（威海戥同測(cè)試設(shè)備有限公司    威海264209）

 

     摘 要：本文通過(guò)論述液壓油中存在固體顆粒、水和空氣污染對(duì)液壓系統(tǒng)可靠性和壽命的影響，闡明如何降低油液的污染度是當(dāng)前的技術(shù)關(guān)鍵；而行走機(jī)械的開(kāi)式油箱無(wú)法阻止固體顆粒、水和空氣的進(jìn)入，得出實(shí)行液壓系統(tǒng)污染度的等級(jí)控制必須采用與空氣隔絕的閉式油箱的結(jié)論。

     關(guān)鍵詞：行走機(jī)械  液壓系統(tǒng)  污染控制  閉式油箱

 

 

     1. 控制油液的污染是液壓系統(tǒng)當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)

     提高各類機(jī)械的使用性能，延長(zhǎng)壽命、降低故障、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率一直是世界各國(guó)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(guó)各項(xiàng)建設(shè)中都起著重要作用，但是經(jīng)常發(fā)生的各種故障和工作失效也一直在煩惱著各使用部門，使得不能稱心如意的按期完成任務(wù)和取得理想的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在各類機(jī)械中，有40%的故障是液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的，而在液壓系統(tǒng)中有70%以上的故障是因油液污染造成的；從這一比例關(guān)系看，液壓油的污染問(wèn)題已成為液壓技術(shù)發(fā)展的主要障礙，近些年國(guó)內(nèi)外的工業(yè)界對(duì)液壓油的污染和如何控制已做了大量工作，使液壓系統(tǒng)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)。它包括各種污染物的分析和檢測(cè)、如何減少污染物的生成、如何控制污染物的來(lái)源、提高元件的污染耐受度，以及油液的凈化手段等等。降低一級(jí)油液污染度就能提高機(jī)器壽命一倍，所以控制油液的污染已成當(dāng)前的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

        1.1   液壓油的污染物及其危害

     油液中的污染物有固體、液體和氣體三大類，它們以各不相同的方式對(duì)液壓系統(tǒng)起到破壞作用。

        1.1.1 固體顆粒污染及其危害

     存在于液壓油中的固體顆粒有金屬的也有非金屬的，不論是金屬還是非金屬的，都能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞作用。

     （1）運(yùn)動(dòng)件表面磨損引起功能失效

       a. 液壓柱塞泵和柱塞馬達(dá)的失效    在柱塞液壓泵和柱塞液壓馬達(dá)的工作中，配油盤(pán)與轉(zhuǎn)子、柱塞與轉(zhuǎn)子、滑靴和滑履之間都是在高速滑動(dòng)，并有高壓大載荷，即需要潤(rùn)滑又必須小間隙，在油中存在的固體污染物可破壞油膜，并劃傷運(yùn)動(dòng)表面，不但使?jié)櫥阅茏儔亩矣之a(chǎn)生新的大量的金屬固體污染物，產(chǎn)生連鎖磨損反應(yīng)，很快造成液壓泵出口壓力降低，殼體回油流量加大，發(fā)熱量大增，導(dǎo)致性能失效。

       b. 齒輪齒面的磨損    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)是重載和薄油膜，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，此外重載磨擦的瞬時(shí)高溫還可使齒面產(chǎn)生凹痕，反復(fù)工作使表面疲勞破壞，機(jī)械失效。

       c. 其它元件表面的破壞    各種類型的運(yùn)動(dòng)件如軸承、作動(dòng)筒、閥類以及密封裝置等，都會(huì)因油液的污染并在高溫高壓高速工作條件下不斷破壞工作表面，表面破壞到一定程度就會(huì)引起功能失效。

     （2）油液變質(zhì)的危害

     由于油液中進(jìn)入水分和空氣，可引起油液乳化，也可產(chǎn)生微生物和膠質(zhì)狀物質(zhì)，更易引起酸堿度的變化，水和空氣在金屬微粒的作用下加劇了腐蝕，甚至引發(fā)突然故障。

       a. 堵塞網(wǎng)孔    因油液變質(zhì)生成微生物和各種膠狀物質(zhì)，可堵塞各類濾油器的網(wǎng)孔，造成過(guò)濾功能提前失效，引發(fā)集中污染或節(jié)流孔堵塞引起控制失靈。

       b. 運(yùn)動(dòng)件被卡死    破壞油膜，引起油液發(fā)熱燒結(jié)增大磨擦力而剪斷液壓泵柱塞頭，使液壓泵在瞬間失效。

       c. 油液粘度變化    粘度是液壓油的重要指標(biāo)，要求它保證低溫條件下順利啟動(dòng)，也可以高溫條件下保證潤(rùn)滑性能，當(dāng)高溫剪切和腐蝕破壞油液的理化性能和粘度后，油液粘度指標(biāo)就無(wú)法滿足高、低溫條件下的工作需要，或低溫阻力過(guò)大無(wú)法工作或高溫破壞油膜失去潤(rùn)滑能力。

     （3）固體顆粒污染的試驗(yàn)結(jié)果    美國(guó)頗爾公司將與元件尺寸相當(dāng)?shù)墓腆w顆粒清除掉，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生良好的結(jié)果，見(jiàn)表1

  表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/馬達(dá)	泵和馬達(dá)的壽命提高4～10倍
液壓傳動(dòng)	元件壽命提高4～10倍
閥	各種閥的壽命分別提高5～300倍
滾子軸承	疲勞壽命延長(zhǎng)50倍
徑向軸承	疲勞壽命延長(zhǎng)10倍
油液	延長(zhǎng)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、污染物成分以及顆粒硬度等因素不同。一般來(lái)說(shuō)（以NAS1638標(biāo)準(zhǔn)），污染度降低一級(jí)，壽命延長(zhǎng)一倍，反之亦然。

       1.1.2 水污染的危害

水在液壓系統(tǒng)中是一種嚴(yán)重的污染物，人們對(duì)此常不夠重視。水對(duì)液壓系統(tǒng)的最大危害是腐蝕，其他方面有產(chǎn)生氧化物、污垢及膠狀物。

          （1）腐蝕是由酸的作用引起。當(dāng)液壓油中的硫及氯（如某些添加劑中含有硫，元件表面的凈化過(guò)程易帶入氯）與水結(jié)合時(shí)，就產(chǎn)生硫酸及鹽酸。這些都對(duì)元件材料有腐蝕作用。

          （2）破壞油膜   無(wú)論是游離水或是乳化液存在于運(yùn)動(dòng)件表面，都能起到破壞油膜的作用，使摩擦副失去了潤(rùn)滑劑，加劇了磨損。

          （3）膠狀物質(zhì)增加磨損   當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有污染物存在時(shí)，污染物與水結(jié)合成污垢，對(duì)元件的磨損作用比水與污染物單獨(dú)存在更大。磨損后的元件露出新的表面，則又易于腐蝕。水就成了加速磨損劑。水對(duì)油液的氧化過(guò)程也有加速作用。水與油液中的抗氧化添加劑作用會(huì)減弱抗氧劑的防護(hù)性能。

           （4）水污染的試驗(yàn)結(jié)果    美國(guó)Timken Bearing公司做一次油中含水量對(duì)軸承壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果近似如表2。

    表2   油中含水量對(duì)軸承壽命的影響

       從試驗(yàn)結(jié)果看，含水量增大10倍，即由0.01%（100ppm）增大到0.1%（1000ppm），軸承壽命由100%減小到30%，可見(jiàn)含水量對(duì)機(jī)器壽命影響的一斑。

       1.1.3 空氣污染的危害

          （1）降低油液的彈性模量  當(dāng)液壓油中有游離氣體存在時(shí)，就大幅度降低油液的彈性模量。例如：液壓油在無(wú)游離氣體時(shí)，彈性模量平均值為1510MPa，如果夾雜空氣，油液的彈性模量會(huì)降到353 MPa 以下。彈性下降，造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，工作不穩(wěn)定，有時(shí)引起爬行，尤其是自動(dòng)化程度很高的機(jī)器，易引起失控，出現(xiàn)事故。

          （2）產(chǎn)生氣蝕  當(dāng)油液由低壓區(qū)進(jìn)到高壓區(qū)時(shí)，氣泡會(huì)瞬間被壓縮破滅，此時(shí)產(chǎn)生的局部高溫和高壓沖擊，造成元件表面惡化和劇烈振動(dòng)，氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，還伴隨著高溫火花，除引起機(jī)件破壞以外，還產(chǎn)生燃燒后殘留的灰分，當(dāng)灰分進(jìn)入積炭中變得堅(jiān)硬耐磨，加劇了機(jī)件磨損。

          （3）引起電液伺服閥工作失靈

精密控制的液壓系統(tǒng)大多采用電液伺服控制，電液伺服閥是極其精密的元件，當(dāng)油液中有微小氣泡出現(xiàn)時(shí)，氣泡就會(huì)影響節(jié)流孔通油能力，破壞力矩馬達(dá)正常工作，造成輸出控制失靈，產(chǎn)生廢品。

          （4）增加系統(tǒng)的溫升

當(dāng)油液中含氣量太多，低壓區(qū)必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費(fèi)的能量轉(zhuǎn)變成熱量，引起系統(tǒng)溫升，帶來(lái)一系列弊病，例如：膠圈老化，系統(tǒng)漏油，油液潤(rùn)滑性能變差，引起嚴(yán)重磨損，有資料介紹，當(dāng)系統(tǒng)油液溫度降低8℃，油液壽命延長(zhǎng)一倍。

          （5）促進(jìn)油液氧化變質(zhì)

     空氣含量增加必然對(duì)油液產(chǎn)生氧化腐蝕，增加油液的酸值，縮短油液的使用壽命。

       1.2 如何減少油液中的污染物

       1.2.1 減少工作中生成的污染物

      系統(tǒng)在工作過(guò)程中生成污染物是必然的，有各種元件運(yùn)動(dòng)面之間及固體與流體之間的摩擦引起固體微粒的脫落；因氣蝕產(chǎn)生局部高溫引起金屬表面的破壞、油液局部燒結(jié)而產(chǎn)生的固體物；也有因表面疲勞造成微粒剝離；密封圈或橡膠軟管老化而逐漸脫落以及化學(xué)和電化學(xué)腐蝕等生成的各種污染物。

      這些污染物的產(chǎn)生不是人為的，但是人們是可以降低這些污染物生成率，設(shè)法減少它的產(chǎn)生，例如：選擇合適的摩擦副，采用性能好的材料，減少系統(tǒng)內(nèi)氣體含量，提高非金屬材料耐高、低溫性能和耐老化性能，提高油液的粘度指數(shù)和降低油液的污染度水平等，這些都是工程技術(shù)人員不斷追求的，采取各種措施以實(shí)現(xiàn)低污染生成率，不斷延長(zhǎng)各種元件的使用壽命。

      1.2.2 減少外界污染物的侵入

     外界污染物侵入系統(tǒng)，除在系統(tǒng)安裝前沒(méi)有清洗干凈帶入系統(tǒng)以外，主要是通過(guò)空氣侵入到系統(tǒng)中去的，尤其是工程機(jī)械，通過(guò)油缸工作、加油、更換元件、清洗濾芯、拆卸導(dǎo)管時(shí)帶入，最重要的是從開(kāi)式油箱進(jìn)到系統(tǒng)中去的。

      （1）開(kāi)式油箱是污染物侵入最重要渠道

          a. 開(kāi)式油箱無(wú)法阻止固體污染物的侵入

       目前廣大工程機(jī)械設(shè)備，大多是采用與空氣直接接觸的開(kāi)式油箱，論其原因：一是油箱容積較大，為增加熱容量和散熱表面；二是由于結(jié)構(gòu)形式的約束，做成與空氣隔離式，技術(shù)難度較大；第三是大多工程機(jī)械設(shè)計(jì)者對(duì)空氣與油液直接接觸的危害認(rèn)識(shí)不足。實(shí)質(zhì)上，開(kāi)式油箱是外界污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)最主要的渠道。盡管開(kāi)式油箱都加“”呼吸器”阻擋空氣中灰塵進(jìn)入，但是這種濾網(wǎng)網(wǎng)孔一般都大于10μm，對(duì)灰塵的堵截作用很有限；對(duì)系統(tǒng)危害最嚴(yán)重的固體顆粒是5~15μm的尺寸范圍，此等尺寸的固體顆粒，尤其是硬度很大的SiO₂、Al₂O₃等氧化物，當(dāng)它跨接于摩擦副之間，對(duì)摩擦副的磨損最為嚴(yán)重，也可以與油泥混合在一起造成淤積或是卡死滑閥，引發(fā)突發(fā)故障。

          b. 開(kāi)式油箱無(wú)法阻止水和空氣的侵入

       由于在液壓系統(tǒng)工作中，油箱的油面始終是變化的，所以開(kāi)式油箱的氣腔始終有空氣的進(jìn)出，稱之為呼吸作用，固體顆粒和水也隨著空氣進(jìn)入油箱，堵截污染物的濾網(wǎng)（稱為呼吸器）對(duì)水和空氣更是無(wú)能為力；尤其是空氣濕度很大的季節(jié)或者區(qū)域，總是會(huì)有大量水進(jìn)入油箱，而且還沒(méi)有有效手段清除出去，所以油中進(jìn)水是液壓系統(tǒng)的頑癥。

       2 行走機(jī)械液必須采用閉式油箱才能實(shí)現(xiàn)液壓油污染度等級(jí)控制

       2.1 不采用閉式油箱無(wú)法實(shí)現(xiàn)油液污染度等級(jí)控制

      由于風(fēng)的作用，大自然空氣中人肉眼看不見(jiàn)的灰塵是無(wú)數(shù)的，尺寸小于40μm的顆粒長(zhǎng)時(shí)間漂浮于空氣中，隨著液壓油箱的呼吸作用，大量涌入系統(tǒng)中，這些污染物又加速了系統(tǒng)的磨損，又大量生成新 污染物；設(shè)置于系統(tǒng)中的濾油器，納污容量是有限的，勢(shì)必在戶外的工作中，小顆粒污染物侵入量很快超過(guò)濾油器的凈化能力，造成油液的污染度始終是高等級(jí)，即大大超過(guò)NAS1638標(biāo)準(zhǔn)的最高等級(jí)，引起壽命縮短、磨損加重，故障頻頻發(fā)生。

       我國(guó)飛機(jī)的液壓系統(tǒng)早在80年代以前也多是采用開(kāi)式油箱，用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣為油箱增壓，也同樣裝有空氣濾，但實(shí)測(cè)各機(jī)種液壓油的污染度，均在NAS1638  12級(jí)以上，而在采用閉式油箱以后，加上生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)的嚴(yán)格控制，目前，已不超過(guò)9級(jí)，說(shuō)明不隔絕大氣污染源就無(wú)法實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)污染的等級(jí)控制。

       2.2 只有采用閉式油箱才可能實(shí)施油液的污染度等級(jí)控制

只有采用閉式（與空氣隔離）的液壓油箱才能將油箱中的油液與大氣隔絕，杜絕了呼吸作用，才可以有效的減少固體顆粒、水和空氣的不斷侵入。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施全方位的污染控制，包括：合理選擇濾油器精度、系統(tǒng)管路和元件安裝前的凈化、嚴(yán)格維護(hù)工作，加上有效的地面凈化裝置，完全有可能實(shí)現(xiàn)不超過(guò)NAS1638  9~10級(jí)的污染度水平。

       2.3 采用閉式油箱應(yīng)注意的事項(xiàng)

         a. 設(shè)置排氣閥   采用閉式油箱須在油箱上方和系統(tǒng)的高處設(shè)置放氣閥，以便定期將系統(tǒng)內(nèi)的游離氣體排出。

         b. 采用快速接頭  在加油口（或地面凈化裝置接口）設(shè)置快速自封閥，以防在與地面凈化設(shè)備或加油設(shè)備的連接過(guò)程中空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

         c. 配置地面凈化裝置  采用閉式油箱是液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方向，它隔絕了空氣和空氣中灰塵及水分的進(jìn)入，但也存在著一旦進(jìn)入系統(tǒng)就有排除困難的問(wèn)題。因閉式油箱必然有增壓，增壓壓力越高，空氣的溶解量越大，放氣閥只能放出游離的氣體，溶解的氣體無(wú)法放出，必須配以地面凈化裝置，定期實(shí)施凈化才可將系統(tǒng)在維修工作中進(jìn)入的空氣排除。

     4. 采用閉式油箱可取得的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益

        凡是有液壓傳動(dòng)的地方，就必然設(shè)置液壓油箱，只有將油箱與大氣隔絕才能有效的阻止各種污染物的侵入，也才能實(shí)現(xiàn)減少磨損和腐蝕等一系列危害作用；只有這時(shí)才可談及對(duì)液壓系統(tǒng)實(shí)施全方位的污染控制：即是從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、試驗(yàn)和使用各環(huán)節(jié)實(shí)施嚴(yán)格的污染控制要求。當(dāng)全國(guó)的工程機(jī)械包括推土機(jī)、挖掘機(jī)、壓路機(jī)、裝卸運(yùn)輸車、坦克、裝甲車、、、、、、等一系列機(jī)械都能實(shí)行油液污染度的等級(jí)控制，能夠從目前無(wú)等級(jí)，既是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)NAS1638  12級(jí)的水平,降低到9~10級(jí)時(shí)，理論上可延長(zhǎng)機(jī)械壽命4~8倍，成10倍的減少故障，大大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、無(wú)故障的工作，在實(shí)現(xiàn)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為建立資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)作出一份重大貢獻(xiàn)。

 

 

                                                12/6-08