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水-乙二醇液压液的特性及其应用
（郑金传1, 董春红）
(1．北京机械工业自动化研究所, 北京德外教场口一号　本文章转自《液压与气动》杂志)

在高温、易燃环境下, 为防止矿物液压油外泄引起火灾, 需要使用难燃液压介质。不会燃烧的水-乙二醇液压液是一种比较理想的难燃液压介质, 已在矿产、冶金和铸、锻等要求防火的液压系统中得到了广泛应用。水-乙二醇就是乙二醇的水溶液, 市场上买到的这类液的水含量一般在40%～ 50% 之间。液压系统中使用的水-乙二醇, 除水和乙二醇外, 还添加了高分子聚醚和具有抗磨、防锈、防腐、消泡等功能的各种添加剂。目前国内使用的水-乙二醇液压液主要有两类, 一类全部国产, 另一类关键成份进口, 然后在国内配制。常用的N 46 水-乙二醇液压液, 含水量为45% , 密度为1072kgöm 3, 呈红色或淡黄色。通常, 只要对系统稍加改造,使用普通矿物油的液压系统, 包括常规元件液压系统、比例或伺服元件液压系统都可以改用水-乙二醇液压
液。
1．水-乙二醇液压液的主要性能
与液压系统关系密切的水-乙二醇特性主要有如下4 个方面:
1-1　水-乙二醇液压液的黏度
水-乙二醇液压液的黏度随温度的升高而降低, 实测某N 46 水-乙二醇液压液20℃时的运动黏度约80mm 2ös, 40℃时约43mm 2ös , 50℃时约31mm 2ö s。黏度指数为161。黏度随含水量的降低而增加, 变化比较敏感, 水分蒸发或外界水分进入都会改变溶液的黏度。黏度还与所含异物有关, 常见的情况是, 在更换液压元件或对原含油系统改造成水-乙二醇系统时, 混入液压油, 此时黏度会大大升高, 甚至有堵塞系统中过滤器的危险。通常, 含油量不大于011% , 极限情况时也不大于3%。此外, 水-乙二醇液压液是一种非牛顿液体, 黏度与运动的剪切速度有关。在标称黏度相等时, 水2乙二醇液压液的动压黏度, 明显低于矿物油的动压黏度。
1-2　水-乙二醇液压液的腐蚀性
水-乙二醇液压液呈碱性, 实测某N 46 水-乙二醇液压液的pH 值约915。合格的水-乙二醇液压液含有液相防腐剂, 对浸泡其中的钢铁类金属材料、铜或黄铜材料(青铜除外) , 不产生腐蚀作用。一般的液压阀、液压泵等均可直接使用, 但订货时需要特别声明, 以便厂家作相应的调整, 因为有些液压用材料会与水-乙二醇液压液发生化学反应。如聚氨酯材料的密封圈, 水-乙二醇液压液会使其软化变形, 破坏其密封性能, 不能使用。目前使用性能较好的密封材料是氟橡胶, 其次是丁腈橡胶。金属材料如锌、镉、铅和未经阳极处理的铝等均会与水-乙二醇液压液发生化学反应, 产生异物污染液压系统。其他如有机玻璃材料的液位计、一般的工业用漆等均不适用于以水-乙二醇液压液作介质的系统。
1-3　水-乙二醇液压液的挥发性
水-乙二醇液压液在敞开的环境中会慢慢地挥发,溶液中的水分也会蒸发, 此水溶液也会吸收空气中的水分或其他气体成分, 使性质发生改变, 严重时会导致不能使用。合格的水-乙二醇液压液含有气相防腐剂,可保护封闭油箱内介质上方的碳钢类材料不被氧化。实际使用发现, 若油箱敞开过久, 水-乙二醇液压液中的气相防腐剂挥发损失, 油箱内不浸没在介质中的碳钢类金属表面会发生严重锈蚀。为保护气相防腐剂, 水-乙二醇液压液系统通常做密闭处理, 这一点与使用普通液压油系统有很大的不同。此外, 在装拆维修或其他原因产生泄漏时, 应及时解决问题, 外表留下的残液要尽快擦拭干净, 否则会引起锈蚀。
1-4　水-乙二醇液压液的润滑性
与相同黏度的矿物油相比, 水-乙二醇对运动摩擦副的润滑性能稍差, 不能在金属表面生成牢固的极压润滑膜。这一点对于流体动力润滑摩擦副影响较小, 但对重载的滚动轴承影响较大。尤其是滚针轴承, 水-乙二醇液压液在该类轴承中形成的油膜极易破坏, 导致轴承碎裂。通常, 滑动轴承支承时的叶片泵仍可按额定参数使用, 但滚动轴承支承的齿轮泵和轴向柱塞泵, 一般只能按50% 额定压力工作。阀配流的三柱塞泵, 因无重载滚动轴承, 即使使用水-乙二醇液压液, 也仍能输出45M Pa 的工作压力。
2．水-乙二醇液压液的应用
由于水-乙二醇液压液与矿物液压油的不同特性,除了系统选用的元件和辅件, 在订货时需向厂家特别声明外, 系统在设计使用时往往还要作些特殊和处理。
2-1　液压泵的使用
常用的叶片泵、齿轮泵、柱塞泵均可以使用水-乙二醇液压液作介质。考虑到目前的技术水平, 普通叶片泵和齿轮泵的工作压力以不高于7M Pa 为宜, 高压齿轮泵和柱塞泵可用至16M Pa。水-乙二醇液压液的饱和气压较低, 容易产生气蚀。为防止气蚀, 常用的措施有: (1) 加大泵的吸油管直径, 一般要比使用相同流量矿物油时的管径大10%～ 15%。(2) 降低泵的转速, 必要时甚至要更换电动机。(3) 改变泵的安装位置。如果油箱不大, 建议油箱上置, 将泵放在油箱的下面; 如果油箱很大, 可将泵放在油箱的旁边。
2-2　过滤器的使用
水-乙二醇液压液对过滤器无特殊要求, 但镀锌零件, 应改为磷化处理。在液压泵的吸油口、出油口以及系统回油管中, 均可以安装过滤器。过滤器的过滤精度与使用矿物油时相当, 甚至可以用精度达3 Lm 的精密过滤器。但考虑到水-乙二醇液压液的密度比普通矿物液压油大(超过1) 以及使用中可能被油液污染的实际危险, 过滤器的容量应是泵流量的3～ 5 倍, 比使用矿物油时的容量稍大些。
2-3　油箱的体积
水-乙二醇液压液的油箱容量与普通矿物油的油箱容量相当。由于水-乙二醇液压液的消泡性能稍差,所以要求油箱体积至少取泵每分钟最大输液量的3～5 倍以上, 地面系统一般以大于10 倍为宜。
2-4　油箱材料及内壁处理
目前水-乙二醇液压液的油箱材料主要有两类, 第一类是油箱常用的普通碳钢材料。由于一般油箱用的防锈涂料均不耐水-乙二醇, 因此焊接、除锈、磷化、清洁等处理后直接使用, 即所谓的“裸体”油箱。这种油箱制造工艺简单, 但如果油箱的密闭性做的不好, 在液面附近, 有时水-乙二醇液压液浸泡、有时又露在空气中的部分很容易产生锈蚀。国外有资料介绍, 用环氧树脂作油箱内壁涂料, 但国内尚未见到此类处理的报道。第二类油箱材料是不锈钢, 常用的有1Cr18 或1Cr13等型号, 做成全不锈钢油箱, 可解决防腐问题, 但设备成本较高。
2-5　油箱的密闭结构
虽然像普通油箱那样, 由空气滤清器与大气相连的油箱也用于以水-乙二醇液压液为介质的系统, 但为了尽量减少与大气的交换, 水-乙二醇液压油箱通常设计成密闭结构。这种结构油箱内部的气压往往略高于油箱外部的大气压力, 又称加压油箱。普通油箱上常用的空气滤清器被一个双向的低压限压阀代替。由于油箱内外存在压力差, 为提高油箱的耐压能力, 油箱可以设计成圆形。另外, 油箱内的水-乙二醇液压液不能加得太满, 要留出足够的空间, 以减少由于油箱内介质体积变化而引起的油箱内压力的太大波动。留出空间的大小要视系统而定, 如果系统包含单出杆液压缸、蓄能器这类工作时会引起油箱内介质体积变化的元件, 留
出的空间要大些。
2-6　油箱消泡
水-乙二醇液压液的消泡性能不如普通矿物油。在同样的条件下, 气体在水-乙二醇液压液中的逸出时间要比在普通矿物油中长。有实验显示, 在相同的条件下, 矿物油消泡时间只需4～ 8 分, 而水-乙二醇液压液的消泡时间需要14～ 35 分。为了便于消泡, 水-乙二醇液压液的油箱通常设计成两室, 用开窗带滤网的倾斜钢板隔开, 并加大油箱内介质与空气的接触面积。
2-7　油箱的温度控制
水-乙二醇液压液的工作温度范围不如普通液压油宽。N 46 水-乙二醇的使用界限温度是- 20℃～ +85℃, 最佳温度范围是+ 40℃～ + 50℃, 对使用温度的控制精度要求较高。虽然水-乙二醇的导热性能比矿物液压油好, 但通常还要加大冷却装置的功率。水-乙二醇液压液油箱一般不采用加热装置, 因为加热时, 有可能使内部的高分子添加剂变质。当外界温度很低, 如-5℃～ 10℃时, 可以加热, 但要严格限制加热功率密度,一般不应大于017W ö cm 2。此外, 加热时液体表面温度不应超过60 ℃。
3　从矿物油系统改造成水-乙二醇液压液系统时的注意事项
除了上面提到的需对系统进行的改造外, 从矿物油系统改造成水-乙二醇液压液新系统时应特别注意如下几个步骤:
(1) 彻底放空设备中的矿物油, 包括油箱、管道、液压元件、辅件等中的液压油, 必要时, 可逐个拆下清洗。
(2) 彻底清除油箱内壁上的油漆, 一般可采用化学溶剂或喷沙等办法。油漆清除后, 油箱应重新磷化。
(3) 用1～ 2 倍软水或蒸馏水稀释水2乙二醇液压液, 用稀释后的溶液对系统采用低压、大流量方式循环冲洗2～ 4 小时。然后将清洗液排放干净。
(4) 更换或清洗系统中的过滤器滤芯, 清除油箱内剩留的杂物或油污。
(5) 装入合格的水-乙二醇液压液。如发现介质表面有油污或泡沫, 应设法撇去。
4　水-乙二醇液压液系统的运行和维护
除了常规的液压系统运行维护, 如保持外观整洁、定期检查介质清洁度外, 水-乙二醇液压液系统在运行过程中还应特别注意如下两点:
4-1　黏度检测
水-乙二醇液压液的黏度要定期检测, 以保证系统处于最佳润滑状态。在运行初期, 可每个月甚至每周检测一次, 以后可每半年检测一次。如发现黏度高于原指标的20% , 很可能是介质中的水分蒸发, 应及时添加软水或去离子水。如发现黏度低于原指标, 很可能是外面的水进入了系统, 常见的情况是冷却器内部漏水, 应迅速查明原因, 及时处理。
4-2　pH 值检测
水-乙二醇液压液的pH 值也要定期检测, 通常随黏度检测同时进行。水-乙二醇液压液具有较稳定的化学特性, 出厂时的pH 值一般控制在815～ 1015 之间,正常使用时pH 值不会发生明显变化。如果pH 值低于8 时, 应及时添加新液或专用添加剂甚至更换新液。如果高于1015, 往往是介质受了污染, 要查明原因并及时更换。
5　结论
虽然水-乙二醇液压液的使用性能, 目前有些方面还不如普通的矿物液压油, 但它使用中无毒、价格适中、使用寿命长、系统不必做太大的改动就能方便地使用, 不失为一种实用的难燃液压介质。它的难燃性能优于乳化液, 与磷酸酯相似, 面价格大大低于磷酸酯。正确地维护保养, 水-乙二醇液压液系统也可以像普通矿物油系统一样, 长期、可靠地工作。高温易燃环境中的液压系统, 可把水2乙二醇液压液作为首选的介质。□