1  概述

         提高各類機械的使用性能，延長壽命、降低故障和能耗是我們各類技術人員不懈的努力方向。當前性能優良的各種工程機械在我國各項建設中都起著重要的作用，但是經常發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并取得理想的經濟效益。據資料介紹，在以液壓能源為驅動力的各類機械中，有40%的故障是因液壓系統出現的，而在液壓系統中有70%以上的故障是因液壓油的污染造成的；從這一比例關系看，液壓油的污染問題已成為液壓技術發展的主要障礙，近些年國內外的工業界對液壓油的污染研究和如何控制已做過大量工作，使液壓系統的污染控制在不斷總結經驗的基礎上發展成為一項邊緣技術。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標準等等。

        下面著重分析各類污染物的來源、危害以及如何控制等方面，并展示因此而帶來的效益。

     2   液壓油的污染是造成液壓系統壽命降低和故障產生的元兇

         液壓油是液壓功率傳遞介質，是遍布整個系統中，油液的污染無時無刻不在影響整個系統。主要污染物如下：

      2·1  固體顆粒污染

         存在于液壓油中的固體顆粒有金屬的也有非金屬的，不論是金屬的還是非金屬的都能對系統產生很大的破壞作用，例如有材料磨損，小顆粒導致磨擦副間隙擴大造成系統失效；有沖刷磨損，是高速流的沖擊造成元件功能破壞；有疲勞磨損，貼合的金屬表面疲勞剝落，齒輪泵最為突出；有粘著磨損，是油膜太薄金屬與金屬表面發熱造成粘著破壞。污染物可以堵塞節流孔或噴嘴，造成系統失效。

        經常見到的故障現象有：閥類元件的滑閥被卡死，造成工作不能轉換；伺服閥的噴嘴被堵死，造成伺服系統失效，在飛機和潛艇上多次發生此類故障；運動密封件的膠圈漏油；液壓泵和液壓馬達的磨擦副破壞造成效率降低，溫度升高以及工作失效等等。

         清除油液中與元件配合間隙相當尺寸的固體顆粒，可對系統產生的良好效果，美國Pall公司的試驗結果如表1。

 

 

 

 

                                           表1

         當前的液壓系統已經發展到高精度、高壓、小型化階段，元件的配合間隙已到5μm，甚至到2μm的尺寸，高精度的凈化已成為必要措施，否則固體污染顆粒的危害就更大。

      2·2  水污染

        水對液壓系統的危害也是相當嚴重的，它可使油液粘度下降，破壞油膜，引起嚴重的機械磨損；可產生酸性物質，增加油液的酸值，對系統增加腐蝕；在低溫下，游離水常以冰塊形式存在，會引起運動件被卡住；水的含量超過300ppm就可以引起碳素鋼或合金鋼生銹，造成滑閥被卡死，操縱系統無法正常工作，現實中發生過飛機起落架放不下的故障。

        液壓油中含水量的不同，對軸承壽命的影響，美國Timken Bearing公司的試驗結果見下圖：

水和金屬對油液氧化加速的影響，美國Pall公司的數據見表2。

                                          表2

        *當酸值超過0.5時，表示油質惡化。

         都說明含水量增大，除可產生突發故障以外，還引起元件和油液壽命大幅度下降。

      2·3  空氣污染

         空氣對液壓系統產生的危害，各種文獻資料中也多有論述，但在工程實踐中往往被人們所忽視；空氣在液壓油中也是兩種狀態存在，一是溶解在油中，一是以游離狀態存在；以游離狀態存在對系統的破壞最為嚴重；它可降低油液的彈性模量，引起系統工作響應遲緩；引起油液氧化而變質；引起氣穴使泵打不出油而干磨擦；氣泡迅速被溶解的壓縮過程產生高溫爆炸，不但可大量生熱引起油溫升高，還由于爆炸力的大小難于計算和測試，此額外的作用力在油泵設計中往往被忽略，從而引起油泵配油系統的氣蝕，加速配油盤破裂等。

         不同的油料對空氣的溶解度是不同的，但各種油對空氣的溶解度都是與壓力成線性關系，壓力增加10倍，溶解度也增加10倍。

         空氣對系統的危害，各種文獻資料都是定性的論述，沒有定量的分析和試驗，清除油中的氣體，首先是游離氣體究竟有多少好處，目前為大多數人所不知。本文作者為取得初步的定量數據，也為以后的污染控制工作指明前景，于2003年9月做了一項對比試驗。

      試驗方法是：

       （1）用ZB—34M試驗臺，油箱是用氣體增壓，按常規試驗方法，測試液壓泵的氣穴點和不同流量泵進口、出口、殼體回油口溫度。

        （2）采用本公司研制的與空氣隔離的液壓油箱代替試驗臺的油箱，其余不變，用GHP70離心式凈油機凈化全系統，直到從凈油機入口透明的膠管中見不到氣泡為止，做與（1）相同的試驗。

     試驗卻出現了預想不到的結果：

          a  容積效率提高了4.4%；

          b  泵氣穴壓力點降低了0.01MPa；

          c  泵進口和出口平均溫升降低了8.2℃，相當于出口發熱量減少了71%；

          d  泵進口和回油口平均溫升降低了14.2℃，回油發熱量減少了58%；

          e  在試驗過程（約30分鐘）中，散熱條件不變，采用隔離式油箱，泵進口、出口和回油口溫度，都隨著試驗時間的增加而呈下降的趨勢，系統油溫降低了7℃。

這一結果說明，清除了油液中游離氣體，提高了效率，降低了功耗，減少了發熱量，降低了油溫，有關資料介紹，油溫降低8℃，油液壽命可增加一倍，其經濟效益是可觀的。

    3   污染物的來源

         3·1  系統在投入使用之前已存在的污染

            這一污染屬于先天條件造成，包括泵、附件、管路、新油等出廠之前沒有嚴格控制污染度指標，這一情況存在的比較普遍，尤其是在民用工程機械方面，在設計和生產制造階段缺少污染控制的觀念。這一階段的污染指標對使用的影響非常嚴重。有些新安裝系統內的污染度等級已超過NAS1638的12級，有些油桶中的新油也超過12級，這一階段造成的污染對整個機械系統的使用壽命和故障發生的幾率影響實在太大。系統工作中會出現惡性循環，將大大縮短壽命，達不到預期的壽命指標，并且會不斷發生故障。這時的污染物清理也比較難，無法用流通法徹底清洗；機載油濾精度很快下降，納污量飽和而起不到過濾作用。總之這一階段的污染控制最為關鍵。

       3·2   工作中生成的

            在系統的工作過程中，污染物是不斷生成的，這里有液壓泵、液壓馬達，各種閥類運動，油缸的伸縮過程都會因磨損產生固體污染物；與空氣接觸的液壓油箱除固體顆粒以外，還有水份和空氣的侵入，密封件的泄漏也會造成空氣和水的侵入。

            在工作中生成的污染物是不可避免的，無論設計怎樣好的系統也是避免不了的，只能是生成率小些，這些生成物只有依靠機上過濾器濾出，以及由地面各種維護設備定期或視情清除。

      3·3  使用維護中侵入的

           在使用維護中侵入污染物的多少決定于維護設備和人員的水平，有的從加油中，更多是更換元件和清洗濾芯時不注重導管端頭的保護，這時除固體顆粒以外，大量的空氣和水份相繼侵入系統中。

           這種維護中侵入的污染物是可以減少的，一方面提高維護人員的素質，提高維護質量；另一方面是改善維護設備；設備污染度水平應優于系統的水平，以及提高凈化設備的凈化效率和水平，使不但可以凈化出固體污染物，還可以將水份和氣體凈化出去。

      3·4  液壓油箱與空氣接觸是一大污染源

          目前，廣大的工程機械上以及航空產品的地面試驗和加油設備上，大多是采用液壓油與空氣接觸的液壓油箱，論其原因，一是油箱容積選擇較大，為增加散熱表面積和增大熱容量，一般為泵每分鐘排量的3—5倍。另外油箱的結構外形也受各種機械總體布置的限制而千姿百態，工作中油位的變化也各有不同，再加上溫升的體積膨脹，想做成與空氣隔離的油箱技術難度較大。第三個原因是因大多的工程設計者對空氣存在于液壓油中的危害程度認識不足。

         液壓油與空氣接觸的油箱，尤其是增壓油箱其空氣的溶解度就更大，不但溶解的空氣量大，這在2·3節已有說明；游離在液壓油中的大大小小的氣泡更是時隱時現，可使系統產生嚴重的噪聲，造成系統的機械振動嚴重，油液的發熱量大幅度增加，加速油液老化變質，所以采用與空氣隔離式液壓油箱是改善液壓系統品質，提高液壓系統可靠性、壽命和效率的一個重大措施。

      4   提高液壓系統的可靠性和延壽的重要途徑

         提高液壓系統的可靠性和壽命除強度和磨擦副的合理設計以外，強化污染控制技術在各領域的推廣是一條重要途徑。包括除檢測手段、凈化手段、監控和維護以外，最重要的是設計階段。

      4·1  污染控制設計要求

          一個系統或一個附件使用性能的好壞，主要是取決于設計的好壞，結構設計和材料選擇各環節都是很重要的。

      4·1·1  首先是選擇與各種材料相容性好的工作介質，如果介質，也就是液壓油選用不當，例如粘溫特性、相容性、酸值、抗磨性、抗剪切性、熱穩定性不好，就會引起系統磨損加劇，腐蝕嚴重，使系統提前失效。

      4·1·2  結構設計中應貫徹提高附件污染耐受度原則，應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重后果。在選擇材料和磨擦副時應貫徹低污染生成率原則，因低的污染生成率是降低系統污染度等級的關鍵環節。除產品交付之前就帶進系統的污染物以外，主要是在工作過程中生成的，有磨擦、沖刷、淤積，銹蝕、發熱、聚合等污染現象，這些都是設計階段應加以注意的方面。

       4·1·3  系統中濾油器的配置也是設計中的重要內容，首先是有合理的參數，主要是精度、過濾效 率、納污量、阻力損失以及污染指示等；其次是布置合理，應能濾除各部位產生的污染物。

       4·1·4  熱設計也是不可忽視的方面，盡可能減少系統生熱的環節，也就是提高系統的總效率，而所生成的熱又能有效的散發出去，使系統的溫度能保持在與液壓油相匹配的溫度水平上。

       4·1·5  采用閉式油箱，也就是采用與空氣隔離的液壓油箱，是阻止固體污染物、水份和空氣侵入系統的關鍵措施。

       4·2  污染控制工藝要求

一個良好的設計方案也必須有一個良好的工藝手段予以保證才能取得滿意的效果。

       4·2·1  零件加工階段應有合適的光潔度和銳邊倒圓，以防微粒的剝落；在工序轉移階段應有嚴格的清洗手段，并經過檢驗合格后，才能采用合適的包裝方式轉移到下道工序。

       4·2·2  在裝配階段應有清潔的裝配環境，裝配間應有污染度等級要求，設置能濾出空氣中污染物的通風設備；操作人員衣著應有防塵措施。產品裝配完成后應經過嚴格的清洗，先在清洗試驗臺上進行磨合運轉，以除掉先期可剝落的粒子，試驗臺應設置合適的過濾裝置，過濾精度應與元件的間隙相匹配，以保證元件出廠能達到要求的污染度指標。

       4·2·3  管路的凈化程度是影響系統先天性污染水平的重要環節，在系統安裝前先對導管內腔嚴格凈化，凈化后包裝保管。焊接的導管應注意清除氧化皮。

       4·2·4  檢測設備  為能隨時掌握不同階段液壓油的污染度指標，油液污染度檢測手段是必須的；當前國內外的檢測設備較多，有顯微鏡法、顯微鏡樣板對比法、稱重法、自動顆粒計數法等。如果沒有儀器保證而只用目測辦法檢查污染度是絕對不行的，因為人的視力只能觀察到＞40μm的顆粒，而實際油樣的污染粒子占比例最多的是15μm以下的，所以為保證一個清潔系統的實現，符合精度要求的檢測手段是必不可少的。

       4·2·5  凈化手段  在生產和試驗各階段都需要不斷的對油液凈化，凈化方式有兩種，一種是在試驗設備上安裝相應等級的過濾器，另外是靠地面設備對油箱油及設備中的油進行凈化。在地面設備上所用的凈化裝置有網式過濾的濾油機，它可以清除固體顆粒，但是效率較低，因使用初期精度可以很高，但是使用一段時間以后精度很快下降，過濾比也會大幅度降低，這種設備隨著使用時間的增長，過濾能力越來越低，造成清洗時間很長；另外該種過濾裝置無法濾出系統中的空氣和水份；雖然國外已有可以濾出水份的凈化裝置，如美國Pall公司的SHP，但價格昂貴，使用成本高，是一般廠家所無法承受的。另外一種是戥同公司的GHP凈油機，采用離心式原理；這種裝置凈化效率高，有極大的納污量，并且會將水份和空氣凈化出去，是各單位比較理想的凈化裝置。

     4·3  污染控制使用維護要求

         一個設計和制造都很優良的機械，如果沒有與之相應的維護水平，則該種機械也不會發揮出自己的應有水平，維護水平包括兩個方面，一是人員素質，是指維護人員應經過污染控制的基本訓練，對污染的危害，以及維護中應注意哪些內容都應有清楚的認識。第二是應具有相應的凈化設備，沒有相應的凈化設備是無法達到凈化水平的要求。

        4·3·1  監控 在設備的使用中應定時對液壓油的污染度進行監測，當發現污染很嚴重時，應及時進行清洗。

        4·3·2  加油一定用加油車或凈油機進行，加油車中的油是應經過凈化的，因國內出廠的液壓油污染度大多在NAS 1638  11~12級，甚至更嚴重。

        4·3·3  排氣排水  設備在使用中應該定期對液壓油中的水和空氣排除，因使用中更換元件、濾芯清洗、油缸工作，膠圈破損等環節都會有空氣和水份進入系統中，應定時至少是將游離的水和空氣排除，以提高系統的可靠性。

     5  工程機械中的液壓系統也應有液壓油污染度控制的強制性標準

        5·1  污染控制現狀  我們國內雖然早在80年代就提出了液壓系統污染控制這一課題，但是真正落實較好的是航空航天系統。因為污染控制最終是落實在液壓油的污染度等級上，GJB3058和GJB3059是“飛機Ⅰ、Ⅱ型液壓系統污染度驗收水平和控制水平”，和“飛機Ⅰ、Ⅱ型液壓系統重要附件污染度驗收水平”，并且這些標準都貫徹到采購和型號規范之中，基本上實現了有效控制。

 而工程機械這一廣大領域對液壓油的污染普遍沒有實現等級控制，有些單位對此類問題知之甚少。使用中的機械絕大多數液壓油的污染度都超過NAS1638  12級；所以，即使有了高質量的機械，沒有好的維護設備和高質量的維護人員，也很難發揮它的作用。

        我國在1985年制定一個“典型液壓系統清潔度等級”一個指導性文件，但規定的很粗糙，對每種機械規定的等級跨度太寬，高的太高，低的太低，高精度甚至要求為3級和4級，這一方面實現的難度太大，并無法維持，從現時的元件水平看也沒有必要；而高污染等級甚至規定為13級，是屬于不能容忍的污染，所以我們認為該文目前已不實用，且沒有具體的控制要求，也沒有約束力。

         5·2  制定強制性標準的必要性  今天液壓系統已經被各類機械所采用，以它響應快、控制方便、作用力大、功率重量比大等優點，使用范圍會越來越大；實行嚴格的污染控制會產生巨大的經濟效益：a 延長系統壽命，減少機械故障，會大幅度提高勞動生產率；b 提高效率，會大量節省能源；c 合適的污染度控制等級，會大大節約使用維護工作量，并能減少備件；d 實現了長壽命低故障率以后，在全球經濟一體化的今天，會大大的提高國際市場的競爭能力。

         總之，制定有效的強制性的污染控制標準，制定出合適的污染控制等級，在設計、生產和使用維護各階段能貫徹執行并配以必要的檢測手段和凈化設備是液壓系統延長壽命、節省功耗和提高可靠性的有效途徑。

 

 

 中國機械工業論壇會發言稿

      二OO三年十一月