第2章　海洋液压流体力学基础

2.1　海洋装备液压油

在海洋液压系统中，液压油是传递动力和信号的工作介质。同时它还起到润滑、冷却和防锈、防腐蚀的作用。海洋液压系统能否可靠、高效地工作在很大程度上取决于液压油的性能。因此，在研究海洋装备液压技术之前，首先了解一下应用于海洋装备的液压油。

2.1.1　海洋装备液压油的种类

海洋装备液压油包括石油型和难燃型两大类。

石油型的液压油是以精炼后的机械油为基料，按需要加入适当的添加剂而成的。这种油液的润滑性好，但抗燃性差。这种液压油包括机械油、汽轮机油、通用液压油和专用液压油等。

难燃型液压油是以水为基底，加入添加剂（包括乳化剂、抗磨剂、防锈剂、防氧化腐蚀剂和杀菌剂等）而成的。其主要特点是：价廉、抗燃、省油、易得、易储运，但润滑性差、黏度低、易产生气蚀等。这种油液包括乳化液、水-乙二醇液、磷酸酯液、氯碳氢化合物、聚合脂肪酸酯液等。

目前，直接用海水作为工作介质的海水液压传动技术已成为当今国际海洋作业装备动力驱动系统的发展方向，并被西方发达国家多年的实际应用证明为最佳的动力驱动方式。

2.1.2　海水液压油的优缺点

地球上水资源十分丰富，若以海水为工作介质，不仅费用低廉、使用方便，而且介质的泄漏和排放不会对环境造成污染，因此它是一种非常有研究价值的“绿色工作介质”。与传统的液压油相比，海水的优势体现在以下几个方面。

① 环保性好。海水是一种环境友好的工作介质。

② 安全性高。海水是难燃型液体，可在高温环境下工作，也可以用来灭火，能消除火灾危险，对人体健康也没有影响。

③ 经济性好。海水在海洋中随处可取，既能节约能源，又节省了购买、运输、仓储以及废油处理等所带来的一系列费用和麻烦。

④ 易维护保养，维护成本低。

⑤ 性能稳定。海水液压系统不存在由于工作介质被其他液体侵入而影响工作可靠性的问题，工作性能比较稳定。

但是，由于海水的理化性能不同于矿物油，海水介质具有黏度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等特点，因此将海水用作液压系统介质时存在许多问题。

① 腐蚀问题。海水具有较强的腐蚀性，海水的硬度、pH值及其中的微生物都会对元器件产生不良影响。

② 磨损问题。由于海水是一种弱润滑剂，因此摩擦副中很难形成液体润滑，材料容易因磨损而受到破坏。

③ 气蚀问题。水的饱和蒸气压比油的高，从理论上讲，更容易产生气蚀，从而产生压力波动、振动和噪声等一系列问题。

④ 绝缘问题。海水是一种弱电解质，具有导电性，因此要求液压系统具有更好的绝缘性。

⑤ 密封问题。水的黏度只有矿物油的1/50～1/40，在同等压力下，海水介质通过相同密封件的泄漏量是矿物油介质的30倍以上。

2.1.3　液压油的性质

1）密度

单位体积液体的质量称为液体的密度。通常用ρ表示，其单位为kg/m³。

　　 （2.1）

式中　V——液体的体积，m³；

m——液体的质量，kg。

密度是液体的一个重要物理参数，主要用密度表示液体的质量。常用液压油的密度约为900kg/m³，在实际使用中可认为密度不受温度和压力的影响。

2）可压缩性

液体的体积随压力的变化而变化的性质称为液体的可压缩性。其大小用体积压缩系数k表示。

　　 （2.2）

即单位压力变化时，所引起体积的相对变化率称为液体的体积压缩系数。由于压力增大时液体的体积减小，即dp与dV的符号始终相反，因此为保证k为正值，在上式的右边加一负号。k值越大液体的可压缩性越大，反之液体的可压缩性越小。

液体体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示。

　　 （2.3）

K表示液体产生单位体积相对变化量所需要的压力增量，可用其说明液体抵抗压缩能力的大小。在常温下，纯净液压油的体积弹性模量K=（1.4～2.0）×10³MPa，数值很大，故一般可以认为液压油是不可压缩的。若液压油中混入空气，其抵抗压缩能力会显著下降，并严重影响液压系统的工作性能。因此，在分析液压油的可压缩性时，必须综合考虑液压油本身的可压缩性、混在油中空气的可压缩性以及盛放液压油的封闭容器（包括管道）的容积变形等因素的影响，常用等效体积弹性模量表示，在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7×10³MPa。

在变动压力下，海洋装备液压油的可压缩性作用极像一个弹簧，外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。当作用在封闭容器内液体上的外力发生ΔF的变化时，如液体承压面积A不变，则液柱的长度必有Δl的变化（图2.1）。在这里，体积变化为ΔV=AΔl，压力变化为Δp=ΔF/A，此时液体的体积弹性模量为：

液压弹簧刚度k_h为：

　　 （2.4）

海洋装备液压油的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，但当海洋装备液压传动系统在静态（稳态）下工作时，一般可以不予考虑。

3）黏性

（1）黏性的定义

液体在外力作用下流动（或具有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象称为液体的黏性。黏性是液体固有的属性，只有在流动时才能表现出来。

液体流动时，由于液体和固体壁面间的附着力以及液体本身的黏性会使液体各层间的速度大小不等。如图2.2所示，在两块平行平板间充满液体，其中一块板固定，另一块板以速度u₀运动。结果发现两平板间各层液体速度按线性规律变化。最下层液体的速度为零，最上层液体的速度为u₀。实验表明，液体流动时相邻液层间的内摩擦力F_f与液层接触面积A成正比，与液层间的速度梯度du/dy成正比，并且与液体的性质有关，即

　　 （2.5）

式中　μ——动力黏度，由液体性质决定的系数，Pa·s；

A——接触面积，m²；

du/dy——速度梯度，s^-1。

其应力形式为：

　　 （2.6）

式中　τ——摩擦应力或切应力。

这就是著名的牛顿内摩擦定律。

（2）黏度

液体黏性的大小用黏度表示。常用的表示方法有三种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。

① 动力黏度（或绝对黏度）μ　动力黏度就是牛顿内摩擦定律中的μ，由式（2.5）可得：

　　 （2.7）

式（2.7）表示了动力黏度的物理意义，即液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。在国际单位制中的单位为Pa·s（N·s/m²），工程上用的单位是P（泊）或cP（厘泊），1Pa·s=10P=10³cP。

② 运动黏度ν　液体的动力黏度μ与其密度ρ的比值称为液体的运动黏度：

　　 （2.8）

液体的运动黏度没有明确的物理意义，但在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，所以被称为运动黏度。在国际单位制中的单位为m²/s，工程上用的单位是cm²/s（斯托克斯St）或mm²/s（厘斯cSt），1m²/s=10⁴St=10⁶cSt。

液压油的牌号，常由它在某一温度下的运动黏度的平均值来表示。我国把40℃时运动黏度以厘斯（cSt）为单位的平均值作为液压油的牌号。例如46号液压油，就是在40℃时运动黏度的平均值为46cSt。

③ 相对黏度　动力黏度与运动黏度都很难直接测量，所以在工程上常用相对黏度。所谓相对黏度就是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的黏度。由于测量的条件不同，各国采用的相对黏度也不同，我国、俄罗斯、德国用恩氏黏度，美国用赛氏黏度，英国用雷氏黏度。

恩式黏度用恩式黏度计测定，即将200mL、温度为t（℃）的被测液体装入黏度计的容器内，由其下部直径为2.8mm的小孔流出，测出流尽所需的时间t₁（s），再测出200mL、20℃蒸馏水在同一黏度计中流尽所需的时间t₂（s），这两个时间的比值就称为被测液体的恩式黏度：

　　 （2.9）

恩氏黏度与运动黏度的关系为：

　　 （2.10）

（3）黏度与压力的关系

液体所受的压力增大时，其分子间的距离将减小，内摩擦力增大，黏度也随之增大。对于一般的液压系统，当压力在20MPa以下时，压力对黏度的影响不大，可以忽略不计；当压力较高或压力变化较大时，黏度的变化则不容忽略。

　　 （2.11）

式中　ν_p——油液在压力p时的运动黏度；

ν₀——油液在（相对）压力为零时的运动黏度。

（4）黏度与温度的关系

油液的黏度对温度的变化极为敏感，温度升高，油的黏度显著降低。油的黏度随温度变化的性质称为黏温特性。不同种类的液压油有不同的黏温特性，黏温特性较好的液压油，其黏度随温度的变化较小，因而油温变化对液压系统性能的影响较小。液压油的黏度与温度的关系可用式（2.12）表示：

　　 （2.12）

式中　μ_t——温度为t时的动力黏度；

μ₀——温度为t₀的动力黏度；

λ——油液的黏温系数。

油液的黏温特性可用黏度指数VI来表示，VI值越大，表示油液黏度随温度的变化越小，即黏温特性越好。一般液压油要求VI值在90以上，精制的液压油及有添加剂的液压油，其值可大于100。

4）其他性质

其他性质包括稳定性（抗热、水解、氧化、剪切性）、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性和相容性等。这些性能对液压油的选择和应用有重要影响^[2]。

2.1.4　对海洋装备液压油的要求

不同的液压传动系统、不同的使用情况对液压油的要求有很大的不同。为了更好地传递动力，同时适应海洋恶劣的环境，海洋装备液压系统使用的海洋装备液压油应具备如下性能。

① 合适的黏度，较好的黏温特性；

② 润滑性能好；

③ 质地纯净，杂质少；

④ 具有良好的相容性；

⑤ 具有良好的稳定性（抗热、水解、氧化、剪切性）；

⑥ 具有良好的抗泡沫性、抗乳化性、防锈性，腐蚀性小；

⑦ 体胀系数低，比热容大；

⑧ 流动点和凝固点低，闪点和燃点高；

⑨ 对人体无害，成本低；

⑩ 对海洋生物环境没有污染以及废液再生处理问题。

2.1.5　海洋装备液压油的选择

正确合理地选择海洋装备液压油，对保证海洋装备液压系统正常工作、延长海洋装备液压系统和海洋装备液压元件的使用寿命、提高海洋装备液压系统的工作可靠性等都有重要影响。在海洋环境下，许多海洋设备的工作周期非常长，且工作期间无法进行维护和修理，因此正确地选择液压油在海洋液压装备中显得尤为重要。

海洋装备液压油的选用，首先应根据液压系统的工作环境和工作条件选择合适的液压油类型，然后再选择液压油的牌号。

对液压油牌号的选择，主要是对油液黏度等级的选择，这是因为黏度对液压系统的稳定性、可靠性、效率、温升以及磨损都有很大的影响。在选择黏度时应注意以下几方面情况。

（1）海洋装备液压系统的工作压力

工作压力较高的液压系统宜选用黏度较大的液压油，以便于密封，减少泄漏；反之，可选用黏度较小的液压油。

（2）环境温度

环境温度较高时宜选用黏度较大的液压油，主要目的是减少泄漏，因为环境温度高会使液压油的黏度下降；反之，选用黏度较小的液压油。

（3）运动速度

当工作部件的运动速度较高时，为减少液流的摩擦损失，宜选用黏度较小的液压油；反之，为了减少泄漏，应选用黏度较大的液压油。

在海洋装备液压系统中，液压泵对液压油的要求最严格，因为泵内零件的运动速度最高，承受的压力最大，且承压时间长、温升大，所以，常根据液压泵的类型及其要求来选择液压油的黏度。各类液压泵适用的黏度范围如表2.1所示。

2.1.6　海洋装备液压油的污染与防治

海洋装备液压油的污染，常常是系统发生故障的主要原因。因此，海洋装备液压油的正确使用、管理和防污是保证液压系统正常可靠工作的重要方面，必须给予重视。

1）液压油的污染

所谓污染就是油中含有水分、空气、微小固体物、橡胶黏状物等。

（1）污染的危害

① 堵塞过滤器，使泵吸油困难，产生噪声。

② 堵塞元件的微小孔道和缝隙，使元件动作失灵；加速零件的磨损，使元件不能正常工作；擦伤密封件，增加泄漏量。

③ 水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质；产生气蚀，使液压元件加速腐蚀；使液压系统出现振动、爬行等现象。

（2）污染的原因

① 潜在污染：制造、储存、运输、安装、维修过程中的残留物。

② 侵入污染：空气、海水的侵入。

③ 再生污染：工作过程中发生反应后的生成物。

2）污染的防治（措施）

液压油污染的原因很复杂，而且不可避免。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，必须采取一些措施。

① 使液压油在使用前保持清洁。

② 使液压系统在装配后、运转前对设备进行串油等处理，并保持油路清洁。

③ 使液压油在工作中保持清洁。

④ 采用合适的过滤器。

⑤ 定期更换液压油。

⑥ 控制液压油的工作温度。