钻井事业部 渤海五号培训手册 液压原理培训教材 第一章 液压系统简述 一、 液压传动的工作原理 1、液压传动是以液体为工作截止来传递动力的 2、液压传动用液体的压力能来传递动力，它与液体动能的液力传 动是不相同的。 3、液压传动中的工作介质是在受控制，受调节的状态下进行工作 的，因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。 二、液压传动的组成部分 1、动力装置―――把机械能转换成油液液压能的装置，最常见的 形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油。 2、执行装置―――把油液的液压能转换成机械能的装置，它可以 是作直线运动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3、控制调节装置―――对系统中油液的压力、流量、或流动方向 进行控制或调节的装置，例如溢流阀，节流阀、换向阀、先导阀等， 这些元件的不同组合形成了不同功能的液压系统。 4、辅助装置―――上述部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、 油管等。 三、液压传动的控制方式 液压传动的“控制方式”有两种不同的涵义，一种指对传动部分的 操控调节方式，另一种是指控制部分本身结构组成形式。 液压传动的操纵调节方式可以概略的分为手动式，半自动式、和 1 钻井事业部 渤海五号培训手册 全自动式。而液压系统中控制部分的结构组成形式有开环和闭环式的 两种。如平台的液压猫头就是开式的手动控制系统。 而顶驱机械手的 液压控制系统为闭环控制。 四、液压传动的优缺点 优点： 1、 在同等体积下， 液压装置能比电气装置产生出更多的动力。 在 同等功率下，液压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马 达的体积和重量只有同等功率电机的 12％左右。 2、 液压装置工作比较平稳。 3、 液压装置能在大范围内实现无极调速， 它还可以在运动状态下进行调速。 4、 液压装置易于实现自动化。 当液压控制和电气控制。 电子控制或气动控制结合起来使用的时候，整个传动装置能实现很复杂 的顺序动作。接收远程控制。 5、 液压装置易于实现过载保护。 6、 由于液压元件已实现标准化， 系列化和通用化。 液压装置的设 计、制作和使用都比较方便。 7、 用液压装置实现直线运动比机械传动简单。 缺点： 1、 液压传动不能保证严格的传动比， 这是由于液压油的可压缩 性和泄漏等原因造成的。 2、 液压传动在工作过程中有较大的能量损失） 摩擦损失、泄漏 2 钻井事业部 渤海五号培训手册 损失），长距离损失更是如此。 3、 液压传动对油温变化比较敏感， 它的工作稳定性很易受到温 度的影响，因此它不适宜在很高或很低的温度条件下工作。 4、 为了减少泄漏，液压元件的加工精度要求较高， 因此的它的 造价较高，而且对油的污染比较敏感。 5、 液压传动要求有单独的能源。 6、 液压传动出现故障时不易找出原因。 第二章 液压油液 在液压系统中， 液压油液是传递动力和信号的工作介质， 同时它还起着润滑、 冷却和防锈的作用， 也凹系统能否可靠、 有效的工作，在很大程度上取决于系统所用的液压油。因此，在掌握液压系统之 前，必须先对液压油液有一清晰的了解。 第一节 液压油液的特性和选择 一、 液压油液的特性 液压系统中使用的液压油液的种类如表 2－1 所示。 石油型的液压油以机械油为基料，精炼后按需要加入适当的添加 剂而成。这种油液的润滑性好，但抗燃性差。 目前，我国在液压系统中仍大量采用机械油和汽轮机油。 机械油是一 种工业用润滑油，价格虽较低，但物理化学性能较差，使用时以生粘 稠胶质，堵塞元件，影响系统的性能。 压力越高，问题越严重。因此， 只在压力较低和要求不高的场合中使用。 3 钻井事业部 汽轮机油和机械油 相比，氧化要定性好，使用寿 命长，与水混合后能迅速分 离，纯净度高。普通液压油中 加有抗氧化、防锈和抗饱和的 添加剂，在液压系统中使用最 广。 乳化液有两大类：一类  渤海五号培训手册 2－ 1 液压油液的种类 机械油 汽轮机油 普通液压油（ YA ） 石 抗磨液压油（ YB ） 油 专 低温液压油（ YC ） 型 用 液 液压－导轨油 工 压 高粘度指数液压油 (YD) 油 业 液 其它专用液压油 压 油 乳 水包油乳化液（ YRA ） 液 化 油包水乳化液（ YRB ） 难 型 燃 水－乙二醇液（ YRC ） 型 合 磷酸酯液（ YRD ） 成 型 其它 是少量油（约 5%~10%）分散在大量的水中，称为水包油乳化液，也称高水基液（ O/W）;另一类是水分散在大量的油中（约占 60%），称为油包水乳化液（ W/O）。后者的润滑性比前者好。 水—乙二醇液使用于要求防火的液压系统。如液体长期在高于 65℃的温度下工作， 水分的蒸发使它的粘度上升， 因此必须经常检验。 低温粘度小， 它的润滑性比石油性液压油差， 对大多数金属基液压系 统中使用的大多数橡胶密封圈材料均能相容，但会使许多油漆脱落。 磷酸酯液自燃点高，氧化按定性好，润滑性好，使用温度宽， 对大多数金属不腐蚀， 但能溶解许多非金属材料， 因此必须选择合适 的橡胶密封材料。这种液体有毒。 为了改善液压油的性能， 往往在油液中加入各种各样的添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗饱剂、抗磨剂等。 4 钻井事业部 渤海五号培训手册 二、 液压油液的物理性质 液压油液的一些基本性质可在有关资料中查道，例如，石油性 液压油液在 15℃时的密度为 900kg/m3 左右，在实用中可认为不受温 度和压力的影响；体积膨胀系数和比热容分别为（ 6.3~7.8）ⅹ10-4K-1和（ 1.7~2.1）ⅹ 103J/(kg.K) 等等。在液压技术中，液压油液最重要 的性质是它的可压缩性和粘性。 （一）可压缩性 压力为 P0、体积为 V0 的液体，如压力增大 V，则此液体的可 压缩性可用体积压缩系数 k，即单位压力变化下的体积相对体积变化 量来表示。 k=( —1/ P)* （ V/ V0） 由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边必须加一符号。 液体体积系数的倒数， 称为体积弹性模 量 K，简称体积模量。即 K=1/k。表 2-2 示各种液压油液的体积模量。由表中石油型液压油体积的数值可知，它的可压缩性是钢的  表 2-2 各种液压油液的体积模量 20℃，大气压） 液压油种类 K(N/m2 ) 石油型 (1.4 ～ 2.0) ⅹ109 水 - 乙二醇型 3.15 ⅹ 109 W/O型 1.95 ⅹ 109 磷酸酯型 2.65 ⅹ 109 100~500 倍。液压油液的体积模量和温度、压力有关：温度增大时， K 值减小，在液压油液正常的工作范围内， K 值会有 5%~25%的变化； 压力增大时， K值增大，但这种变化不成线MPa时， K 值基本上不再增大。液压油液中如混有气泡时， K 值将大大减小。 封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧：外力 增大，体积减小；外力减小，体积增大。这种弹簧的刚度 kh，在液体 5 钻井事业部 渤海五号培训手册 承压面积 A不变时（图 2-1 ），可以通过压力变化 P= F/A、体积变化 V=A/ l （ l 为液柱长度变化），和式（ 2-1 ）求出，即 kh=- F/ l=A2K/V 液压油液的可压缩性对在动态下工作的液压系统来说影响极大；但当液压系统在静态（稳态）下工作时，一般不予考虑。 （二）粘性 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，静止的液体是不呈现粘性的。 粘性使流动液体内部各处的速度不相等 ，以图 2－2 为例，若两平行平板间充满液体， 下平板不动， 而上平板以速度 u0 向右平动。由于液体的粘性， 紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和 u0，而中间各液层的速度则视它距下平板的距离按曲线规律或线性规律变化。 实验测定指出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力 Ff 与液层接 触面积 A、液层间速度梯度 du/d y 成正比，即 Ff ＝ηAdu/d y （2－3） 式中， η为比例常熟，称为粘性系数或粘度。如 τ表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则 τ＝ Ff /A=ηdu/d y (2-4) 这就是牛顿的液体内摩擦定律。 6 钻井事业部 渤海五号培训手册 由上可知，液体的粘度是指它在单位速度梯度下流动时单位面积 上产生的内摩擦力 。粘度是衡量液体粘性的指标。 这里的粘度 η又称 绝对粘度，或动力粘度，它的法定计算单位为 Pa.s，以前沿用的单位 为 P（泊， dyne.s/cm2）,1Pa.s＝10P＝103Cp(厘泊 )。 液体动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度υ，即 υ＝η/ρ。运动粘度的法定计算单位外为 m2/s，以前沿用的单位为 St（拖），1m2/s＝104St＝106cSt（厘拖）。就物理意义来说， υ不是一 个粘度的量， 但习惯上常用它来标志液体粘度， 例如机械油的牌号就 是用机械油在 40℃时运动粘度 υ（mm2/s 计）的平均值来标志的。 液体粘度在工程上的测定方法是测出液体的“相对粘度” ，然后 再根据关系使换算出动力粘度或运动粘度。相对粘度又称条件粘度， 它是按一定测量条件制定的。我国、德国等国采用恩氏粘度 0 E，美国 用赛氏粘度 SSU，英国用雷氏粘度 R，等等。 恩氏粘度用恩氏粘度计测定：将 200mL温度为 t 0C 的被测液体装 入粘度计的容器内， 使子之由其下部直径为 2.8mm的小孔流出， 测出 液体流尽所需要的时间 t 1(s) ；再测出 200mL温度为 200C的蒸馏水在 同一粘度计中流尽所需的时间 t 2(s) 。这两个时间的比值即为被测液 体粘度的标准温度，由此而得来的恩氏粘度分别用 0E20、0E50 和 0E100 标 记。 恩氏粘度与运动粘度间的换算关系式为 υ＝（ 7.310E－6.31/ 0E）ⅹ 10-6 υ的单位为 m2/s。液体的粘度也可用旋转粘度计测定。 7 钻井事业部 渤海五号培训手册 液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压油液来说， 压力增 大时，粘度增大。但在一般液压系统使用的压力范围内，增大数值很 小，可以忽略不计。液压油液粘度对温度的变化十分敏感，如图 2－ 所示，温度升高，粘度下降。这个变化率的大小直接影响液压油液的使用，其重要性不亚于粘度本身。 （三）其它性质 液压油液还有其它一些性质， 如稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等） 、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性（对所接触的金属、密封材料、涂料等不起作用便是相 容性好，否则便是不好）等，都对它的选择和使用有重要影响。三、对液压油液要求 不同的工作机械、 不同的使用情况对液压油液的要求有很大的不同，为了很好的传递运动和动力， 液压系统使用的液压油液应具备如下性能： 1）合适的粘度， υ=(1..5~41.3) ⅹ10-6 m2/s 或 2～5.80E50，较好的 粘温特性。 润滑性能好。 3）质地纯净，杂质少。 4）对金属和密封件有良好的相容性。 5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。温度低于 570C 时，油液的氧化进程缓慢，之后，温度每增加 100C，氧化程度增加一 倍，所以控制液压油液的温度特别重要。 8 钻井事业部 渤海五号培训手册 6）抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。 7）体积膨胀系数小，比热容大。 8）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸汽闪燃，但 油本身不燃烧时的温度）和燃点高。 9）对人体无害，成本低。 反之，对轧钢机、压铸机、挤压机、飞机等处则须突出耐高温、热稳定不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项的要求。 四、液压油液的选择方式 （一）液压油液的选择因素 正确而合理地选择液压油液， 对液压系统适应各种工作环境的能力、延长系统和元件寿命、提高系统的工作可靠性等都有重要的影响。 选择液压油液时要考虑的因素如表 2－3 所示。 在众多的考虑因素中，最重要的因素是液压油液的 粘度。粘度太大，液流的压力损失和发热大，使系统的效率下降；粘度太小，泄漏增大也影响系统效率。 因此应选择使系统能正常、 高效和可靠的油液粘度。 在液压系统中，液压泵的工作条件最为严峻，不但压力大、转速 高和温度高， 而且油液在被泵吸入和由泵压出时要受剪切作用， 所以 一般根据泵的要求来确定液压油液的粘度 ，如表 2－4 所示。 上面说过，油温对粘度影响极大，因此，为了发挥液压系统的最佳运转效率， 应依具体情况控制油温， 使泵和系统在油液的最佳粘度范围内工作。 图 2－4 示各种液压油液的最佳应用温度范围。 事实上， 9 钻井事业部 渤海五号培训手册 过高的油温不仅大大改变了油液的粘度， 而且会使常温下平和、 稳定 的油液变得带腐蚀性， 分解出不利于使用的成分， 或因过量汽化而使 液压油泵吸空，无法正常工作。 液压油液的选择，一般要经历下述四个基本步骤： 1）定出所用油液的某些特性 （粘度、密度、蒸汽压、空气溶解 率、体积模量、抗燃性、温度界限、压力限、润滑性、相容性、毒性 等）的容许范围。 表 2－ 3 选择液压油液时考虑的因素 要否抗燃（闪点、燃点） 抑制噪声的能力（空气溶解度、消泡性） 系统工作环境方面考 废液再生处理及环境污染要求 毒性和气味 压力范围（润滑性、承载能力） 系统工作条方面的考虑 温度范围（粘度、粘－温特性、剪切损失、热稳定性、氧化率、挥发度、低温流动性） 转速（气蚀、对支撑面浸润能力） 物理化学指标 对金属和密封件的相容性 过滤性能、吸斥水性能、吸气情况、抗水解能力、对金属的作用情况、去垢能力 油液质量方面考虑 防锈、防腐蚀能力 抗氧化稳定性 剪切稳定性 电学特性（耐电压冲击强度、介电强度、导电率、磁场中极化程度） 价格及使用寿命 经济方面的考虑 维护、更换难易程度 2）查看说明书，找出符合或基本符合上述各项特性要求的油液。 3）进行综合、权衡，调 整各方面的要求和参数。 4）征询油液制造厂的最 终意见。  表 2－4 液压泵用油液的粘度 粘度范围（ 10-6 m2/s） 名称 允许 最佳 叶片泵（ 1200r/min ） 16～ 220 26～ 54 叶片泵（ 1800r/min ） 20～ 220 26～ 54 齿轮泵 4～ 220 25～ 54 径向柱塞泵 10～65 16～ 48 横向柱塞泵 4～ 76 16～ 47 螺杆泵 19～40 － 10 钻井事业部 渤海五号培训手册 （二）液压油液的使用 根据一定的要求来选择或配制液压油液之后， 不能认为液压系统 工作介质的问题已全部解决了。 事实上，使用不当还是会使油液的性 质发生变化的。 例如，通常以为油液在某一温度和压力下的粘度是一 定值，与流动情况无关， 实际上油液被过度剪切后， 粘度会显著减小， 因此在使用液压油液时，应注意一下几点： 对长期使用的液压油液，氧化、热稳定性是决定温度界限的因素，因此，应使油液长期处在低于它开始氧化的温度下工作。 2）在贮存、搬运及加注过程中，应防止油液被污染。 3）对油液定期抽样检验，并建立定期换油制度。 油箱的贮油量应充分，以利于系统的散热。 5）保持系统的密封，一旦有泄漏，应立即排除。 一般说来，只要对使用石油型液压系统进行彻底清洗以及更换某 些密封件和油箱涂料后，便可更换高水基液压液。但是，由于高水基 液压液的粘度低、泄漏大、润滑性差、蒸发和气蚀等一系列缺点，因 此在实际使用高水基液的液压系统时，还必须注意下述几点： 1）由于粘度低、泄漏大，系统的最高压力不要超过 7MPa。 2）要防止气蚀现象，可用高置油箱使泵进油口处压力增大，泵 的转速不要超过 1200r/min 。 3）系统浸渍不到油液的部位，金属的气相锈蚀较为严重，因此 应使系统尽量的充满油液。 4）由于油液的 pH值高，容易发生有金属电位差引起的腐蚀，因 11 钻井事业部 渤海五号培训手册 此应避免使用镁合金、锌、镉之类金属。 5）定期检查油液 pH值、浓度、霉菌生长情况， 并对其进行控制。 6）滤网的通疏能力须 4 倍于泵的流量，而不是常规的 1.5 倍。 （三）海上作业对液压油的要求 （1）粘度适当。当船舶航区经常变化且跨越纬度较大时，应选用 粘温特性良好的液压油。一般选用运动年度 20~30mm2 （ 0 时）、 /s 50 C 粘度指数在 90 以上的液压油。 2）防锈性好。因船舶液压管线不经常拆装，液压元件长期封闭于油路之中。这样，若使用防锈性差的液压油，易使元件锈蚀，影响系统的工作寿命。 3）抗氧化性好。长时间工作时，液压油就会因温度升高而容易氧化变质，并会产生胶质和沉淀渣滓。 4）抗乳化性好。即要求液压油中安定性差的物质含量要少，以减少混入液压油中的水分形成有机酸和皂类，降低液压油的润滑性。 5）抗泡沫性好。工作时如接触气体产生的泡沫不易消散，气体就难于分离而放出。会使液压机械产生爬行、颤动和发出噪声。 6）凝固点低。船舶航行在低温海区时，通常要求其凝固点要比气温低 10~150C。 7）闪点高。船舶的防火要求很高，特别是运送石油产品的传播和军舰，故其闪点至少要高于 1350C。 8）水解稳定好。液压油与水后分解变质的程度成为水解稳定性。水在液压油中， 大部分沉积在油箱或贮油部件的底部， 但是有一部分 12 钻井事业部 渤海五号培训手册 会随油一起循环，加速系统的腐蚀。当油也处于低温状态时，水就会从油中析出，凝结成坚硬的小冰粒，划伤机件的工作表面。 9）相容性好。液压油在系统中与各种材料产生化学反应的能力称为相容性。因为液压油在系统中不可避免的会与颜料、油漆、电器绝缘物质、密封件、软管以及蓄能磨片等接触，所以要求液压油在与上述物质接触过程中应不产生化学反应或反应很轻。 （四）、海上作业液压油的选用 根据我国“液压油的分类、 符号和命名”（GB7631.1-87）的规定， 使用船舶液压机械的国产液压油主要有： L-HH ，无添加剂或加有少 量抗氧化剂的精制矿油质量比机械油（ L-AN ）高，抗氧化性和防锈 性比汽轮油差，用于低压或简单机具的液压系统。 L-HL （相当于产 品 YA-N ）加入抗氧、防锈、抗泡沫等添加剂的精制矿物油，使用寿 命比机械油长 1 倍，主要用于低压齿轮泵系统，使用环境温度为 00C 以上，最高使用温度为 800C。抗磨液压油 L-HM( 相当于原产品 YB-N) ， 在 L-HL 油机基础上增加了抗磨添加剂，在中、高压条件下能使摩擦面油膜强度提高， 降低摩擦和磨损， 适合于各种液压泵的中—高液压 系统，适用环境温度为 -100C~400C。低温液压油 L-HV （相当于原产 品 YC-N ），在 L-HM 基础上改善其粘温性，适用于环境温度变化大和工作条件恶劣的低、中、高液压系统。每种产品符号后附带的数字为粘度等级，相当于 400C 的名义粘度（ mm2/s）。 表 2—4 为各国常用液压油的对照表。 13 钻井事业部 渤海五号培训手册 油品 中 国 粘度等级 GB7631.1-87 ） 英国石油公司 英 卡斯特罗公司 国  表 2-4 各国常用液压油的对照表 L-HH 液化油 L-HM L-HV L-HG L-HL 液化油 抗磨液化油 低温液化油 液压—导轨油 15、32、46、68、 22、32、46、68、 32、 46、68、 100 22、32、46、68 32、68、150 100 100、 150 EnergolHLP 22 Energol CS 32、46、 Energol HL Energol SHF Energol CHL 32、46、68、100、 68、100、EM10 32、 46、68、 100 22、32、46、68 32、68、150 150 Hyspin AVS 22 Hyspin VG Perfector T 32、46、 Hyspin AVH 22 、 Magna CC 32、 32、46、68、100、 32、46、 68、100 68、100 32、46、 68 100、150 150 Tellus22 Vitrea 15、32、46、 Turbo 32、46、68、 Tellus T22、 Tonna oil 32、 美 国  壳牌公司 美孚公司 埃索公司  68、 100 100 32、46、68、100、 32、46、 68 68、150 150 AmbrexE.L.M 30 、 D.T.E oil （ L.M.H ） D.T.E 22、24、25、 D.T.E 11、13、 Vactra 50 26、27 15、16 1、2 Nuto 10、32、48、 Teresso 32、46、68、 Nuto H 22 32、 Nuto H 32、46、 Power DP 32; 53、63 100 46、68、100、150 68 TeressoV 32、 68 Rando oil 15、32、 Regal oil RO 32 、 Rando oil HD 22 Rando oil HD 德士古公司 法 艾尔菲公司 国 德 国 克虏伯公司 日 日石公司 本  46、68 、100 46、68、100 32、46、68、100、 A-32、CZ-68 Metel oil H150 150 Albatros 7、34、46、 Elf Misola32、46、 Acantis 22 32、 Visga 22、32、46、 Elf Hygliss 32 、 68、 100 68、100 46、68、100、150 68 68 C

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