可以由于储存器呼吸以及随后水分在流体贮存器或开放式储存容器中冷凝而发生。为防止过滤器，孔口和伺服阀堵塞，所有使用硅酸酯的系统应（1）在填充前小心清洗，（2）从密封容器中加压，（3）密封。以频繁的间隔检查过滤器，以发现水解液的凝胶状沉积物的迹象。这些流体的发泡特性比MIL-L-7808中规定的二酯差。由于硅酸酯通常用于气密密封系统中，其中没有气体与流体直接接触，因此不会出现泡沫形成或泡沫沉降问题。通过热液压致动器杆暴露于空气的硅酸酯流体膜留下柔软的非磨蚀性沉积物，当杆缩回到圆筒中时，这显然有助于O形环密封件的寿命。这是液压油的一个重要特征，设计用于在炎热的环境中使用。面板焦化测试表明了这种性质。
人们早就知道硅橡胶是潜在的高温液压油。仅在最近几年才对其一些性能进行了改进，使其对液压服务有用。它们表现出任何目前使用的液压流体的甜菜温度 - 粘度特性。由于它们本质上是差的润滑剂，因此在设计具有改进的润滑性能以及优异的热稳定性和氧化稳定性的硅氧烷化合物方面已经做了很多工作。目前，一些制造商正在生产这类化合物。一些有机硅主要用于低泡沫;其他人强调良好的润滑性或高热稳定性。在大多数情况下，这三种性质是相互排斥的，必须选择妥协化合物以在各方面提供足够的性能。值得注意的是，如果能够容忍适度的气体放出，则硅可以在长达600华氏度的封闭系统中使用，甚至可以在700华氏度下使用。它们在高温下的润滑性能现在接近温度受限的其他流体的润滑性能。有机硅具有比大多数其他液压流体更低的体积模量，并且体积模量随温度显着变化。对于高响应控制设备和高压泵的设计者来说，这是一个重要的缺点。第一种情况是低频液压共振，第二种情况是体积效率损失。正常流体体积模量为270,000psi。这些通常在400华氏度下降至150,000 psi。然而，在硅油中，低温模量约为200,000psi，在600华氏度下降至50,000 psi。硅的低温粘度梯度与日产和其他大多数液压油的表现不同。滚动接触轴承。在设计与硅油一起使用的旋转设备时应该认识到这一点。当在轴颈轴承的箭头剪切间隙中受到摩擦时，碳氢化合物的粘度迅速降低。因此，阻力或摩擦力减小，直到达到粘度和剪切速率的新平衡。对于硅树脂中给定的摩擦热输入，较小的粘度变化率需要完全不同的平衡点，并且可能发生设计用于与碳氢化合物一起使用的轴承。或二酯不能与硅氧烷达到这种平衡。然后加热到高温导致流体或金属或两者都失效的程度。
超过600华氏度的服务，这次没有普遍有用的液压油。许多有机化合物正在接受调查，可提供高达1000华氏度及以上的服务。硅烷和双醚经常被提及作为800华氏度荣誉的竞争者。
液态金属
液态金属已被广泛用作远高于1200华氏度的传热流体。它们完全缺乏润滑性能和抗氧化性，这对它们在液压动力控制系统中的应用构成了巨大障碍。钠钾共晶具有许多特性。这非常适合液压服务。大约14华氏度的熔点足够低，除了在较冷的天气条件下，它可以在所有地方使用。它的沸点约为1400华氏度。在这个宽温度范围内，流体的粘度基本保持不变。液态金属没有发泡或气体溶解问题。NaK 77的体积模量非常高，室温下为900,000psi，其密度等于许多烃。由于它对氧气和所有载氧化合物的贪婪欲望，它必须密封在一个系统-80华氏度中，以便普通的垫圈，火炬配件，轴封等完全不足以防止氧气扩散到液体中，导致氧化物形成。然后将这些氧化物沉积在系统中最冷的位置，并倾向于堵塞阀门和孔口。液态金属也倾向于与许多结构金属合金并且存在很大程度的相容性问题。弯曲和耀斑中的应力腐蚀通常是由液态金属的侵蚀引起的。尽管存在这些令人生畏的问题，但目前正在进行深入研究以开发NaK 77流体系统，其所有组件均适合在1000华氏度及以上的温度下使用。由于其沸点低于许多有机流体的沸点，因此不太可能使用汞，并且其高密度实际上排除了其作为控制系统流体的用途。
1.2.液压油的性质
密度
术语密度，比重量和比重均指一种性质，即每单位体积流体的质量。在本书中，我们将主要处理每单位体积（以立方英寸为单位）的重量（磅），因为这是一组具有压力的单位（以磅/平方英寸为单位），其他重要参数以英寸 - 磅表示 - 第二单位。
密度是温度和压力的函数。除了粗略计算之外，绝不能假设密度在宽温度和压力变化时保持恒定。在前一种情况下，除非考虑到，否则在最低系统温度和运行期间达到的最大值之间的流体膨胀可能导致严重的故障。在高温飞机或导弹液压系统中，在极端油温为65和500华氏度的情况下，预计油量将变化约35％。显然，除了由制动器，蓄能器和系统损失引起的其他变化之外，必须在流体贮存器中设置以适应这些体积变化。另一方面，由于压力变化导致的液压流体的压缩是液压伺服系统中控制不稳定的主要原因。液体像压力下的弹簧一样在压力下收缩。因此，所有流体柱必须被视为弹簧，并且当与质量块结合时，必须认识到刚性是机械振动的潜在来源。
流体密度在通过限制（阀门，孔口和管线）和通过高速旋转机器（泵，马达）计算液压流体的流量中是最重要的。当将压力能量转换为速度时，每个单位体积的流体的质量“抵抗”加速。由此得出，根据众所周知的关系，给定的孔将根据流体密度引起压降。
如果流量是任何组分的优点标准，那么密度的变化对流体压力的变化具有相等且相反的影响。高流体密度需要更大的阀门来传递给定的流体动力。相反，低密度流体需要控制阀中的极小开口。这些小开口存在制造问题并且还需要更精细的流体过滤。低密度的气体导致小泄漏间隙的高泄漏。在常用的1500至3000psi的液压下的空气将需要阀口区域和致动器或阀间隙，其大约为处理相同功率并具有相等泄漏损失的液压油部件的3000个间隙。
在泵和马达中，流体必须在定子和转子之间的短空间内从如此低的线速度（10英尺/秒）加速到200英尺/秒，这是流体密度决定了对增压的需求。显然，具有汞密度的流体将需要17倍于正常比重为0.8的液压流体所需的入口压力。此外，伺服控制线中的流体惯性会很大，以至于通常可用压力的大部分会被加速和减速这一液体柱吸收，而不会在执行器中做任何有用的工作。所有这些考虑都会导致我们接受用于液压控制服务的比重为0.7至1.0的流体。这种密度值在阀门的适当节流能力和泵，电动机，致动器和控制线路中的适度流体惯性之间提供的折衷。
粘性
粘度是流体对其部件的相对运动提供的阻力。厘米 - 克 - 秒系统中的粘度单位是平衡的。它表示由1 cm的流体层经历的达因的剪切力。当距离它1cm处的流体以大于1cm / sec的速度移动时，在横截面中并且平行于运动方向。在数学符号中。
这里流体层的剪切应力，达因/
=绝对粘度，平衡
=速度，厘米/秒
=垂直于流动方向的距离，cm
经常发现液压动力源在管路中产生相当大的压力脉动。这个问题可能是由于泵与相关的放电线路一起引起的。在线路中可能存在调谐的谐振腔，这会放大由每个泵活塞产生的流动脉动。通常这些脉动远低于平均流量的5％。流体压缩性和质量可以一起反应，放大这些小脉冲，使得循环负压可能存在于3000 psi的线路中！这种现象的责任不在于泵，而在于系统设计不良。
润滑
目前，润滑性是流体的模糊性质，其有助于防止高负荷金属表面之间的磨损。只要存在足够的剪切速率来通过粘性作用来支撑轴颈载荷，流体所具有的润滑性就不重要了。在起动期间，并且在金属表面突破承载油膜的条件下，金属表面的粗糙度彼此接触。因此，这种润滑性能将防止或最小化磨损，磨损或焊接引起的磨损。显然，金属表面的相容性是最重要的。在给定的金属表面彼此相互作用的情况下，
资料编号：[4299]
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