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，液壓油是傳遞動力和信號的工作介質(zhì)。同時它還起到潤滑、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械油為基料，按需要加入適當?shù)奶砑觿┒傻摹＿@種油液的潤滑性好，但抗燃性差。這種液壓油包括機械油、汽輪機油、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。其主要特點是：價廉、抗燃、省油、易得、易儲運，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、氯碳氫化合物、聚合脂肪酸酯液等。

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

2.1.2　海水液壓油的優(yōu)缺點

地球上水資源十分豐富，若以海水為工作介質(zhì)，不僅費用低廉、使用方便，而且介質(zhì)的泄漏和排放不會對環(huán)境造成污染，因此它是一種非常有研究價值的“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，對人體健康也沒有影響。

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

④ 易維護保養(yǎng)，維護成本低。

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、汽化壓力高等特點，因此將海水用作液壓系統(tǒng)介質(zhì)時存在許多問題。

① 腐蝕問題。海水具有較強的腐蝕性，海水的硬度、pH值及其中的微生物都會對元器件產(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、振動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，在實際使用中可認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，所引起體積的相對變化率稱為液體的體積壓縮系數(shù)。由于壓力增大時液體的體積減小，即dp與dV的符號始終相反，因此為保證k為正值，在上式的右邊加一負號。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，其抵抗壓縮能力會顯著下降，并嚴重影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此，在分析液壓油的可壓縮性時，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，在工程計算中常取液壓油的體積彈性模量K=0.7×10³MPa。

在變動壓力下，海洋裝備液壓油的可壓縮性作用極像一個彈簧，外力增大，體積減小；外力減小，體積增大。當作用在封閉容器內(nèi)液體上的外力發(fā)生ΔF的變化時，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液壓傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大，但當海洋裝備液壓傳動系統(tǒng)在靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）下工作時，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（或具有流動趨勢）時，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子間的相對運動而產(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，只有在流動時才能表現(xiàn)出來。

液體流動時，由于液體和固體壁面間的附著力以及液體本身的黏性會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運動。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。實驗表明，液體流動時相鄰液層間的內(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——動力黏度，由液體性質(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，即動力黏度、運動黏度和相對黏度。

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

　　 （2.7）

式（2.7）表示了動力黏度的物理意義，即液體在單位速度梯度下流動或有流動趨勢時，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 運動黏度ν　液體的動力黏度μ與其密度ρ的比值稱為液體的運動黏度：

　　 （2.8）

液體的運動黏度沒有明確的物理意義，但在工程實際中經(jīng)常用到。因為它的單位只有長度和時間的量綱，所以被稱為運動黏度。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，常由它在某一溫度下的運動黏度的平均值來表示。我國把40℃時運動黏度以厘斯（cSt）為單位的平均值作為液壓油的牌號。例如46號液壓油，就是在40℃時運動黏度的平均值為46cSt。

③ 相對黏度　動力黏度與運動黏度都很難直接測量，所以在工程上常用相對黏度。所謂相對黏度就是采用特定的黏度計在規(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測定，即將200mL、溫度為t（℃）的被測液體裝入黏度計的容器內(nèi)，由其下部直徑為2.8mm的小孔流出，測出流盡所需的時間t₁（s），再測出200mL、20℃蒸餾水在同一黏度計中流盡所需的時間t₂（s），這兩個時間的比值就稱為被測液體的恩式黏度：

　　 （2.9）

恩氏黏度與運動黏度的關(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，其分子間的距離將減小，內(nèi)摩擦力增大，黏度也隨之增大。對于一般的液壓系統(tǒng)，當壓力在20MPa以下時，壓力對黏度的影響不大，可以忽略不計；當壓力較高或壓力變化較大時，黏度的變化則不容忽略。

　　 （2.11）

式中　ν_p——油液在壓力p時的運動黏度；

ν₀——油液在（相對）壓力為零時的運動黏度。

（4）黏度與溫度的關(guān)系

油液的黏度對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時的動力黏度；

μ₀——溫度為t₀的動力黏度；

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。這些性能對液壓油的選擇和應(yīng)用有重要影響^[2]。

2.1.4　對海洋裝備液壓油的要求

不同的液壓傳動系統(tǒng)、不同的使用情況對液壓油的要求有很大的不同。為了更好地傳遞動力，同時適應(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 流動點和凝固點低，閃點和燃點高；

⑨ 對人體無害，成本低；

⑩ 對海洋生物環(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，且工作期間無法進行維護和修理，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。

對液壓油牌號的選擇，主要是對油液黏度等級的選擇，這是因為黏度對液壓系統(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)境溫度較高時宜選用黏度較大的液壓油，主要目的是減少泄漏，因為環(huán)境溫度高會使液壓油的黏度下降；反之，選用黏度較小的液壓油。

（3）運動速度

當工作部件的運動速度較高時，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，液壓泵對液壓油的要求最嚴格，因為泵內(nèi)零件的運動速度最高，承受的壓力最大，且承壓時間長、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、爬行等現(xiàn)象。

（2）污染的原因

① 潛在污染：制造、儲存、運輸、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、運轉(zhuǎn)前對設(shè)備進行串油等處理，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。