液压系统油液的污染及控制技术

1、液压系统油液的污染与控制技术胡云龙 夏立成（威海戥同测试设备有限公司 威海264209）1.概述 提高各类机械的使用性能，延长寿命、降低故障和能耗是我们各类技术人员不懈的努力方向。当前性能优良的各种工程机械在我国各项建设中都起着重要的作用，但是经常发生的各种故障和工作失效也都在苦恼着各使用部门，使之不能称心如意的按期完成任务并取得理想的经济效益。据资料介绍，在以液压能源为驱动力的各类机械中，有40%的故障是因液压系统出现的，而在液压系统中有70%以上的故障是因液压油的污染造成的；从这一比例关系看，液压油的污染问题已成为液压技术发展的主要障碍，近些年国内外的工业界对液压油的污染研究和如何控制已做

2、过大量工作，使液压系统的污染控制在不断总结经验的基础上发展成为一项边缘技术。它包括污染物的分析和检测；控制污染物的来源；减少污染物的生成；油液中污染物的净化；提高元件的污染耐受度；制定污染控制的各项标准等等。 下面着重分析各类污染物的性质、危害以及如何控制等方面，并提出开展污染控制工程的设想。2.污染物及其性质2.1固态污染物固体颗粒A、细微性：图2.1-1是放大500倍的尺寸直观图。2m的颗粒也是研究的重要对象。表2.1-1一些颗粒的尺寸范围物质尺寸um物质尺寸盐面颗粒100可可粉颗粒 810 头发直径 70红细胞8白细胞 25细菌2滑石粉颗粒 10尘埃颗粒74 B、沉降性C、聚集性D、吸附

3、性E、磨损性F、催化作用 G、尺寸分布和污染度等级 表2.1-2 固体颗粒硬度颗粒莫式（Mosh）硬度产生原因金刚石910加工磨屑大切屑47加工切屑硅砂7环境火山灰6.5环境磨损硬金属47系统生成金属氧化物（特别是AL2O3）高达9系统生成钨4.5系统生成钴2.5系统生成 表2.1-3 NAS1638-1964 每100mL中含不同尺寸的固体颗粒个数 基于ACFTD（个） 颗粒尺寸（m）等 级000123456789101112515125250500100020004000800016000320006400012800025600051200010240001525224489178356

4、71214252850570011400228004560091000182400255048163263126253506101220254050810016200324005010012361122459018036072014402880576010000112481632641282565121024 级级/尺尺寸（寸（m） 000000123456789101112119539078015603120625012500250005000010000020000040000080000016000003200000576152304609122024304860973019500389

5、0077900156000311000623000125000015142754109217432864173034606920139002770054400111000222000253510203976152306612122024504900980019600392005011247132653106212424848170033906780100000112481632641282565121020 表2.1-4，AS4059D-2001（ACFTD） 颗粒数/100ml表2.1-5 ISO4406-1991（基于ACFTD） 个数/ml等级编码0.91234567颗粒数/ mL0.0

6、0250.0050.010.020.020.040.040.080.080.160.160.320.320.640.641.3等级编码89101112131415颗粒数/ mL1.32.52.5551010202040408080160160320等级编码1617181920212223颗粒数/ mL32064064013001300250025005000500010000100002000020000400004000080000 1999年国际标准化组织修订了自动颗粒计数器校准标准，由原来用ACFTD粉尘校准标准ISO4406-1991改为用ISOMTD粉尘校准标准ISO11171-19

7、99（国标GB/T18854-2002等效移植）。颗粒尺寸由最大直径改为等效投影面积的当量直径。新标准的测试数据更加真实，并且已被“美国标准与技术学会”NIST认证。ACFTD粉尘将停止生产。规定今后凡用自动颗粒计数器检测的，都用经NIST认证的新标准。粒径尺寸m后加（C）。 当前仍是新旧标准混用阶段，将逐步过度到新标准。为便于对照两种标准方法颗粒直径表示尺寸对比，见表2.1-6原ACFTD粉尘表示的最大直径1m5m15m25m50m100mISOMTD（NIST）等效投影直径4m（C）6m（C）14m（C）21m（C）38m（C）70m（C）表2.1-6 ACFTD校准尺寸与ISOMTD校准

8、等效尺寸对比 这就说明，用ACFTD校准1m的数量，相当于用ISOMTD校准4m（C）的数量；同理5m相当于6m（C），15m相当于14m（C），依此类推。 如果现在仍然用NAS1638标准测试的（即ACFTD校准）所得数据为5-15m，15-25m，25-50m，50-100m，100m五个尺寸段的等级，与NIST校准得到的数据：6-14m（C），14-21m（C），21-38m（C），38-70m （C），70m（C）五个尺寸段的等级结果是相近的。2.2 空气污染 气体温度油ABCD平均氮 气207.767.807.597.597.69407.907.957.787.787.85608.3

9、78.268.178.158.24808.358.448.478.578.46氧 气2014.714.914.514.4314.634014.414.313.914.114.186014.214.113.313.713.838013.313.813.313.813.55空 气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 气体在四种矿物油中的溶解度（%） 正因如此，在系统中，不同位置压力是不同的，随着压力的降低，超过饱和溶解度的空气就会逸出成游离态，而当

10、压力升高时又溶解，所以空气在系统中有时溶解有时逸出，这种时隐时现的变化过程对系统有很大的危害，是系统中的顽症。2.3 水污染 几种常用油的含水饱合度 a 液压油 200400ppm (0.020.04%) b 润滑油 200750 ppm (0.020.075%) c 变压器油 3050 ppm (0.0030.005%)3 各种污染物对液压系统的危害3.1 固体颗粒污染的危害 油液污染是引起各种机械寿命缩短和工作故障的主要因素。据前苏联统计资料，在100次飞机失事中,有20起是由于液压系统污染引起的；污染的危害主要表现如下：3.1.1 运动件表面磨损引起功能失效 a. 液压泵和液压马达功能失

11、效 高速运转中的配油盘与转子、柱塞与柱塞孔、滑靴与滑履等部件，都是在大载荷、小间隙条件下工作，油中的固体污染物可破坏油膜，划伤运动表面。不但润滑性变坏，同时又生成大量金属颗粒，链锁反应，恶性循环，造成出口压力降低，回油量加大，效率降低，发热量加大，导致功能失效。 b.齿轮齿面磨损引起失效 各种齿轮在工作中是滑动和滚动同时存在，而齿轮的主要工作状态是重载、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固体污染物又都能进入齿面接触区，造成齿面的剧烈磨蚀，硬度大的颗粒划伤更为严重；此外，重载摩擦的瞬时高温可使齿面产生凹痕，反复工作使表面疲劳破坏，引起机械失效。 c. 其他元件表面破坏 各种类型的运动件如轴承、油缸筒、阀

12、类以及密封装置等，都会因油液污染并在高压、高温和高速条件下不断破坏工作表面，到一定程度引起功能失效。 d. 密封胶圈的破坏 胶圈是流体系统不可缺少的密封装置，密封件的寿命与 油液固体污染度息息相关，污染度越高，固体颗粒嵌入胶圈摩擦面的机会越多，造成胶圈被划伤、剥落，也对运动件表面产生磨蚀，产生新的污染物。温度越高，对胶圈的损坏越大，漏油量增大，温度升高，效率降低，产生链式反应，加速磨损。3.1.2 金属颗粒促进油液氧化变质a. 运动件被卡死b. 堵塞网孔 c. 油液粘度变化 d. 油液酸值的增加3.1.3固体颗粒污染的试验结果 表3-1，与配合间隙尺寸相当的固体颗粒净化后的效果 元件效果泵/马

13、达泵和马达的寿命提高410倍液压传动元件寿命提高410倍阀各种阀的寿命分别提高5300倍滚子轴承疲劳寿命延长50倍径向轴承疲劳寿命延长10倍油液延长油液寿命，降低油液成本 世界各研究机构在进行研究污染度对寿命的影响时，所给出的研究结果差异很大，主要是因为工作环境、污染物成份以及颗粒硬度等因素不同。一般来说（以NAS1638标准），污染度降低一级，寿命延长一倍，反之亦然。假定使用污染度为7级的油液，机器寿命为10年，同样是这台机器将污染度降低几级寿命就有惊人的变化，如表3-2： 表3-2 油液污染度与机器寿命的关系污染度NAS1638 ，级11975寿 命 ， 年0.632.510403.2 水

14、污染的危害表3-3 有金属颗粒时水对氧化的影响序号金属颗粒水小时酸值变化*1无无3500+02无有3500+0.733铁无3500+0.484铁有400+7.935铜无3000+0.726铜有100+11.033.3 空气污染的危害3.3.1 降低油液的弹性模量3.3.2 产生气蚀3.3.3 引起电液伺服阀工作失灵 3.3.4 增加系统的温升 表3-4 含气量对油液温度影响的试验数据 测试点状态油泵进口平均温度T1油泵出口平均温度T2泵壳体回油平均温度T3进出口温升T2-T1壳体回油温升T3-T1 氮气增压油箱状态40.151.564.511.424.4闭式油箱状态38.542.349.33.

15、810.83.3.5 促进油液氧化变质 4. 应全方位实施油液的污染控制4.1 污染控制设计要求4.1.1 首先是选择与各种材料相容性好的工作介质，如果介质，也就是液压油选用不当，例如粘温特性、相容性、酸值、抗磨性、抗剪切性、热稳定性不好，就会引起系统磨损加剧，腐蚀严重，使系统提前失效。4.1.2 结构设计中应贯彻提高附件污染耐受度原则，应合理的选择间隙和最小孔径，尽可能降低因污染所能引起的严重后果。 4.1.3 油液中固体颗粒的净化，是系统设计时不可忽视的重要内容，首先是装机滤油器的参数选择和配置方案，其次是采用地面净化装置定期净化。4.1.3.1滤油器及主要参数 a. 过滤精度 b. 过滤

16、比（x值） 过滤比是评定滤油器过滤精度的另一个重要指标，是反应过滤器对不同尺寸固体颗粒的过滤能力，过滤比的定义是滤油器上游加入的某一尺寸的污染粒子数除以下游仍存在的该尺寸的粒子数，例如在滤油器上游加入5m的粒子100个，在滤油器下游仍截获有5m的5个，则表示为： 对于表面型滤油器过滤比可表明网孔的均匀程度，对于深度型也表明它截获和吸附该尺寸颗粒的能力。但是它们都是随过滤时间的增长逐渐降低，一直到失效，甚至最后还可能到x1，是系统的污染源。工程上滤油器的该指标一般都是指多次通过达到某一压差时的平均过滤比。 过滤比有几个特殊值： x=1 最小过滤精度，是表明对于X尺寸的颗粒没有过滤能力； x=2

17、平均过滤精度，表明对于X尺寸的颗粒滤掉50%； x=75 绝对过滤精度，表明对于X尺寸的颗粒滤掉98.7%。 c. 对于当前过滤比x指标的疑义 现行的过滤比的指标是滤油器生产研制单位为检验过滤器性能，在特定的试验条件规定特定的试验方法而规定的精度指标；实践证明，这一指标越高也确定表现出净化能力越好；但是这一指标没有表征该滤油器在系统工作中的真实净化效果。现行过滤比定义为 x=Nu/Nd,即上游单位液体容积内大于某给定尺寸的污染颗粒数与下游单位液体内容内大于同样尺寸的污染颗粒数的比值，假如过滤比为75，即上游是下游同样尺寸的污染物数量的75倍，而75倍可以跨越NAS1638的6个级别，这就说明只

18、要有一次通过即可以降低6级，可以从NAS1638 12级降低到6级，这是从来没有过的事。（注：关于x指标的论述见论文“过滤比指标应代表滤油器真实的净化能力。） d. 压差特性 e. 纳污容量 g. 安全阀开启压力 f. 滤芯压扁压力4.1.3.2 滤油器在系统中的配置4.1.4 热设计4.1.5 推广采用闭式油箱4.1.5.1 采用闭式油箱的必要性4.1.5.2 关于采用闭式油箱的排气问题4.2 污染控制工艺要求4.2.1 零件加工阶段 4.2.2 装配阶段 4.2.3 管路的净化程度4.2.4 检测设备 4.3 污染控制使用维护要求4.3.1 维护设备4.3.2 各种附件试验台 4.3.3 维修和加油4.3.4 提高使用维护人员的技术素质5. 系统的净化5.1固体颗粒的净化 5.1.1 滤油器的选择污染度等级NAS1638（级）深度型滤油器绝对过滤精度（m）6-758