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水庫閘門液壓系統(tǒng)液壓油特性分析

文檔作者：馬運彬文檔來源：新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月10日
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第9期(總第102期) 中國水能及電氣化 No 9(TOTALN0．102)
2013年9月 China Water Power&amp;amp;ElectrificatiOn
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)
摘要：本文介紹了水利工程中使用液壓油需要考慮的4種液壓油特性， 旨在對其它水庫選擇適合的液壓油起
到積極的借鑒作用。
關鍵詞：液壓油；粘度；壓縮性
中圖分類號：TV698 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8241(2013)09-0031-04
Analysis of Hydraulic Oil Features in Reservoir Gate Hydraulic System
MA Yun—bin
(Xinfiang Yili River Basin Development and Construction Authority，Urumqi 830000，China)
Abstract：This paper describes four hydraulic oil features that should be considered for using hydraulic oil in water
conservancy project．It aims at playing active reference role for other reservoirs to select suitable hydraulic oil．
Key words：hydraulic oil；viscosity；compressibility
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?
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對泵進行充分潤滑的最低粘
度液壓油作為使用的液壓油。
動力粘度、運動粘度和條件粘度三種方法表示。在工 液壓油的粘度是隨著外部條件的改變而改變的。
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／Z=vp(式中，
u為動力粘度， 為運動粘度，P為油密度)。液壓油必須
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，
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水電站技術
Hydropower Station Technology
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一閉門一停止的工況
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
= e? 刪 (1)
，t 『_ L
式中 “ —— 液壓油在壓力(表測壓力)為P、溫
度為t下的動力粘度；
n、A——粘壓系數(shù)、粘溫系數(shù)；
u。 ?！獕毫榱?、溫度為50℃ 下的運動
粘度；
P。。 — — 壓力為零、溫度為15~C下的密度；
A—— 液壓油的熱膨脹率。
Ⅱ、A、1．3。-50、p。
． 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15cI=溫度下0．1302～
0．1608 N·s／m ；液壓的傾點必須比最低使用溫度
低10~C。
32
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 ，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 發(fā)生變化時(此外當純凈的液壓油中有含氣量
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) 會發(fā)生明顯變化。下面通過數(shù)學模型分
析來得到P、 對液壓油有效彈性模量的影響。
K (2)
其中
A = Kl( ) (3)
B=108o( ) Kl+ [ 一( ) -
(4)
以上式中 —— 純液壓油體積彈性模量物理值；
— — 氣泡的容積率(含氣量)；
6。——標準大氣壓下空氣的溶解度；
P?！跏家簤河蛪毫?；
P—— 初始液壓油壓力；
Ot——氣泡的容積率(含氣量)；
— — 氣體的絕熱指數(shù)，絕熱壓縮時為
1．4，等溫壓縮時為1。
水電站技術
Hydropower Station Technology
由式(2)可知，含氣量O／和壓力P是有效體積
彈性模量 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 分別取0．1％ ，0．2％ ，0．3％ ，
0．4％ 。從計算結果可知，含氣量 對有效體積彈性
模量的影響顯著，當壓力P=10 MPa時，含氣量 從
0．1％上升至0．5％時有效體積彈性模量 增大了10
倍多，由此可見含氣量 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?？傊?，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：
(I)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／油缸及油管內瞬間壓縮后，其溫度會急劇升高，
35~C的氣泡加壓至3．5MPa，其溫度可到達580~C。
(3)降低了油品的密度，增大了油品的粘度，
造成液壓系統(tǒng)驅動不良，在O~C以下，使得液壓裝置
的啟動性能變差。
(4)導致氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。油中氣泡由低壓到
高壓時，體積急劇減小，局部形成真空，周圍液體質
點以高速度填補這一空間，而產(chǎn)生局部高壓，使局部
壓力升高，甚至可達到上千個大氣壓，致使液壓元器
件壁面產(chǎn)生剝蝕，即發(fā)生了氣蝕。這些現(xiàn)象的發(fā)生將
加快了油品氧化的速度，導致生成沉淀，加速液壓系
統(tǒng)零件的腐蝕和磨損，同時油品本身的使用壽命也將
縮短，降低了設備的效率。
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。抗磨液壓油在中、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?
液壓油的作用原理是：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
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水電站技術
Hydropower Station Technology
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?？寡趸詮姷囊簤河停涫褂?
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。抗乳化差的液壓油，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。
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嘉陵江亭子口水利樞紐2號機組并網(wǎng)發(fā)電
8月29日15時51分，嘉陵江亭子口水利樞紐2號機組72小時試運成功，進入商業(yè)化運營。新
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亭子口電站裝機容量ll0萬千瓦，設計年平均發(fā)電量32億千瓦時，建成后，配合嘉陵江下游各
梯級電站實現(xiàn)聯(lián)動發(fā)電，相當于在不新建電站的基礎上為全流域多增l8萬千瓦的水電裝機。
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嘉陵江亭子口水利樞紐位于廣元蒼溪縣境內，是國家完善長江防洪體系六大重點工程之一，也
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來源：2013年8月30日《四川日報》

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