水庫閘門液壓系統(tǒng)液壓油特性分析

馬運彬

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，烏魯木齊 830000)

隨著液壓技術的發(fā)展，液壓系統(tǒng)在水庫閘門上的應用越來越廣泛。液壓油是液壓系統(tǒng)的血液，因此選擇適合的液壓油直接影響著設備運行效率和使用壽命。本文簡要分析了液壓油的重要特性，這是選擇液壓油的重要依據(jù)。

1 粘度 (動力粘度)

對整個液壓系統(tǒng)而言，粘度是液壓油的最重要的特征，是選擇理想液壓油的基本標準。粘度通?？捎脛恿φ扯取⑦\動粘度和條件粘度三種方法表示。在工程實際中常用到運動粘度及動力粘度，本文所說粘度均為動力粘度，兩者之間的換算關系為u=υρ(式中，u為動力粘度，υ為運動粘度，ρ為油密度)。液壓油必須在所遇到的各種壓力及溫度條件下時刻具備適合的粘度，以保證液壓系統(tǒng)組件，特別是泵，能夠得到充分潤滑而實現(xiàn)良好的工作效能。液壓油還必須足夠粘稠，以確保良好的系統(tǒng)密封性，避免運轉(zhuǎn)時從泵、閥門、管接頭和電動機等組件的縫隙中泄露。當然液壓油的粘度也不能太高，太高將無法順暢地在液壓回路中流動。同時，粘度太高其冷卻性能降低。實際應用中，應盡可能地選擇能夠?qū)Ρ眠M行充分潤滑的最低粘度液壓油作為使用的液壓油。

液壓油的粘度是隨著外部條件的改變而改變的。其中液壓油隨著溫度改變的特征稱為粘溫特性。粘溫特性常用粘度指數(shù) (Ⅵ)表示，粘度指數(shù)是用于衡量油品粘度隨溫度變化而變化的程度。Ⅵ指數(shù)越高，意味著粘度受溫度的影響程度越小。因此油液Ⅵ指數(shù)必須足夠高，以確保在系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)始終發(fā)揮效能。液壓油必須在工作溫度上限保持足夠高的粘度，以保障潤滑系統(tǒng)組件。但是，液壓油不能在工作溫度下限維持過高的粘度以避免無法從低溫狀態(tài)中啟動，粘度指數(shù)Ⅵ在100左右最好。

閘門液壓系統(tǒng)中，液壓油的粘度要求是一個復雜問題。因為閘門在一次次啟門→閉門→停止的工況下，壓力從最高到最低不斷變化，液壓油的粘度是隨著壓力p及溫度t兩個變量改變相應變化的，壓力增大、溫度下降都將導致液壓油的粘度增加。因此在設計液壓系統(tǒng)、選擇液壓油時應根據(jù)使用經(jīng)驗及計算來確定相應的液壓油，粘度計算公式為

式中 up，t——液壓油在壓力 (表測壓力)為p、溫度為t下的動力粘度;

a、λ——粘壓系數(shù)、粘溫系數(shù);

υ0，50——壓力為零、溫度為 50℃ 下的運動粘度;

ρ0，15——壓力為零、溫度為15℃下的密度;

A——液壓油的熱膨脹率。

a、λ、υ0，50、ρ0，15、A 可以從液壓油文獻中查得。

筆者工作地點為新疆北疆，那里只有冬夏兩季，夏季酷熱，冬季嚴寒而漫長，水庫上的閘門液壓缸又一直暴露在外，如此惡劣的運行環(huán)境下，選擇適合的液壓油粘度更顯得必要而重要。冬季，要保證液壓油在最低溫環(huán)境下能夠順暢流動，這時選擇液壓油的傾點時就要尤其小心;夏季，溫度升高粘度又下降，要保證液壓油不能失去對所有元器件尤其是液壓泵的潤滑作用，這時液壓油的粘度就比較重要。經(jīng)驗告訴筆者，最適宜的粘度范圍是15℃溫度下0.1302～0.1608 N·s/m2;液壓的傾點必須比最低使用溫度低10℃。

2 液壓油的可壓縮性

液壓油的可壓縮性，用于表示油品在受到壓力時，體積發(fā)生變化的程度。選擇的液壓油必須具有較低的可壓縮性，這樣液壓系統(tǒng)呈剛性狀態(tài)，壓力或能量可以被有效及時地傳遞，壓縮性較大的液壓油將使液壓系統(tǒng)呈彈性狀態(tài)，將使泵在產(chǎn)生壓力的過程中花費更多的時間和能量，同時壓力轉(zhuǎn)化為機械能的時間更長，能量無法被有效及時地傳遞，液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元器件液壓缸會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，因此可壓縮性將影響到液壓系統(tǒng)的運動精度和可控性。在計算液壓油的可壓縮性時，會用到有效體積彈性模量Ke，它表征了實際系統(tǒng)的壓縮特性。在壓強較小的情況下，這個系數(shù)為常量。通常情況下，當壓強p、環(huán)境溫度t、含氣量α發(fā)生變化時 (此外當純凈的液壓油中有含氣量α并產(chǎn)生氣泡時，同時會帶來其他不良影響，這一問題將在空氣釋放性及扛泡沫性具體論述)，有效體積彈性系數(shù)Ke會發(fā)生明顯變化。下面通過數(shù)學模型分析來得到p、α對液壓油有效彈性模量的影響。

以上式中 Kl——純液壓油體積彈性模量物理值;

α——氣泡的容積率 (含氣量);

δ0——標準大氣壓下空氣的溶解度;

p0——初始液壓油壓力;

p——初始液壓油壓力;

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α——氣泡的容積率 (含氣量);

γ——氣體的絕熱指數(shù)，絕熱壓縮時為1.4，等溫壓縮時為1。

由式 (2)可知，含氣量α和壓力p是有效體積彈性模量Ke最直接的影響參數(shù)。針對上式作數(shù)值分析，取純L-HV46低溫抗磨液壓油的彈性模量Kl=1500MPa，含氣量 α分別取0.1%，0.2%，0.3%，0.4%。從計算結果可知，含氣量α對有效體積彈性模量的影響顯著，當壓力p=10 MPa時，含氣量α從0.1%上升至0.5%時有效體積彈性模量Ke增大了10倍多，由此可見含氣量α是彈性模量變化的敏感參數(shù)。環(huán)境溫度因素也是有效體積彈性模量重要影響因素，致使該過程液壓油壓縮性變化規(guī)律顯得較為復雜，這里不再作定量分析。總之，為了減少壓力、溫度、含氣量對液壓油壓縮性的影響，保證閘門液壓系統(tǒng)可靠安全運行，對于冬季嚴寒區(qū)或露天寒區(qū)首先選用適合技術規(guī)格的品種。根據(jù)使用經(jīng)驗，選用HV或HS油比較適合，同時要防止液壓系統(tǒng)泄露，防止空氣混入，控制液壓油使用溫度，多方面保證液壓油的不可壓縮性。

3 空氣釋放性和抗泡沫性

液壓油中氣泡分離的快慢稱為液壓油空氣釋放性(簡稱放氣性)，如果選擇的油品放氣性差，空氣從油中分離出來就慢?？諝庠谟椭袦舫厦娼榻B的大大提高了油品的可壓縮性外，氣泡的存在還會在高壓下被壓縮、在低壓下又會突然膨脹。這種現(xiàn)象會帶來四方面的問題:

(1)引起閘門啟閉機的強烈振動和加大噪聲。

(2)提高液壓油的溫度。實驗表明:氣泡如在油泵/油缸及油管內(nèi)瞬間壓縮后，其溫度會急劇升高，35℃的氣泡加壓至3.5MPa，其溫度可到達580℃。

(3)降低了油品的密度，增大了油品的粘度，造成液壓系統(tǒng)驅(qū)動不良，在0℃以下，使得液壓裝置的啟動性能變差。

為了避免以上問題，選擇液壓油不僅要求具有良好的抗泡性，而且還要求具有良好的空氣釋放性。例如可以選擇添加了抗泡沫添加劑的液壓油，但添加了抗泡沫添加劑的液壓油，并不能預防潤滑油的生泡傾向，而只能降低泡沫吸附膜的穩(wěn)定性，縮短泡沫存在的時間，有些添加劑在增強抗泡沫性的同時，又使油品的空氣釋放性能嚴重變差。因此最好的方法是加強液壓油使用中的維護，采取具有旋流加速離心裝置的濾油機定期過濾液壓油中的氣泡;此外采取方法避免空氣進入液壓油也是必不可少的措施，如油箱內(nèi)的液壓油液位不能過低、泵的進油管密封良好、閘門液壓啟閉機的回油管口設置低于油箱油面等。

4 抗磨性

抗磨液壓油是從防銹、抗氧液壓油基礎上發(fā)展而來的?？鼓ヒ簤河驮谥?、高壓系統(tǒng)中使用時，不僅具有良好的抗氧防銹性，而且其抗磨性尤為突出?？鼓ヒ簤河偷淖饔迷硎?抗磨添加劑在摩擦產(chǎn)生高溫的金屬組件表面形成一層化學物質(zhì)薄膜，從而降低元器件的磨損程度。目前根據(jù)抗磨添加劑的成分將抗磨液壓油分為兩類:含金屬鹽的有灰型抗磨液壓油，不含金屬鹽的無灰型抗磨液壓油。其中無灰型抗磨液壓油是上世紀80年代后期發(fā)展起來的，抗磨性雖然稍差，但它在破乳化性、氧化安定性、抗泡沫性方面有明顯優(yōu)勢。根據(jù)研究，抗磨液壓油在提高設備運行安全性、可靠性，減少磨損量、延長系統(tǒng)和元器件的使用壽命方面起著不可替代的作用。筆者所接觸到的一般水庫大型工作閘門，重量都在150t以上，啟閉力需要2×1600kN以上，系統(tǒng)工作壓力在15MPa以上，軸向柱塞泵壓力更是高達31.5MPa，且大部分液壓系統(tǒng)中的液壓缸處在水面上或水面下，因此用于水庫泄流排沙工程的閘門液壓系統(tǒng)應無條件地選擇抗磨液壓油，雖然其價格較高，但從整體效益上講，使用抗磨液壓油是理想的。

5 液壓油的其它特性

(1)抗氧化性。抗氧化性強的液壓油，其使用壽命也長，從而節(jié)約購置、更換液壓油的成本。提高液壓油的抗氧化性的方法通常是加入抗氧化劑。

(2)抗乳化性。液壓油迅速分離水的能力就是液壓油的抗乳化性?？谷榛畹囊簤河?，乳化后會生成可溶性油泥，流動性差，引起磨損。液壓油中的抗磨、抗氧化添加劑會嚴重影響抗乳化性，在對抗乳化性要求高的液壓油中，不能使用這些添加劑。

(3)生物降解能力。隨著生態(tài)文明建設及人們環(huán)保意識的增強，液壓油的生物降解能力越來越受到重視。但目前大多數(shù)具有生物降解能力的液壓油都是基于植物油生產(chǎn)的，其性能較礦物液壓油相差較遠。

6 結語

水庫閘門液壓系統(tǒng)液壓油的選擇應以油品的粘度、可壓縮性、空氣釋放性和抗泡沫性、抗磨性為基礎，再根據(jù)液壓系統(tǒng)其他特殊工況、液壓設備類型、環(huán)境因素和經(jīng)濟性進行全面綜合考慮和判斷。有時在滿足基礎條件的同時，一些特殊要求也基本滿足，例如當選擇抗磨液壓油時，其抗氧化性腐蝕性肯定隨之滿足;但當特殊要求與基礎條件滿足相矛盾時，例如一些添加劑的使用的確提高了某一性能，但卻減低了液壓油的其它性能，因此，我們要根據(jù)具體情況，最大程度上消除矛盾。