这篇文章选自张海平博士即将出版的新书《白话液压》的章节。张博士以其深厚的液压理论功底、丰富的实践经验，在国内液压领域享有崇高的盛誉。
本文中，张博士深入浅出地介绍了液压介质的的种类、特点、应用及未来的发展方向；用通俗的语言、真实的案例向读者娓娓道来，读来生动有趣。
在液压技术中，用来作为传递压力的液体，统称为压力介质。早期的压力介质是水。液压的英语 hydraulics，在很多英汉词典中的解释就是水力学。
在 1905 年前后发现，矿物油——石油分馏精炼得到的碳氢化合物，比水黏稠， 因此，泄漏少得多，润滑性好得多，工作压力可以大大提高。鲜有腐蚀金属件的问题。此外，由于矿物油的凝固点较水低得多、挥发点较水高得多，可以有更广的工作温度范围，所以，更适宜作为压力介质。因此，在很短时间内就被普遍采用了。当时还特别出现了“油压”一词，以强调区别于“水压”。
在 1905 年工作压力还仅为 4MPa，到了 1940 年，工作压力为 35MPa 的液压泵已系列生产。
采用矿物油开创了现代液压技术。 目前，在液压系统中使用的压力介质，主要还是以矿物油为基体，约占 88%（壳牌 Shell 石油公司 2015 年统计），2016 年全世界消耗约 38 亿升液压油，约值 45 亿 美元。为叙述简便起见，本书一般情况下使用液压油或压力油泛指所有压力介质。在现代液压技术中，液压油起着多方面的作用，须满足多种要求与期望，因此，遇到了多种问题，研发出了多种应对措施。
传递动力是液压油最基本的任务。 要传递动力，液压油就必须流动。液压油流动，会导致压力的下降，简称压降，也称压力损失或压差。
以下分别介绍影响压力损失的一些因素。
1．黏性
从一个瓶子里往外倒菜油、蜂蜜，会发觉，要比倒水明显来得慢，这是由于菜油、蜂蜜的黏性高于水。
液体的黏性来自液体分子之间的吸引力。
推动一块放在液体上面的板（下图），会感到有一些阻力。原因在于，由于黏性，最高层的液体会随着上板运动，而最底层的液体会由于下板的不动而保持不动。夹在其中的液体，就相互牵制着，不情愿但又多少得动一些。这就是阻力的来源。液体黏性越高，阻力就越大。
液压技术中常用运动黏度来度量液体的黏性，单位为 mm²/s 厘斯。黏度加倍，意味着阻力加倍，压力损失加倍。
水的运动黏度约为 1mm²/s。 常用的液压油的运动黏度在40°C时为 32、46、64 mm²/s。
矿物油的黏度会随温度变化：温度越低，黏度越高（见下表）。矿物油的牌号根据其 40°C 时的运动黏度而定。
表 3-1 矿物油在不同温度时的黏度 mm²/s
黏温特性曲线
据历史资料，二次大战时，纳粹德国的坦克都装有液压马达，操纵灵活，爬山涉水，挺进神速。进攻苏联是在 6 月 22 日开始的，短短两个多月，就已兵临莫斯科城 下。没料到冬天提前到来，气温骤降，液压油黏度陡增，以致坦克行动艰难，成为活靶子，最后兵败城下。由此可见，液压油的黏温特性也曾影响过历史进程，不可小觑。
以后的研究发现，添加少量高分子化合物可以改善矿物油的黏温特性。
矿物油的黏度，不仅受温度影响，也随压力增加而增加。
因此，必须根据液压系统的环境温度、实际工作温度、压力、速度范围，选择恰当黏度的液压油。
如果注意观察从自来水龙头中流出的水（见下图），可以发觉，在流量较小时，水柱晶莹透亮，形状相对稳定；而流量增大以后，水柱就不再透亮了，似有多泡，形状湍动不安。前者被称为层流，后者被称为紊流。
层流之所以看上去透明稳定，是因为液体的流速较低，液体分子团相互之间的吸 引力高于它们的惯性力，流动没有漩涡，因此稳定有序。
而当流量增大以后，流速增高，液体分子团的惯性力超过相互间的吸引力，分子 团各行其道，相互撞击，无稳定轨迹，就成为紊流。
在管道中，液体的流动也同样有层流a与紊流b之分（见下图）。
层流时，压力损失较低，大致与平均流速成正比。 紊流时，由于分子团相互撞击严重，压力损失较高，大致与平均流速的平方成正比。
1.影响流态的因素
影响流态的主要因素：黏度、流速、管径
黏度越低则分子团相互之间的吸引力越小，流速越高则惯性力越大，而管径越大，则液体流动时可依附的部分相对就少，流动越容易成为紊流。
2.流态的转变
如果缓慢开大自来水开关，在层流转为紊流后，再缓慢关小开关，仔细观察，会发现，必须关到更小的开度，紊流才会回复为层流。这与日常生活经验相符：保持整齐不变为混乱易，而由混乱再恢复为整齐难。
也正是这点，给液压技术带来了最基本的不确定性。在层流和紊流时，压力损失与流量之间还有一个基本固定的关系。但在层流-紊流过渡区，就不能断定，流态是紊流还是层流，也就无法估算出压力损失。
1.长通道，面积和形状没有突然改变，压力就逐渐下降，术语称沿程损失。这里，造成压力下降的主要原因是液体相互间，以及液体与管道壁的摩擦力。
因为管径越大，与管道壁发生摩擦的液体相对总量越少，所以，压降越小。
2.通流面积或/和形状突然改变，如，小孔、弯头、管道分叉会合处等。在这些地方，由于液流方向改变，造成涡流、分子团相互撞击、重组，内耗严重，导致压力 明显下降，术语称局部损失。
1．润滑运动部件
液压系统工作时总是会有相对运动的部件，术语称摩擦副。为了保证润滑，减少摩擦磨损，油的黏度必须保持在一定范围内。因为，黏度过 高，不易进入摩擦副之间；黏度过低，在摩擦副之间就停留不住，特别是在摩擦副承受很大压力、相互高速运动时（见下图）。
一般较理想的工作黏度范围为 30~50mm²/s，随设备的结构类型不同而变，一般至少应该在 10~800mm²/s 之间。
2．保护与液压油接触的表面
一般而言，矿物油不会腐蚀金属，可以保护与之接触的金属表面。但液压油中的 水、空气会腐蚀金属。在有些应用场合，很难完全避免水进入液压油，例如一些船舶液压。加入弥散添 加剂（类似家用洗涤剂）后，在水含量不超过 5%时，都会自动形成细微的油包水的 乳化滴，从而不影响润滑膜的形成，也不会腐蚀金属。
在液压油中加入所谓消泡剂，可以提高其空气分离能力。
3．散热
机械设备工作时不可避免会由于摩擦或液压油泄漏产生热，造成温度上升，对设备中的元件带来不利影响。因此，期望流动的液压油可以把这热量带走。从这点出发，希望液压油有好的导热性和高的热容量。可惜，在这方面，普通矿物油的能力只有水的一半。
4．带走杂质
设备工作时部件难免会发生磨损，有剥落物。液压油的流动有利于带走杂质。
5．可压缩性
液体也是可压缩的。如果压力增高 40MPa，矿物油体积会缩小约 3%。 液体中混有的未溶解空气会增高液体的可压缩性。在正常大气压力条件下，液体中总含有一定量的溶解空气。而液体对空气的溶解能力，会随着压力和温度的下降而下降，已溶解的空气会释出，就会增加液体的可压缩性。
在高压力、大容量情况下用液体去驱动负载，就像用一根弹簧去推动一个物体，不易准确定位。
6．热胀冷缩
液体也会热胀冷缩
温度每上升 50°C，矿物油体积会膨胀约 3%。如果被密闭在一个容器里，无法膨胀，就会导致压力增高约 40MPa。这很可能损坏管道及液压件，所以必须有适当的预防措施。
7．工作持久性
液压油的价格，好的，每吨 3、4 万元，次的也在 1 万多元以上。所以，理想的是可以长期使用，终生不换。但不利影响是多方面的。
（1）化学不相容液压系统中的密封圈、软管等，含有天然或人造高分子材料。如果与液压油不相容，长期工作后就会发生侵蚀膨胀。
一般把密封圈、软管浸泡在热油中 24 小时，之后检测膨胀率。超过一定值，就认为化学不相容。
（2）气蚀
如在 1.2 节已提及，在封闭管道中，通流截面小处，流速高。在液体分子全都一心一意往前冲的时候，相互间，以及撞击管壁的力就会减小，宏观来说，就是压力降低。这也符合能量守恒定律，压力能转化为动能。因此，在流速增高 的地方，液体的压力会降低，甚至可能形成负压。手动喷雾器（见下图 ），一些抽真空机就是根据此原理工作的。
在低压区，除了原先溶解的空气会分离出来外，甚至，液压油也会变为蒸气，出现气泡。混有气泡的液压油快速进入大截面区时，流速变慢，压力又会升高（见下图）。气泡被快速压缩爆炸，造成局部冲击力，使相接触的固体表面发生剥蚀，出现海绵状小孔（见图），这种现象被称为“气蚀”。气蚀会降低液压元件的使用寿命，也会加速油液老化发黑。
气蚀很难完全避免，只有设法减少。如，减少气体混入油中，避免让液流直接冲击固体表面，等等。
（3）老化矿物油，长期使用后，不仅黏度会下降，还会分泌出很黏稠的酸性、带负电荷的糊状沉积物，这种现象称老化。这种沉积物会堵塞液流通道，特别是在液压阀中，小的节流口处，使元件失效。而且一旦产生，很难清除。因此，是要尽力避免的。
1）造成老化的原因
a）氧化：矿物油是碳氢化合物，氧化后会形成酸酯。
b）水解：酯遇水会分解。
c）碳氢化合物受高压剪切会裂化。
d）聚合：碳氢化合物互联，形成大分子团。
2）影响老化过程的因素油液的老化程度一般可通过其酸性——中和数来判断。
a）油液中的气和水会加快老化（见下图）。
b）由灰尘等固体颗粒引起的污染，特别是金属（尤其是非金属）的催化作用，都会加速矿物油老化。
c）高温也会加速老化。一般，在 70℃以上，温度每升高 10℃，老化速度便增加一倍。
d）高压也会加速老化。 在矿物油中加入某些化学物质——添加剂，可以改善油的物理、化学特性，如改善黏温特性，降低凝点，减小摩擦系数，阻碍泡沫产生并促使其破裂，减缓氧化，减 少对金属的锈蚀，等等。据此，液压油被分为：未加添加剂（H）、加有一般抗老化抗腐蚀添加剂（HL）、加有特殊的耐高压抗磨损添加剂（HM），等等。
因为加入了多种添加剂，现代液压油的特性与普通矿物油已有很大差别。因此， 根据应用场合选择合适的液压油，对于液压系统功能的正常发挥、可靠操作、工作持久性以及经济性，都是非常重要的。
新品种液压油的研发一直没有停顿。例如，力士乐在 2015 年提出了对液压油的新的要求 RDE90245。据壳牌公司 2017 年初报告，他们的 Tellus S2 MX 液压油率先满足了此要求。
矿物油在自身温度超过 150°~180°C（术语称闪点）后会产生大量有害健康的油雾。如果遇到明火，还会燃烧。
在上世纪五十年代英国煤矿曾因为使用的矿物基液压油引发火灾，伤亡惨重，遂立法在矿井中禁止使用矿物油作为液压油。在国内，在本世纪也还曾发生过，投产才 几个月的轧钢流水线由于泄漏的矿物基液压油燃烧而被完全损毁。因此，在可能接触 炽热金属或明火的场合，例如，压铸机械、热锻压机械等，液压系统都应采用难燃液。
难燃液被分为以下几类。
1）HFA——以水为主的乳化液，可燃成份最多为 20%，实际一般在 1%~5%，也被 称为高水基液。有点类似牛奶。通常，水包油，看似均匀的液体。但如用离心机一 甩，就会分离出奶油来。
价格便宜，主要应用于开采业。 由于其大部分会挥发，因此泄漏到大地后危害也不大。 由于黏度很低，因而很易泄漏。因此，运动部件间的间隙必须很小。因此，液体必须很精细地过滤。 受水的凝点和挥发点的限制，工作温度只能在 5~50°C 之间。
由于含水多，会腐蚀金属，也容易滋生微生物。因此，还需要加入防锈防腐剂， 对水质要经常监测。
2）HFC——水乙二醇液，含水量为 35%~55%，可达到与矿物油相近黏度，工作温度在-20~60°C 之间。与大多数常用密封材料都相容，抗腐蚀能力强于 HFA。在采掘 机械、冶金设备和压铸机械中应用较多。
由于水容易挥发，在含水量低于 35%时液体的可燃性会大幅增加，所以必须经常 监测水含量。
3）HFD——无水合成液，如磷酸酯、氯化烃，或两者的混合物。 黏度与矿物油相近，耐磨性能好，抗老化能力高，能用于温度变化较大的场合。 与常用密封材料以及喷涂的表面不太相容。有毒，会危害生态环境。所以，现在应用渐少。
难燃液和矿物油在某些方面的性质差别很大。这常意味着，系统的工作参数（转速、压力等）必须降低，液压元件的使用寿命也会降低。
由于矿物油等很难被微生物分解，甚至含有有毒物质，因此，对环境生态有危害。例如，一块土壤中一旦渗有矿物油，至少 3 年寸草不生。这点特别给移动液压设备的密封性带来严酷的挑战。
在上世纪七十年代石油危机时，芬兰等国就开始研究在液压系统中使用植物油代替矿物油。植物油虽然环保，泄漏到地上或水里，会被微生物分解（术语称：可生物快速降解），但也容易被氧化水解。后来找到了一些无毒的添加剂，可以一定程度地减缓植物油被氧化水解的速度，但又不影响其被微生物分解。然而，两棵树上的苹果都可能口味不同，不同植物中提取出来的油，特性也常有差别，这不利于工业液压系统的稳定性。
合成酯的化学结构与植物油相近，同样可生物快速降解，但抗氧化性能强得多。 而且因为是人工合成的，容易做到高纯度一致性。在农业机械、森林机械中已越来越多地被应用。但目前价格还较贵，约为矿物基液压油的两倍。研发探索还在进行中。
这里的清水，指的是，作为压力介质，不含有增加黏度材料的水，包括自来水、 河水、海水。
清水，说起来有一系列优点：不可燃，无爆炸危险、卫生、环保、散热性能好， 价廉易得，后处理几乎不需要什么费用。但由于易挥发，工作温度受限制，对多种金属有腐蚀性，特别是黏度低，润滑性差，泄漏大，所以，其实并不是一种好的压力介质。
上世纪九十年代，由于发明了恰当的陶瓷加工工艺，制造出来的陶瓷零件对润滑要求较低。因此，清水液压又重获青睐。但至今，工作压力只能在 16MPa 以下。因 此，只是被用于一些有特殊要求的行业和场所，如食品、饮料、化妆品、粮食加工、 制药、医疗、造纸、文化娱乐、体育、办公室、家用机器人等，与矿物油并不形成竞争局面。
目前常说的“水液压”包括了高水基液体，即含有增加黏度的材料。虽然与清水 液压有些共同处，但也有很多不同处：易得性、卫生性、可应用场合、对液压元件的要求等等。所以，不应混淆两个概念。
此外，海水淡化、从油页岩中获取石油、水切割、内高压成型、汽车用薄板的清洁去皮等等，都必须使用高压水，且用量很大。虽然这些应用已不属于液压传动，但 从液压传动发展出来的技术与这些应用，也正相辅相成，互相推动。
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