保持“最佳粘度”,激发液压能效

【编者按】液压油就是利用液体压力能的液压系统使用的液压介质,在液压系统中起着能量传递、抗磨、系统润滑、防腐、防锈、冷却等作用。对于液压油来说,首先应满足液压装置在工作温度下与启动温度下对液体粘度的要求,由于润滑油的粘度变化直接与液压动作、传递效率和传递精度有关,还要求油的粘温性能和剪切安定性应满足不同用途所提出的各种需求。


近20多年来世界范围内的研究调查显示,70%~85%的液压系统故障失效与液压油有关。因此,要想激发液压系统更高的性能和能效,液压油的选择至关重要。能在广泛的工作温度范围中保持最佳粘度,这是一款科学配方的优质液压油所必须具备的特点。

保持“最佳粘度”

液压泵将电动机或内燃机输入的机械能转换为液压能,液压执行机构(油缸/马达)再将液压能转换为输出的机械能。在能量转换过程中,液压泵的效能无法达到100%。常见的齿轮泵在这一过程中的能效仅为60%~80%,柱塞泵也仅为75%~90%。

能量损失有两种主要形式:机械损失(能量在摩擦中损失)和容积损失(液体在泵内泄漏或损耗造成的能量损失)。泵内机械和容积损失的量取决于液压油的粘度和润滑性:液压油粘度越高,机械损失越高;而液压油粘度越低,容积损失则越高(图1)。因此,要想获得最理想的液压效率,必须在最大程度上使运行过程中的液压油处于最佳的粘度范围。

图1 液压油粘度越高,机械损失越高;而液压油粘度越低,容积损失则越高

然而,要将液压油的粘度保持在最佳效率的范围内并非易事。由于液压油的粘度会随温度的变化而变化,温度升高,粘度降低,而温度降低时,粘度升高。因此,往往通过加入特殊的、增强粘度的添加剂来增强高温和低温状态下的液压油粘度。但在使用过程中,这些添加剂往往会受制于剪切力造成的负作用,令实际效果大打折扣。因此,只有采用能同时解决以上两个关键问题的科学配方才能造就真正优质的液压油。

粘度VS温度,高VI当仁不让

为了确保系统的效率,液压油在低温时应具有良好的泵送性能,而在高温时则应具有足够的油膜厚度。粘度与温度变化的对应关系也称为流体的粘度指数(VI),相比粘度指数(VI)较低的液压油,具有较高粘度指数(VI)的液压油,其粘度随温度变化的速度较慢。为了增强液压油的粘度指数(VI),往往在配方中使用特殊的粘度指数改进剂,这些由高分子聚合物构成的添加剂能够较好地降低温度对粘度的影响。VI改进剂随温度升高而膨胀,抵消了基质液压油粘度降低的影响;而在低温状态下,VI改进剂收缩,此时液压油的基础油特性将成为影响液压油粘度的主要因素(图2)。

图2 高分子聚合物构成的添加剂能够较好地降低温度对粘度的影响

高VI下的隐忧,剪切稳定性

然而,即使获得了高VI的液压油,也不能高枕无忧。VI改进剂受到剪切的长久影响会对液压系统造成严重的影响。剪切力增强会降低液压油的粘度和耐高温特性,液压油的工作稳定范围(最高和最低的工作温度范围)会随之减小,粘度损耗很可能造成设备在高温操作环境中磨损,并导致故障产生。

在完全一致的试验环境下对两种高VI液压油进行测试,剪切不稳定的液压油的粘度在设备运行后很短的时间内就会大幅下降,甚至无法达到ISO粘度级别的标准;而能保证剪切稳定的液压油,其粘度能在整个试验过程中保持一致。

因此,在选用高VI液压油之前判断他们的剪切稳定性也同样格外重要。通常采用的方法有三种:

DIN 51382–Bosch: 喷射器试验是三种方法中被认为要求最低的一种。试验液压油在2550 psi(1 psi=6894.76 Pa)的压力状态下运行250周,然后测量其粘度的变化情况。

ASTM D5621: 音速剪切法。将液压油式样放入音速振荡器中40 min并剪切,测量其粘度的变化。该试验目前正在逐步被CEC L45-A-99 KRL圆锥滚柱轴承试验所取代。

CEC L45-A-99:目前,KRL圆锥滚柱轴承试验日益成为世界各地原厂制造商进行试验的首选方法。试验油料在装配好的圆锥滚柱轴承内流动(设计载荷条下)20 h。通过测量测试前后的不同粘度值,进行粘度损失的百分比对比。

美孚DTE 10超凡TM系列是美孚工业润滑油研发的专门用来抵抗高速剪切的液压油。其优秀的剪切稳定性可以从受控的台架测试中一目了然。


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