液壓系統(tǒng)油液的污染及控制技術(shù)

1、液壓系統(tǒng)油液的污染與控制技術(shù)胡云龍 夏立成（威海戥同測試設(shè)備有限公司 威海264209）1.概述 提高各類機(jī)械的使用性能，延長壽命、降低故障和能耗是我們各類技術(shù)人員不懈的努力方向。當(dāng)前性能優(yōu)良的各種工程機(jī)械在我國各項(xiàng)建設(shè)中都起著重要的作用，但是經(jīng)常發(fā)生的各種故障和工作失效也都在苦惱著各使用部門，使之不能稱心如意的按期完成任務(wù)并取得理想的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)資料介紹，在以液壓能源為驅(qū)動(dòng)力的各類機(jī)械中，有40%的故障是因液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的，而在液壓系統(tǒng)中有70%以上的故障是因液壓油的污染造成的；從這一比例關(guān)系看，液壓油的污染問題已成為液壓技術(shù)發(fā)展的主要障礙，近些年國內(nèi)外的工業(yè)界對(duì)液壓油的污染研究和如何控制已做

2、過大量工作，使液壓系統(tǒng)的污染控制在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一項(xiàng)邊緣技術(shù)。它包括污染物的分析和檢測；控制污染物的來源；減少污染物的生成；油液中污染物的凈化；提高元件的污染耐受度；制定污染控制的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)等等。 下面著重分析各類污染物的性質(zhì)、危害以及如何控制等方面，并提出開展污染控制工程的設(shè)想。2.污染物及其性質(zhì)2.1固態(tài)污染物固體顆粒A、細(xì)微性：圖2.1-1是放大500倍的尺寸直觀圖。2m的顆粒也是研究的重要對(duì)象。表2.1-1一些顆粒的尺寸范圍物質(zhì)尺寸um物質(zhì)尺寸鹽面顆粒100可可粉顆粒 810 頭發(fā)直徑 70紅細(xì)胞8白細(xì)胞 25細(xì)菌2滑石粉顆粒 10塵埃顆粒74 B、沉降性C、聚集性D、吸附

3、性E、磨損性F、催化作用 G、尺寸分布和污染度等級(jí) 表2.1-2 固體顆粒硬度顆粒莫式（Mosh）硬度產(chǎn)生原因金剛石910加工磨屑大切屑47加工切屑硅砂7環(huán)境火山灰6.5環(huán)境磨損硬金屬47系統(tǒng)生成金屬氧化物（特別是AL2O3）高達(dá)9系統(tǒng)生成鎢4.5系統(tǒng)生成鈷2.5系統(tǒng)生成 表2.1-3 NAS1638-1964 每100mL中含不同尺寸的固體顆粒個(gè)數(shù) 基于ACFTD（個(gè)） 顆粒尺寸（m）等 級(jí)000123456789101112515125250500100020004000800016000320006400012800025600051200010240001525224489178356

4、71214252850570011400228004560091000182400255048163263126253506101220254050810016200324005010012361122459018036072014402880576010000112481632641282565121024 級(jí)級(jí)/尺尺寸（寸（m） 000000123456789101112119539078015603120625012500250005000010000020000040000080000016000003200000576152304609122024304860973019500389

5、0077900156000311000623000125000015142754109217432864173034606920139002770054400111000222000253510203976152306612122024504900980019600392005011247132653106212424848170033906780100000112481632641282565121020 表2.1-4，AS4059D-2001（ACFTD） 顆粒數(shù)/100ml表2.1-5 ISO4406-1991（基于ACFTD） 個(gè)數(shù)/ml等級(jí)編碼0.91234567顆粒數(shù)/ mL0.0

6、0250.0050.010.020.020.040.040.080.080.160.160.320.320.640.641.3等級(jí)編碼89101112131415顆粒數(shù)/ mL1.32.52.5551010202040408080160160320等級(jí)編碼1617181920212223顆粒數(shù)/ mL32064064013001300250025005000500010000100002000020000400004000080000 1999年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織修訂了自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，由原來用ACFTD粉塵校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)ISO4406-1991改為用ISOMTD粉塵校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)ISO11171-19

7、99（國標(biāo)GB/T18854-2002等效移植）。顆粒尺寸由最大直徑改為等效投影面積的當(dāng)量直徑。新標(biāo)準(zhǔn)的測試數(shù)據(jù)更加真實(shí)，并且已被“美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)會(huì)”NIST認(rèn)證。ACFTD粉塵將停止生產(chǎn)。規(guī)定今后凡用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器檢測的，都用經(jīng)NIST認(rèn)證的新標(biāo)準(zhǔn)。粒徑尺寸m后加（C）。 當(dāng)前仍是新舊標(biāo)準(zhǔn)混用階段，將逐步過度到新標(biāo)準(zhǔn)。為便于對(duì)照兩種標(biāo)準(zhǔn)方法顆粒直徑表示尺寸對(duì)比，見表2.1-6原ACFTD粉塵表示的最大直徑1m5m15m25m50m100mISOMTD（NIST）等效投影直徑4m（C）6m（C）14m（C）21m（C）38m（C）70m（C）表2.1-6 ACFTD校準(zhǔn)尺寸與ISOMTD校準(zhǔn)

8、等效尺寸對(duì)比 這就說明，用ACFTD校準(zhǔn)1m的數(shù)量，相當(dāng)于用ISOMTD校準(zhǔn)4m（C）的數(shù)量；同理5m相當(dāng)于6m（C），15m相當(dāng)于14m（C），依此類推。 如果現(xiàn)在仍然用NAS1638標(biāo)準(zhǔn)測試的（即ACFTD校準(zhǔn)）所得數(shù)據(jù)為5-15m，15-25m，25-50m，50-100m，100m五個(gè)尺寸段的等級(jí)，與NIST校準(zhǔn)得到的數(shù)據(jù)：6-14m（C），14-21m（C），21-38m（C），38-70m （C），70m（C）五個(gè)尺寸段的等級(jí)結(jié)果是相近的。2.2 空氣污染 氣體溫度油ABCD平均氮 氣207.767.807.597.597.69407.907.957.787.787.85608.3

9、78.268.178.158.24808.358.448.478.578.46氧 氣2014.714.914.514.4314.634014.414.313.914.114.186014.214.113.313.713.838013.313.813.313.813.55空 氣209.569.399.139.149.31409.509.469.169.339.36609.629.459.519.419.50809.739.649.649.689.67表2.1-7 氣體在四種礦物油中的溶解度（%） 正因如此，在系統(tǒng)中，不同位置壓力是不同的，隨著壓力的降低，超過飽和溶解度的空氣就會(huì)逸出成游離態(tài)，而當(dāng)

10、壓力升高時(shí)又溶解，所以空氣在系統(tǒng)中有時(shí)溶解有時(shí)逸出，這種時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的變化過程對(duì)系統(tǒng)有很大的危害，是系統(tǒng)中的頑癥。2.3 水污染 幾種常用油的含水飽合度 a 液壓油 200400ppm (0.020.04%) b 潤滑油 200750 ppm (0.020.075%) c 變壓器油 3050 ppm (0.0030.005%)3 各種污染物對(duì)液壓系統(tǒng)的危害3.1 固體顆粒污染的危害 油液污染是引起各種機(jī)械壽命縮短和工作故障的主要因素。據(jù)前蘇聯(lián)統(tǒng)計(jì)資料，在100次飛機(jī)失事中,有20起是由于液壓系統(tǒng)污染引起的；污染的危害主要表現(xiàn)如下：3.1.1 運(yùn)動(dòng)件表面磨損引起功能失效 a. 液壓泵和液壓馬達(dá)功能失

11、效 高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的配油盤與轉(zhuǎn)子、柱塞與柱塞孔、滑靴與滑履等部件，都是在大載荷、小間隙條件下工作，油中的固體污染物可破壞油膜，劃傷運(yùn)動(dòng)表面。不但潤滑性變壞，同時(shí)又生成大量金屬顆粒，鏈鎖反應(yīng)，惡性循環(huán)，造成出口壓力降低，回油量加大，效率降低，發(fā)熱量加大，導(dǎo)致功能失效。 b.齒輪齒面磨損引起失效 各種齒輪在工作中是滑動(dòng)和滾動(dòng)同時(shí)存在，而齒輪的主要工作狀態(tài)是重載、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固體污染物又都能進(jìn)入齒面接觸區(qū)，造成齒面的劇烈磨蝕，硬度大的顆粒劃傷更為嚴(yán)重；此外，重載摩擦的瞬時(shí)高溫可使齒面產(chǎn)生凹痕，反復(fù)工作使表面疲勞破壞，引起機(jī)械失效。 c. 其他元件表面破壞 各種類型的運(yùn)動(dòng)件如軸承、油缸筒、閥

12、類以及密封裝置等，都會(huì)因油液污染并在高壓、高溫和高速條件下不斷破壞工作表面，到一定程度引起功能失效。 d. 密封膠圈的破壞 膠圈是流體系統(tǒng)不可缺少的密封裝置，密封件的壽命與 油液固體污染度息息相關(guān)，污染度越高，固體顆粒嵌入膠圈摩擦面的機(jī)會(huì)越多，造成膠圈被劃傷、剝落，也對(duì)運(yùn)動(dòng)件表面產(chǎn)生磨蝕，產(chǎn)生新的污染物。溫度越高，對(duì)膠圈的損壞越大，漏油量增大，溫度升高，效率降低，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加速磨損。3.1.2 金屬顆粒促進(jìn)油液氧化變質(zhì)a. 運(yùn)動(dòng)件被卡死b. 堵塞網(wǎng)孔 c. 油液粘度變化 d. 油液酸值的增加3.1.3固體顆粒污染的試驗(yàn)結(jié)果 表3-1，與配合間隙尺寸相當(dāng)?shù)墓腆w顆粒凈化后的效果 元件效果泵/馬

13、達(dá)泵和馬達(dá)的壽命提高410倍液壓傳動(dòng)元件壽命提高410倍閥各種閥的壽命分別提高5300倍滾子軸承疲勞壽命延長50倍徑向軸承疲勞壽命延長10倍油液延長油液壽命，降低油液成本 世界各研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究污染度對(duì)壽命的影響時(shí)，所給出的研究結(jié)果差異很大，主要是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境、污染物成份以及顆粒硬度等因素不同。一般來說（以NAS1638標(biāo)準(zhǔn)），污染度降低一級(jí)，壽命延長一倍，反之亦然。假定使用污染度為7級(jí)的油液，機(jī)器壽命為10年，同樣是這臺(tái)機(jī)器將污染度降低幾級(jí)壽命就有驚人的變化，如表3-2： 表3-2 油液污染度與機(jī)器壽命的關(guān)系污染度NAS1638 ，級(jí)11975壽 命 ， 年0.632.510403.2 水

14、污染的危害表3-3 有金屬顆粒時(shí)水對(duì)氧化的影響序號(hào)金屬顆粒水小時(shí)酸值變化*1無無3500+02無有3500+0.733鐵無3500+0.484鐵有400+7.935銅無3000+0.726銅有100+11.033.3 空氣污染的危害3.3.1 降低油液的彈性模量3.3.2 產(chǎn)生氣蝕3.3.3 引起電液伺服閥工作失靈 3.3.4 增加系統(tǒng)的溫升 表3-4 含氣量對(duì)油液溫度影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù) 測試點(diǎn)狀態(tài)油泵進(jìn)口平均溫度T1油泵出口平均溫度T2泵殼體回油平均溫度T3進(jìn)出口溫升T2-T1殼體回油溫升T3-T1 氮?dú)庠鰤河拖錉顟B(tài)40.151.564.511.424.4閉式油箱狀態(tài)38.542.349.33.

15、810.83.3.5 促進(jìn)油液氧化變質(zhì) 4. 應(yīng)全方位實(shí)施油液的污染控制4.1 污染控制設(shè)計(jì)要求4.1.1 首先是選擇與各種材料相容性好的工作介質(zhì)，如果介質(zhì)，也就是液壓油選用不當(dāng)，例如粘溫特性、相容性、酸值、抗磨性、抗剪切性、熱穩(wěn)定性不好，就會(huì)引起系統(tǒng)磨損加劇，腐蝕嚴(yán)重，使系統(tǒng)提前失效。4.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)貫徹提高附件污染耐受度原則，應(yīng)合理的選擇間隙和最小孔徑，盡可能降低因污染所能引起的嚴(yán)重后果。 4.1.3 油液中固體顆粒的凈化，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的重要內(nèi)容，首先是裝機(jī)濾油器的參數(shù)選擇和配置方案，其次是采用地面凈化裝置定期凈化。4.1.3.1濾油器及主要參數(shù) a. 過濾精度 b. 過濾

16、比（x值） 過濾比是評(píng)定濾油器過濾精度的另一個(gè)重要指標(biāo)，是反應(yīng)過濾器對(duì)不同尺寸固體顆粒的過濾能力，過濾比的定義是濾油器上游加入的某一尺寸的污染粒子數(shù)除以下游仍存在的該尺寸的粒子數(shù)，例如在濾油器上游加入5m的粒子100個(gè)，在濾油器下游仍截獲有5m的5個(gè)，則表示為： 對(duì)于表面型濾油器過濾比可表明網(wǎng)孔的均勻程度，對(duì)于深度型也表明它截獲和吸附該尺寸顆粒的能力。但是它們都是隨過濾時(shí)間的增長逐漸降低，一直到失效，甚至最后還可能到x1，是系統(tǒng)的污染源。工程上濾油器的該指標(biāo)一般都是指多次通過達(dá)到某一壓差時(shí)的平均過濾比。 過濾比有幾個(gè)特殊值： x=1 最小過濾精度，是表明對(duì)于X尺寸的顆粒沒有過濾能力； x=2

17、平均過濾精度，表明對(duì)于X尺寸的顆粒濾掉50%； x=75 絕對(duì)過濾精度，表明對(duì)于X尺寸的顆粒濾掉98.7%。 c. 對(duì)于當(dāng)前過濾比x指標(biāo)的疑義 現(xiàn)行的過濾比的指標(biāo)是濾油器生產(chǎn)研制單位為檢驗(yàn)過濾器性能，在特定的試驗(yàn)條件規(guī)定特定的試驗(yàn)方法而規(guī)定的精度指標(biāo)；實(shí)踐證明，這一指標(biāo)越高也確定表現(xiàn)出凈化能力越好；但是這一指標(biāo)沒有表征該濾油器在系統(tǒng)工作中的真實(shí)凈化效果。現(xiàn)行過濾比定義為 x=Nu/Nd,即上游單位液體容積內(nèi)大于某給定尺寸的污染顆粒數(shù)與下游單位液體內(nèi)容內(nèi)大于同樣尺寸的污染顆粒數(shù)的比值，假如過濾比為75，即上游是下游同樣尺寸的污染物數(shù)量的75倍，而75倍可以跨越NAS1638的6個(gè)級(jí)別，這就說明只

18、要有一次通過即可以降低6級(jí)，可以從NAS1638 12級(jí)降低到6級(jí)，這是從來沒有過的事。（注：關(guān)于x指標(biāo)的論述見論文“過濾比指標(biāo)應(yīng)代表濾油器真實(shí)的凈化能力。） d. 壓差特性 e. 納污容量 g. 安全閥開啟壓力 f. 濾芯壓扁壓力4.1.3.2 濾油器在系統(tǒng)中的配置4.1.4 熱設(shè)計(jì)4.1.5 推廣采用閉式油箱4.1.5.1 采用閉式油箱的必要性4.1.5.2 關(guān)于采用閉式油箱的排氣問題4.2 污染控制工藝要求4.2.1 零件加工階段 4.2.2 裝配階段 4.2.3 管路的凈化程度4.2.4 檢測設(shè)備 4.3 污染控制使用維護(hù)要求4.3.1 維護(hù)設(shè)備4.3.2 各種附件試驗(yàn)臺(tái) 4.3.3 維修和加油4.3.4 提高使用維護(hù)人員的技術(shù)素質(zhì)5. 系統(tǒng)的凈化5.1固體顆粒的凈化 5.1.1 濾油器的選擇污染度等級(jí)NAS1638（級(jí)）深度型濾油器絕對(duì)過濾精度（m）6-758