第2章　海洋液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

2.1　海洋裝備液壓油

在海洋液壓系統(tǒng)中，液壓油是傳遞動(dòng)力和信號(hào)的工作介質(zhì)。同時(shí)它還起到潤滑、冷卻和防銹、防腐蝕的作用。海洋液壓系統(tǒng)能否可靠、高效地工作在很大程度上取決于液壓油的性能。因此，在研究海洋裝備液壓技術(shù)之前，首先了解一下應(yīng)用于海洋裝備的液壓油。

2.1.1　海洋裝備液壓油的種類

海洋裝備液壓油包括石油型和難燃型兩大類。

石油型的液壓油是以精煉后的機(jī)械油為基料，按需要加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┒傻摹＿@種油液的潤滑性好，但抗燃性差。這種液壓油包括機(jī)械油、汽輪機(jī)油、通用液壓油和專用液壓油等。

難燃型液壓油是以水為基底，加入添加劑（包括乳化劑、抗磨劑、防銹劑、防氧化腐蝕劑和殺菌劑等）而成的。其主要特點(diǎn)是：價(jià)廉、抗燃、省油、易得、易儲(chǔ)運(yùn)，但潤滑性差、黏度低、易產(chǎn)生氣蝕等。這種油液包括乳化液、水-乙二醇液、磷酸酯液、氯碳?xì)浠衔铩⒕酆现舅狨ヒ旱取?/p>

目前，直接用海水作為工作介質(zhì)的海水液壓傳動(dòng)技術(shù)已成為當(dāng)今國際海洋作業(yè)裝備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向，并被西方發(fā)達(dá)國家多年的實(shí)際應(yīng)用證明為最佳的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式。

2.1.2　海水液壓油的優(yōu)缺點(diǎn)

地球上水資源十分豐富，若以海水為工作介質(zhì)，不僅費(fèi)用低廉、使用方便，而且介質(zhì)的泄漏和排放不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此它是一種非常有研究價(jià)值的“綠色工作介質(zhì)”。與傳統(tǒng)的液壓油相比，海水的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① 環(huán)保性好。海水是一種環(huán)境友好的工作介質(zhì)。

② 安全性高。海水是難燃型液體，可在高溫環(huán)境下工作，也可以用來滅火，能消除火災(zāi)危險(xiǎn)，對(duì)人體健康也沒有影響。

③ 經(jīng)濟(jì)性好。海水在海洋中隨處可取，既能節(jié)約能源，又節(jié)省了購買、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)以及廢油處理等所帶來的一系列費(fèi)用和麻煩。

④ 易維護(hù)保養(yǎng)，維護(hù)成本低。

⑤ 性能穩(wěn)定。海水液壓系統(tǒng)不存在由于工作介質(zhì)被其他液體侵入而影響工作可靠性的問題，工作性能比較穩(wěn)定。

但是，由于海水的理化性能不同于礦物油，海水介質(zhì)具有黏度低、潤滑性差、導(dǎo)電性強(qiáng)、汽化壓力高等特點(diǎn)，因此將海水用作液壓系統(tǒng)介質(zhì)時(shí)存在許多問題。

① 腐蝕問題。海水具有較強(qiáng)的腐蝕性，海水的硬度、pH值及其中的微生物都會(huì)對(duì)元器件產(chǎn)生不良影響。

② 磨損問題。由于海水是一種弱潤滑劑，因此摩擦副中很難形成液體潤滑，材料容易因磨損而受到破壞。

③ 氣蝕問題。水的飽和蒸氣壓比油的高，從理論上講，更容易產(chǎn)生氣蝕，從而產(chǎn)生壓力波動(dòng)、振動(dòng)和噪聲等一系列問題。

④ 絕緣問題。海水是一種弱電解質(zhì)，具有導(dǎo)電性，因此要求液壓系統(tǒng)具有更好的絕緣性。

⑤ 密封問題。水的黏度只有礦物油的1/50～1/40，在同等壓力下，海水介質(zhì)通過相同密封件的泄漏量是礦物油介質(zhì)的30倍以上。

2.1.3　液壓油的性質(zhì)

1）密度

單位體積液體的質(zhì)量稱為液體的密度。通常用ρ表示，其單位為kg/m³。

　　 （2.1）

式中　V——液體的體積，m³；

m——液體的質(zhì)量，kg。

密度是液體的一個(gè)重要物理參數(shù)，主要用密度表示液體的質(zhì)量。常用液壓油的密度約為900kg/m³，在實(shí)際使用中可認(rèn)為密度不受溫度和壓力的影響。

2）可壓縮性

液體的體積隨壓力的變化而變化的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。其大小用體積壓縮系數(shù)k表示。

　　 （2.2）

即單位壓力變化時(shí)，所引起體積的相對(duì)變化率稱為液體的體積壓縮系數(shù)。由于壓力增大時(shí)液體的體積減小，即dp與dV的符號(hào)始終相反，因此為保證k為正值，在上式的右邊加一負(fù)號(hào)。k值越大液體的可壓縮性越大，反之液體的可壓縮性越小。

液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量，用K表示。

　　 （2.3）

K表示液體產(chǎn)生單位體積相對(duì)變化量所需要的壓力增量，可用其說明液體抵抗壓縮能力的大小。在常溫下，純凈液壓油的體積彈性模量K=（1.4～2.0）×10³MPa，數(shù)值很大，故一般可以認(rèn)為液壓油是不可壓縮的。若液壓油中混入空氣，其抵抗壓縮能力會(huì)顯著下降，并嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此，在分析液壓油的可壓縮性時(shí)，必須綜合考慮液壓油本身的可壓縮性、混在油中空氣的可壓縮性以及盛放液壓油的封閉容器（包括管道）的容積變形等因素的影響，常用等效體積彈性模量表示，在工程計(jì)算中常取液壓油的體積彈性模量K=0.7×10³MPa。

在變動(dòng)壓力下，海洋裝備液壓油的可壓縮性作用極像一個(gè)彈簧，外力增大，體積減小；外力減小，體積增大。當(dāng)作用在封閉容器內(nèi)液體上的外力發(fā)生ΔF的變化時(shí)，如液體承壓面積A不變，則液柱的長度必有Δl的變化（圖2.1）。在這里，體積變化為ΔV=AΔl，壓力變化為Δp=ΔF/A，此時(shí)液體的體積彈性模量為：

液壓彈簧剛度k_h為：

　　 （2.4）

海洋裝備液壓油的可壓縮性對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較大，但當(dāng)海洋裝備液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）下工作時(shí)，一般可以不予考慮。

3）黏性

（1）黏性的定義

液體在外力作用下流動(dòng)（或具有流動(dòng)趨勢）時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象稱為液體的黏性。黏性是液體固有的屬性，只有在流動(dòng)時(shí)才能表現(xiàn)出來。

液體流動(dòng)時(shí)，由于液體和固體壁面間的附著力以及液體本身的黏性會(huì)使液體各層間的速度大小不等。如圖2.2所示，在兩塊平行平板間充滿液體，其中一塊板固定，另一塊板以速度u₀運(yùn)動(dòng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩平板間各層液體速度按線性規(guī)律變化。最下層液體的速度為零，最上層液體的速度為u₀。實(shí)驗(yàn)表明，液體流動(dòng)時(shí)相鄰液層間的內(nèi)摩擦力F_f與液層接觸面積A成正比，與液層間的速度梯度du/dy成正比，并且與液體的性質(zhì)有關(guān)，即

　　 （2.5）

式中　μ——?jiǎng)恿︷ざ龋梢后w性質(zhì)決定的系數(shù)，Pa·s；

A——接觸面積，m²；

du/dy——速度梯度，s^-1。

其應(yīng)力形式為：

　　 （2.6）

式中　τ——摩擦應(yīng)力或切應(yīng)力。

這就是著名的牛頓內(nèi)摩擦定律。

（2）黏度

液體黏性的大小用黏度表示。常用的表示方法有三種，即動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和相對(duì)黏度。

① 動(dòng)力黏度（或絕對(duì)黏度）μ　動(dòng)力黏度就是牛頓內(nèi)摩擦定律中的μ，由式（2.5）可得：

　　 （2.7）

式（2.7）表示了動(dòng)力黏度的物理意義，即液體在單位速度梯度下流動(dòng)或有流動(dòng)趨勢時(shí)，相接觸的液層間單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。在國際單位制中的單位為Pa·s（N·s/m²），工程上用的單位是P（泊）或cP（厘泊），1Pa·s=10P=10³cP。

② 運(yùn)動(dòng)黏度ν　液體的動(dòng)力黏度μ與其密度ρ的比值稱為液體的運(yùn)動(dòng)黏度：

　　 （2.8）

液體的運(yùn)動(dòng)黏度沒有明確的物理意義，但在工程實(shí)際中經(jīng)常用到。因?yàn)樗膯挝恢挥虚L度和時(shí)間的量綱，所以被稱為運(yùn)動(dòng)黏度。在國際單位制中的單位為m²/s，工程上用的單位是cm²/s（斯托克斯St）或mm²/s（厘斯cSt），1m²/s=10⁴St=10⁶cSt。

液壓油的牌號(hào)，常由它在某一溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度的平均值來表示。我國把40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度以厘斯（cSt）為單位的平均值作為液壓油的牌號(hào)。例如46號(hào)液壓油，就是在40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的平均值為46cSt。

③ 相對(duì)黏度　動(dòng)力黏度與運(yùn)動(dòng)黏度都很難直接測量，所以在工程上常用相對(duì)黏度。所謂相對(duì)黏度就是采用特定的黏度計(jì)在規(guī)定的條件下測量出來的黏度。由于測量的條件不同，各國采用的相對(duì)黏度也不同，我國、俄羅斯、德國用恩氏黏度，美國用賽氏黏度，英國用雷氏黏度。

恩式黏度用恩式黏度計(jì)測定，即將200mL、溫度為t（℃）的被測液體裝入黏度計(jì)的容器內(nèi)，由其下部直徑為2.8mm的小孔流出，測出流盡所需的時(shí)間t₁（s），再測出200mL、20℃蒸餾水在同一黏度計(jì)中流盡所需的時(shí)間t₂（s），這兩個(gè)時(shí)間的比值就稱為被測液體的恩式黏度：

　　 （2.9）

恩氏黏度與運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系為：

　　 （2.10）

（3）黏度與壓力的關(guān)系

液體所受的壓力增大時(shí)，其分子間的距離將減小，內(nèi)摩擦力增大，黏度也隨之增大。對(duì)于一般的液壓系統(tǒng)，當(dāng)壓力在20MPa以下時(shí)，壓力對(duì)黏度的影響不大，可以忽略不計(jì)；當(dāng)壓力較高或壓力變化較大時(shí)，黏度的變化則不容忽略。

　　 （2.11）

式中　ν_p——油液在壓力p時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；

ν₀——油液在（相對(duì)）壓力為零時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度。

（4）黏度與溫度的關(guān)系

油液的黏度對(duì)溫度的變化極為敏感，溫度升高，油的黏度顯著降低。油的黏度隨溫度變化的性質(zhì)稱為黏溫特性。不同種類的液壓油有不同的黏溫特性，黏溫特性較好的液壓油，其黏度隨溫度的變化較小，因而油溫變化對(duì)液壓系統(tǒng)性能的影響較小。液壓油的黏度與溫度的關(guān)系可用式（2.12）表示：

　　 （2.12）

式中　μ_t——溫度為t時(shí)的動(dòng)力黏度；

μ₀——溫度為t₀的動(dòng)力黏度；

λ——油液的黏溫系數(shù)。

油液的黏溫特性可用黏度指數(shù)VI來表示，VI值越大，表示油液黏度隨溫度的變化越小，即黏溫特性越好。一般液壓油要求VI值在90以上，精制的液壓油及有添加劑的液壓油，其值可大于100。

4）其他性質(zhì)

其他性質(zhì)包括穩(wěn)定性（抗熱、水解、氧化、剪切性）、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性和相容性等。這些性能對(duì)液壓油的選擇和應(yīng)用有重要影響^[2]。

2.1.4　對(duì)海洋裝備液壓油的要求

不同的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、不同的使用情況對(duì)液壓油的要求有很大的不同。為了更好地傳遞動(dòng)力，同時(shí)適應(yīng)海洋惡劣的環(huán)境，海洋裝備液壓系統(tǒng)使用的海洋裝備液壓油應(yīng)具備如下性能。

① 合適的黏度，較好的黏溫特性；

② 潤滑性能好；

③ 質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少；

④ 具有良好的相容性；

⑤ 具有良好的穩(wěn)定性（抗熱、水解、氧化、剪切性）；

⑥ 具有良好的抗泡沫性、抗乳化性、防銹性，腐蝕性小；

⑦ 體脹系數(shù)低，比熱容大；

⑧ 流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高；

⑨ 對(duì)人體無害，成本低；

⑩ 對(duì)海洋生物環(huán)境沒有污染以及廢液再生處理問題。

2.1.5　海洋裝備液壓油的選擇

正確合理地選擇海洋裝備液壓油，對(duì)保證海洋裝備液壓系統(tǒng)正常工作、延長海洋裝備液壓系統(tǒng)和海洋裝備液壓元件的使用壽命、提高海洋裝備液壓系統(tǒng)的工作可靠性等都有重要影響。在海洋環(huán)境下，許多海洋設(shè)備的工作周期非常長，且工作期間無法進(jìn)行維護(hù)和修理，因此正確地選擇液壓油在海洋液壓裝備中顯得尤為重要。

海洋裝備液壓油的選用，首先應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件選擇合適的液壓油類型，然后再選擇液壓油的牌號(hào)。

對(duì)液壓油牌號(hào)的選擇，主要是對(duì)油液黏度等級(jí)的選擇，這是因?yàn)轲ざ葘?duì)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、效率、溫升以及磨損都有很大的影響。在選擇黏度時(shí)應(yīng)注意以下幾方面情況。

（1）海洋裝備液壓系統(tǒng)的工作壓力

工作壓力較高的液壓系統(tǒng)宜選用黏度較大的液壓油，以便于密封，減少泄漏；反之，可選用黏度較小的液壓油。

（2）環(huán)境溫度

環(huán)境溫度較高時(shí)宜選用黏度較大的液壓油，主要目的是減少泄漏，因?yàn)榄h(huán)境溫度高會(huì)使液壓油的黏度下降；反之，選用黏度較小的液壓油。

（3）運(yùn)動(dòng)速度

當(dāng)工作部件的運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，為減少液流的摩擦損失，宜選用黏度較小的液壓油；反之，為了減少泄漏，應(yīng)選用黏度較大的液壓油。

在海洋裝備液壓系統(tǒng)中，液壓泵對(duì)液壓油的要求最嚴(yán)格，因?yàn)楸脙?nèi)零件的運(yùn)動(dòng)速度最高，承受的壓力最大，且承壓時(shí)間長、溫升大，所以，常根據(jù)液壓泵的類型及其要求來選擇液壓油的黏度。各類液壓泵適用的黏度范圍如表2.1所示。

2.1.6　海洋裝備液壓油的污染與防治

海洋裝備液壓油的污染，常常是系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。因此，海洋裝備液壓油的正確使用、管理和防污是保證液壓系統(tǒng)正常可靠工作的重要方面，必須給予重視。

1）液壓油的污染

所謂污染就是油中含有水分、空氣、微小固體物、橡膠黏狀物等。

（1）污染的危害

① 堵塞過濾器，使泵吸油困難，產(chǎn)生噪聲。

② 堵塞元件的微小孔道和縫隙，使元件動(dòng)作失靈；加速零件的磨損，使元件不能正常工作；擦傷密封件，增加泄漏量。

③ 水分和空氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質(zhì)；產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速腐蝕；使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)、爬行等現(xiàn)象。

（2）污染的原因

① 潛在污染：制造、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、安裝、維修過程中的殘留物。

② 侵入污染：空氣、海水的侵入。

③ 再生污染：工作過程中發(fā)生反應(yīng)后的生成物。

2）污染的防治（措施）

液壓油污染的原因很復(fù)雜，而且不可避免。為了延長液壓元件的壽命，保證液壓系統(tǒng)可靠地工作，必須采取一些措施。

① 使液壓油在使用前保持清潔。

② 使液壓系統(tǒng)在裝配后、運(yùn)轉(zhuǎn)前對(duì)設(shè)備進(jìn)行串油等處理，并保持油路清潔。

③ 使液壓油在工作中保持清潔。

④ 采用合適的過濾器。

⑤ 定期更換液壓油。

⑥ 控制液壓油的工作溫度。