水库闸门液压系统液压油特性分析

马运彬

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 830000)

随着液压技术的发展，液压系统在水库闸门上的应用越来越广泛。液压油是液压系统的血液，因此选择适合的液压油直接影响着设备运行效率和使用寿命。本文简要分析了液压油的重要特性，这是选择液压油的重要依据。

1 粘度 (动力粘度)

对整个液压系统而言，粘度是液压油的最重要的特征，是选择理想液压油的基本标准。粘度通常可用动力粘度、运动粘度和条件粘度三种方法表示。在工程实际中常用到运动粘度及动力粘度，本文所说粘度均为动力粘度，两者之间的换算关系为u=υρ(式中，u为动力粘度，υ为运动粘度，ρ为油密度)。液压油必须在所遇到的各种压力及温度条件下时刻具备适合的粘度，以保证液压系统组件，特别是泵，能够得到充分润滑而实现良好的工作效能。液压油还必须足够粘稠，以确保良好的系统密封性，避免运转时从泵、阀门、管接头和电动机等组件的缝隙中泄露。当然液压油的粘度也不能太高，太高将无法顺畅地在液压回路中流动。同时，粘度太高其冷却性能降低。实际应用中，应尽可能地选择能够对泵进行充分润滑的最低粘度液压油作为使用的液压油。

液压油的粘度是随着外部条件的改变而改变的。其中液压油随着温度改变的特征称为粘温特性。粘温特性常用粘度指数 (Ⅵ)表示，粘度指数是用于衡量油品粘度随温度变化而变化的程度。Ⅵ指数越高，意味着粘度受温度的影响程度越小。因此油液Ⅵ指数必须足够高，以确保在系统的工作温度范围内始终发挥效能。液压油必须在工作温度上限保持足够高的粘度，以保障润滑系统组件。但是，液压油不能在工作温度下限维持过高的粘度以避免无法从低温状态中启动，粘度指数Ⅵ在100左右最好。

闸门液压系统中，液压油的粘度要求是一个复杂问题。因为闸门在一次次启门→闭门→停止的工况下，压力从最高到最低不断变化，液压油的粘度是随着压力p及温度t两个变量改变相应变化的，压力增大、温度下降都将导致液压油的粘度增加。因此在设计液压系统、选择液压油时应根据使用经验及计算来确定相应的液压油，粘度计算公式为

式中 up，t——液压油在压力 (表测压力)为p、温度为t下的动力粘度;

a、λ——粘压系数、粘温系数;

υ0，50——压力为零、温度为 50℃ 下的运动粘度;

ρ0，15——压力为零、温度为15℃下的密度;

A——液压油的热膨胀率。

a、λ、υ0，50、ρ0，15、A 可以从液压油文献中查得。

笔者工作地点为新疆北疆，那里只有冬夏两季，夏季酷热，冬季严寒而漫长，水库上的闸门液压缸又一直暴露在外，如此恶劣的运行环境下，选择适合的液压油粘度更显得必要而重要。冬季，要保证液压油在最低温环境下能够顺畅流动，这时选择液压油的倾点时就要尤其小心;夏季，温度升高粘度又下降，要保证液压油不能失去对所有元器件尤其是液压泵的润滑作用，这时液压油的粘度就比较重要。经验告诉笔者，最适宜的粘度范围是15℃温度下0.1302～0.1608 N·s/m2;液压的倾点必须比最低使用温度低10℃。

2 液压油的可压缩性

液压油的可压缩性，用于表示油品在受到压力时，体积发生变化的程度。选择的液压油必须具有较低的可压缩性，这样液压系统呈刚性状态，压力或能量可以被有效及时地传递，压缩性较大的液压油将使液压系统呈弹性状态，将使泵在产生压力的过程中花费更多的时间和能量，同时压力转化为机械能的时间更长，能量无法被有效及时地传递，液压系统中的执行元器件液压缸会产生爬行现象，因此可压缩性将影响到液压系统的运动精度和可控性。在计算液压油的可压缩性时，会用到有效体积弹性模量Ke，它表征了实际系统的压缩特性。在压强较小的情况下，这个系数为常量。通常情况下，当压强p、环境温度t、含气量α发生变化时 (此外当纯净的液压油中有含气量α并产生气泡时，同时会带来其他不良影响，这一问题将在空气释放性及扛泡沫性具体论述)，有效体积弹性系数Ke会发生明显变化。下面通过数学模型分析来得到p、α对液压油有效弹性模量的影响。

以上式中 Kl——纯液压油体积弹性模量物理值;

α——气泡的容积率 (含气量);

δ0——标准大气压下空气的溶解度;

p0——初始液压油压力;

p——初始液压油压力;

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α——气泡的容积率 (含气量);

γ——气体的绝热指数，绝热压缩时为1.4，等温压缩时为1。

由式 (2)可知，含气量α和压力p是有效体积弹性模量Ke最直接的影响参数。针对上式作数值分析，取纯L-HV46低温抗磨液压油的弹性模量Kl=1500MPa，含气量 α分别取0.1%，0.2%，0.3%，0.4%。从计算结果可知，含气量α对有效体积弹性模量的影响显著，当压力p=10 MPa时，含气量α从0.1%上升至0.5%时有效体积弹性模量Ke增大了10倍多，由此可见含气量α是弹性模量变化的敏感参数。环境温度因素也是有效体积弹性模量重要影响因素，致使该过程液压油压缩性变化规律显得较为复杂，这里不再作定量分析。总之，为了减少压力、温度、含气量对液压油压缩性的影响，保证闸门液压系统可靠安全运行，对于冬季严寒区或露天寒区首先选用适合技术规格的品种。根据使用经验，选用HV或HS油比较适合，同时要防止液压系统泄露，防止空气混入，控制液压油使用温度，多方面保证液压油的不可压缩性。

3 空气释放性和抗泡沫性

液压油中气泡分离的快慢称为液压油空气释放性(简称放气性)，如果选择的油品放气性差，空气从油中分离出来就慢。空气在油中滞留除上面介绍的大大提高了油品的可压缩性外，气泡的存在还会在高压下被压缩、在低压下又会突然膨胀。这种现象会带来四方面的问题:

(1)引起闸门启闭机的强烈振动和加大噪声。

(2)提高液压油的温度。实验表明:气泡如在油泵/油缸及油管内瞬间压缩后，其温度会急剧升高，35℃的气泡加压至3.5MPa，其温度可到达580℃。

(3)降低了油品的密度，增大了油品的粘度，造成液压系统驱动不良，在0℃以下，使得液压装置的启动性能变差。

为了避免以上问题，选择液压油不仅要求具有良好的抗泡性，而且还要求具有良好的空气释放性。例如可以选择添加了抗泡沫添加剂的液压油，但添加了抗泡沫添加剂的液压油，并不能预防润滑油的生泡倾向，而只能降低泡沫吸附膜的稳定性，缩短泡沫存在的时间，有些添加剂在增强抗泡沫性的同时，又使油品的空气释放性能严重变差。因此最好的方法是加强液压油使用中的维护，采取具有旋流加速离心装置的滤油机定期过滤液压油中的气泡;此外采取方法避免空气进入液压油也是必不可少的措施，如油箱内的液压油液位不能过低、泵的进油管密封良好、闸门液压启闭机的回油管口设置低于油箱油面等。

4 抗磨性

抗磨液压油是从防锈、抗氧液压油基础上发展而来的。抗磨液压油在中、高压系统中使用时，不仅具有良好的抗氧防锈性，而且其抗磨性尤为突出。抗磨液压油的作用原理是:抗磨添加剂在摩擦产生高温的金属组件表面形成一层化学物质薄膜，从而降低元器件的磨损程度。目前根据抗磨添加剂的成分将抗磨液压油分为两类:含金属盐的有灰型抗磨液压油，不含金属盐的无灰型抗磨液压油。其中无灰型抗磨液压油是上世纪80年代后期发展起来的，抗磨性虽然稍差，但它在破乳化性、氧化安定性、抗泡沫性方面有明显优势。根据研究，抗磨液压油在提高设备运行安全性、可靠性，减少磨损量、延长系统和元器件的使用寿命方面起着不可替代的作用。笔者所接触到的一般水库大型工作闸门，重量都在150t以上，启闭力需要2×1600kN以上，系统工作压力在15MPa以上，轴向柱塞泵压力更是高达31.5MPa，且大部分液压系统中的液压缸处在水面上或水面下，因此用于水库泄流排沙工程的闸门液压系统应无条件地选择抗磨液压油，虽然其价格较高，但从整体效益上讲，使用抗磨液压油是理想的。

5 液压油的其它特性

(1)抗氧化性。抗氧化性强的液压油，其使用寿命也长，从而节约购置、更换液压油的成本。提高液压油的抗氧化性的方法通常是加入抗氧化剂。

(2)抗乳化性。液压油迅速分离水的能力就是液压油的抗乳化性。抗乳化差的液压油，乳化后会生成可溶性油泥，流动性差，引起磨损。液压油中的抗磨、抗氧化添加剂会严重影响抗乳化性，在对抗乳化性要求高的液压油中，不能使用这些添加剂。

(3)生物降解能力。随着生态文明建设及人们环保意识的增强，液压油的生物降解能力越来越受到重视。但目前大多数具有生物降解能力的液压油都是基于植物油生产的，其性能较矿物液压油相差较远。

6 结语

水库闸门液压系统液压油的选择应以油品的粘度、可压缩性、空气释放性和抗泡沫性、抗磨性为基础，再根据液压系统其他特殊工况、液压设备类型、环境因素和经济性进行全面综合考虑和判断。有时在满足基础条件的同时，一些特殊要求也基本满足，例如当选择抗磨液压油时，其抗氧化性腐蚀性肯定随之满足;但当特殊要求与基础条件满足相矛盾时，例如一些添加剂的使用的确提高了某一性能，但却减低了液压油的其它性能，因此，我们要根据具体情况，最大程度上消除矛盾。