（威海戥同測試設備有限公司    威海264209）

 

     摘 要：本文通過論述液壓油中存在固體顆粒、水和空氣污染對液壓系統可靠性和壽命的影響，闡明如何降低油液的污染度是當前的技術關鍵；而行走機械的開式油箱無法阻止固體顆粒、水和空氣的進入，得出實行液壓系統污染度的等級控制必須采用與空氣隔絕的閉式油箱的結論。

     關鍵詞：行走機械  液壓系統  污染控制  閉式油箱

 

 

     1. 控制油液的污染是液壓系統當前的關鍵技術

     提高各類機械的使用性能，延長壽命、降低故障、提高勞動生產率一直是世界各國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作用，但是經常發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和取得理想的經濟效益。據統計結果，在各類機械中，有40%的故障是液壓系統出現的，而在液壓系統中有70%以上的故障是因油液污染造成的；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和如何控制已做了大量工作，使液壓系統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。它包括各種污染物的分析和檢測、如何減少污染物的生成、如何控制污染物的來源、提高元件的污染耐受度，以及油液的凈化手段等等。降低一級油液污染度就能提高機器壽命一倍，所以控制油液的污染已成當前的一項關鍵技術。

        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液壓系統起到破壞作用。

        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，都能對系統產生很大的破壞作用。

     （1）運動件表面磨損引起功能失效

       a. 液壓柱塞泵和柱塞馬達的失效    在柱塞液壓泵和柱塞液壓馬達的工作中，配油盤與轉子、柱塞與轉子、滑靴和滑履之間都是在高速滑動，并有高壓大載荷，即需要潤滑又必須小間隙，在油中存在的固體污染物可破壞油膜，并劃傷運動表面，不但使潤滑性能變壞而且又產生新的大量的金屬固體污染物，產生連鎖磨損反應，很快造成液壓泵出口壓力降低，殼體回油流量加大，發熱量大增，導致性能失效。

       b. 齒輪齒面的磨損    各種齒輪在工作中是滑動和滾動同時存在，而齒輪的主要工作狀態是重載和薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固體污染物又都能進入齒面接觸區，造成齒面的劇烈磨蝕，硬度大的顆粒劃傷更為嚴重，此外重載磨擦的瞬時高溫還可使齒面產生凹痕，反復工作使表面疲勞破壞，機械失效。

       c. 其它元件表面的破壞    各種類型的運動件如軸承、作動筒、閥類以及密封裝置等，都會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引起功能失效。

     （2）油液變質的危害

     由于油液中進入水分和空氣，可引起油液乳化，也可產生微生物和膠質狀物質，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，甚至引發突然故障。

       a. 堵塞網孔    因油液變質生成微生物和各種膠狀物質，可堵塞各類濾油器的網孔，造成過濾功能提前失效，引發集中污染或節流孔堵塞引起控制失靈。

       b. 運動件被卡死    破壞油膜，引起油液發熱燒結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，要求它保證低溫條件下順利啟動，也可以高溫條件下保證潤滑性能，當高溫剪切和腐蝕破壞油液的理化性能和粘度后，油液粘度指標就無法滿足高、低溫條件下的工作需要，或低溫阻力過大無法工作或高溫破壞油膜失去潤滑能力。

     （3）固體顆粒污染的試驗結果    美國頗爾公司將與元件尺寸相當的固體顆粒清除掉，對系統產生良好的結果，見表1

  表1   與配合間隙尺寸相當的固體顆粒凈化后的效果

元件	效果
泵/馬達	泵和馬達的壽命提高4～10倍
液壓傳動	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

      世界各研究機構在進行研究污染度對壽命的影響時，所給出的研究結果差異很大，主要是因為工作環境、污染物成分以及顆粒硬度等因素不同。一般來說（以NAS1638標準），污染度降低一級，壽命延長一倍，反之亦然。

       1.1.2 水污染的危害

水在液壓系統中是一種嚴重的污染物，人們對此常不夠重視。水對液壓系統的最大危害是腐蝕，其他方面有產生氧化物、污垢及膠狀物。

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

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

          （3）膠狀物質增加磨損   當系統內有污染物存在時，污染物與水結合成污垢，對元件的磨損作用比水與污染物單獨存在更大。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。水對油液的氧化過程也有加速作用。水與油液中的抗氧化添加劑作用會減弱抗氧劑的防護性能。

           （4）水污染的試驗結果    美國Timken Bearing公司做一次油中含水量對軸承壽命的影響，試驗結果近似如表2。

    表2   油中含水量對軸承壽命的影響

       從試驗結果看，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%，可見含水量對機器壽命影響的一斑。

       1.1.3 空氣污染的危害

          （1）降低油液的彈性模量  當液壓油中有游離氣體存在時，就大幅度降低油液的彈性模量。例如：液壓油在無游離氣體時，彈性模量平均值為1510MPa，如果夾雜空氣，油液的彈性模量會降到353 MPa 以下。彈性下降，造成系統響應遲緩，工作不穩定，有時引起爬行，尤其是自動化程度很高的機器，易引起失控，出現事故。

          （2）產生氣蝕  當油液由低壓區進到高壓區時，氣泡會瞬間被壓縮破滅，此時產生的局部高溫和高壓沖擊，造成元件表面惡化和劇烈振動，氣泡破裂會產生巨大的沖擊力，還伴隨著高溫火花，除引起機件破壞以外，還產生燃燒后殘留的灰分，當灰分進入積炭中變得堅硬耐磨，加劇了機件磨損。

          （3）引起電液伺服閥工作失靈

精密控制的液壓系統大多采用電液伺服控制，電液伺服閥是極其精密的元件，當油液中有微小氣泡出現時，氣泡就會影響節流孔通油能力，破壞力矩馬達正常工作，造成輸出控制失靈，產生廢品。

          （4）增加系統的溫升

當油液中含氣量太多，低壓區必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費的能量轉變成熱量，引起系統溫升，帶來一系列弊病，例如：膠圈老化，系統漏油，油液潤滑性能變差，引起嚴重磨損，有資料介紹，當系統油液溫度降低8℃，油液壽命延長一倍。

          （5）促進油液氧化變質

     空氣含量增加必然對油液產生氧化腐蝕，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

      系統在工作過程中生成污染物是必然的，有各種元件運動面之間及固體與流體之間的摩擦引起固體微粒的脫落；因氣蝕產生局部高溫引起金屬表面的破壞、油液局部燒結而產生的固體物；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和電化學腐蝕等生成的各種污染物。

      這些污染物的產生不是人為的，但是人們是可以降低這些污染物生成率，設法減少它的產生，例如：選擇合適的摩擦副，采用性能好的材料，減少系統內氣體含量，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和降低油液的污染度水平等，這些都是工程技術人員不斷追求的，采取各種措施以實現低污染生成率，不斷延長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，除在系統安裝前沒有清洗干凈帶入系統以外，主要是通過空氣侵入到系統中去的，尤其是工程機械，通過油缸工作、加油、更換元件、清洗濾芯、拆卸導管時帶入，最重要的是從開式油箱進到系統中去的。

      （1）開式油箱是污染物侵入最重要渠道

          a. 開式油箱無法阻止固體污染物的侵入

       目前廣大工程機械設備，大多是采用與空氣直接接觸的開式油箱，論其原因：一是油箱容積較大，為增加熱容量和散熱表面；二是由于結構形式的約束，做成與空氣隔離式，技術難度較大；第三是大多工程機械設計者對空氣與油液直接接觸的危害認識不足。實質上，開式油箱是外界污染物進入液壓系統最主要的渠道。盡管開式油箱都加“”呼吸器”阻擋空氣中灰塵進入，但是這種濾網網孔一般都大于10μm，對灰塵的堵截作用很有限；對系統危害最嚴重的固體顆粒是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，當它跨接于摩擦副之間，對摩擦副的磨損最為嚴重，也可以與油泥混合在一起造成淤積或是卡死滑閥，引發突發故障。

          b. 開式油箱無法阻止水和空氣的侵入

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

       2 行走機械液必須采用閉式油箱才能實現液壓油污染度等級控制

       2.1 不采用閉式油箱無法實現油液污染度等級控制

      由于風的作用，大自然空氣中人肉眼看不見的灰塵是無數的，尺寸小于40μm的顆粒長時間漂浮于空氣中，隨著液壓油箱的呼吸作用，大量涌入系統中，這些污染物又加速了系統的磨損，又大量生成新 污染物；設置于系統中的濾油器，納污容量是有限的，勢必在戶外的工作中，小顆粒污染物侵入量很快超過濾油器的凈化能力，造成油液的污染度始終是高等級，即大大超過NAS1638標準的最高等級，引起壽命縮短、磨損加重，故障頻頻發生。

       我國飛機的液壓系統早在80年代以前也多是采用開式油箱，用發動機引氣為油箱增壓，也同樣裝有空氣濾，但實測各機種液壓油的污染度，均在NAS1638  12級以上，而在采用閉式油箱以后，加上生產和使用各環節的嚴格控制，目前，已不超過9級，說明不隔絕大氣污染源就無法實現液壓系統污染的等級控制。

       2.2 只有采用閉式油箱才可能實施油液的污染度等級控制

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，對系統實施全方位的污染控制，包括：合理選擇濾油器精度、系統管路和元件安裝前的凈化、嚴格維護工作，加上有效的地面凈化裝置，完全有可能實現不超過NAS1638  9~10級的污染度水平。

       2.3 采用閉式油箱應注意的事項

         a. 設置排氣閥   采用閉式油箱須在油箱上方和系統的高處設置放氣閥，以便定期將系統內的游離氣體排出。

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

         c. 配置地面凈化裝置  采用閉式油箱是液壓系統的設計方向，它隔絕了空氣和空氣中灰塵及水分的進入，但也存在著一旦進入系統就有排除困難的問題。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，溶解的氣體無法放出，必須配以地面凈化裝置，定期實施凈化才可將系統在維修工作中進入的空氣排除。

     4. 采用閉式油箱可取得的社會效益和經濟效益

        凡是有液壓傳動的地方，就必然設置液壓油箱，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，也才能實現減少磨損和腐蝕等一系列危害作用；只有這時才可談及對液壓系統實施全方位的污染控制：即是從設計、生產、安裝、試驗和使用各環節實施嚴格的污染控制要求。當全國的工程機械包括推土機、挖掘機、壓路機、裝卸運輸車、坦克、裝甲車、、、、、、等一系列機械都能實行油液污染度的等級控制，能夠從目前無等級，既是遠遠超過NAS1638  12級的水平,降低到9~10級時，理論上可延長機械壽命4~8倍，成10倍的減少故障，大大的提高勞動生產率，真正實現長壽命、無故障的工作，在實現巨大經濟效益的同時，也為建立資源節約和環境友好型社會作出一份重大貢獻。

 

 

                                                12/6-08