威格士液压及润滑系统油液污染控制技术(1-5)

液压传动系统是否能正常工作，除系统设计、元件制造质量和维护工作外，油液的清洁度是一重要因素。

而油液的污染将会影响系统的正常工作。

实践中由于油液污染，使系统工作不稳定等出现故障占总故障率的60%～80%。

为此，本文将威格士液压系统(中国)有限公司对油液污染的有关控制方法、油液清洁度、污染根源及其损害以及防治措施等问题，系统地介绍给读者，以普及和提高对油液污染控制技术的知识。

威格士液压及润滑系统油液污染控制技术（一）液压传动是传动与运动控制的最为可靠和可重复的形式之一。

所需要的是有现代化系统设计和现代的系统性污染控制。

Vickers〔威格士液压系统(中国)有限公司〕致力于开发、运行和维护可靠的、高质量的传动和运动控制系统，已有70年的历史。

本文仅是Vickers为促使设计师和用户实现最有效的液压传动和运动控制而提供的成套技术的一部分。

对于一个液压机器或油液润滑的机器来说，油液清洁度等级的拟定和实现该油液清洁度等级的措施，正如泵、阀、执行器或轴承的选择一样，也是系统设计的一部分。

遗憾的是，当某些系统设计师选择一个过滤器时，他们仅是参照过滤器制造商的样本，很少涉及具体系统的总体要求。

在一个系统中若正确地选择和布置污染控制装置以实现油液清洁度，能消除多达80%的液压系统失效(的根源)。

此外，一种成本低、效能高的污染控制措施能延长元件和油液寿命，还能延长运行时间和减少修理。

为了强调元件设计、系统设计、过滤器性能与过滤器之间相互作用的关系，Vickers把过滤器与过滤措施命名为Vickers系统性污染控制。

一、污染控制的系统性途径旨在与经济性一致的最有效地保护工作。

我们必须首先确定在系统性污染控制中，即在该系统的预期寿命期间，污染不构成系统中任何元件失效(突发失效、间歇失效或退化失效)的因素。

迈向此目标的第一步是设定一个目标清洁度等级，它考虑该系统的具体需要。

一经设定，下一步就是选择和在系统中布置过滤器，这需要对过滤器性能、回路动态特性及过滤器布置的了解。

尤为后两个问题——回路动态特性和过滤器布置至关重要。

当今市场上供应的过滤器一般都能保持液压油或润滑油清洁的高效过滤。

在大多数有污染问题的系统中，其原因是由于缺乏对液流动态的了解而考虑欠佳的过滤器布置，或是滤芯未能在其系统中的整个使用期内维持其性能水平。

涉及过滤器布置和系统动态这两方面的工程导则在本文中给出。

在机器投入运行之后，要经常进行的步骤是保持确认地目标清洁度。

这往往通过把油样送往颗粒计数实验室来进行，如果符合该目标，则该系统仅需要保养过滤器并定期重新检查油液；如果不能达到该清洁度目标，则需要采取纠正性措施。

如改变维护做法，改换更精细的滤芯等级或者增加滤壳。

在设计阶段理智地考虑污染控制问题是保证使每个液压传动或油液润滑的机器提供长时间的可靠工作的最佳方式。

二、定量表示油液清洁度在设定目标清洁度等级中首先在于要理解“清洁度”不是一个一般性术语，而是一个相当具体的定量数值。

关于液压油或润滑油的清洁度的现行国际标准由ISO4406确定。

运用一种经认可的实验室颗粒计数规程，测定1ml油液中固体颗粒的数量和尺寸(μm)。

表1表2 清洁度代号表示例图1自动颗粒计数器自动颗粒计数器见图1。

计数的液压油样的典型数据见表1。

一旦得到结果，就在一个清洁度代号表上画出诸点(表2)。

此表范围代号给出与具体的颗粒数相对应的从0～25的号。

取针对5μm 以上和针对15μm以上的颗粒数的范围代号，并用斜线把它们组合起来，即给出针对该油液的ISO清洁度代号。

该例中的颗粒计数，5μm 以上的89个颗粒处于14号范围，而15μm以上的22个颗粒处于12号范围。

这意味着该例油液被描述成ISO14/12油液清洁度。

现行ISO标准存在的不足在于，由于未报告小于5μm的计数，它掩盖了非常细小的淤泥尺寸颗粒的明显聚集。

为了补救这一点，Vickers已经采用。

ISO正在考虑把该代号扩展到与2μm、5μm和15μm相关连的三个范围。

对于所给出的例子，该清洁度代号变为20/14/12。

在此Vickers文件中将用三个范围来表示清洁度代号，后两个用黑体表示它们是现行ISO标准。

三、污染的根源进入液压油液的固体污染有四个主要根源。

它们是：已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。

这些根源都是过滤器布置中的主要考虑因素。

示例见图2。

1.已被污染的新油虽然油液都是在比较清洁的条件下精炼和调合的，但油液在储存于油桶或用户设施处的散装油罐之前已经流过许多软管和硬管。

这时的油液已不再是清洁的，因为它经流过的油管已侵入了一些金属和橡胶颗粒，油桶也会有一些金属薄片或氧化皮。

尤其是储油罐，因为储油罐中水的凝结引起锈粒，除非装设了满意的通气器，否则来自大气的污染也会进入油罐。

图2污染根源示意图如果在合理的条件下储存油液，则在注入机器时主要的污染物将是金属、石英和纤维。

用来自有声望的供应商的油液取样检验表明，典型的清洁度等级为17/16/14或更脏些。

若使用配装了高效过滤器的便携式输油小车，可从新油中清除污染。

2.残留污染新的机械设备往往都包含一定数量的残留污染。

在装配系统和冲洗新零件时仔细操作可以减少这种污染但不能根除。

典型的残留污染物有毛刺、切屑、灰尘、纤维、砂子、潮气、管子密封胶、焊星、油漆和冲洗液。

在系统冲洗期间所去除的污染数量不仅取决于所用过滤器的有效性，而且与冲洗液的温度、粘度、流速和“紊流”有关。

除非达到高流速和紊流，否则许多污染直到系统投入运行都未被赶出窝点，可能造成零件突发性失效的后果。

不论机器制造商执行了什么冲洗标准，对于任何新的或改装的液压和润滑系统来说，空载“跑合”期都被看成至关重要的。

3.侵入污染来自周围环境的污染能侵入液压或润滑系统。

例如钢厂或汽车厂的一些设备，环境污染是比较容易测定的。

对于行走设备来说，由于用途、地区甚至天气条件(大风)的不同，环境条件也有很大变化。

防止侵入污染的关键在于严格地限制将要进入液压或润滑系统的环境污染的通路。

即：油箱通气口(通气器)、泵站或系统的入孔盖、维修时被拆卸的零件和密封件。

油箱通气口允许空气进出油箱换气以补偿循环动作和油液的热胀冷缩引起的液位变化。

所有换气口都需配装隔离式通气过滤器。

也可选用气囊或挠性橡胶隔离件，以防止所换空气与系统油液表面接触，或者装上在允许溢流保护防止油箱压力过高的同时防止换气的阀门。

泵站入孔盖，在有些设备中不允许经常拆装。

良好的系统性污染控制，要求油箱设计成在运行期间保持密封，在维修期间需要拆下的任何入孔盖很容易回装。

这类问题最重要的因素在于对全体维修和保养人员的教育。

在维修期间只要打开一个系统进行维修，就有了环境污染物侵入系统的机会。

应尽量将敞开的油口盖住或堵住，零件的拆卸和重装要防止过多的空气粉尘污染。

应该用没有纤维屑的吸油材料来擦拭零件和清理场所。

密封件，如活塞杆防尘密封圈很难达到100%有效。

粘附于外伸的活塞杆上的尘土被拖进缸内进入系统油液。

在机器设计时，应尽量考虑避免尘土或其他污染物直接落到外伸的活塞杆上。

可布置过滤器并确定其规格以便捕捉脏物。

4.内部生成污染对系统最为危险的污染乃是由该系统本身所生成的污染。

这些污染被“冷作硬化”到比原来的表面硬度更高，而且在引起系统中表面磨损方面极具进攻性。

在一个用正确净化的油液运行的系统中也将产生很少的颗粒。

但在日常运行中所有零件(尤其是泵)都产生少量颗粒，这些颗粒未被很快地捕捉，系统中提高的污染度将使新产生的颗粒数以很高的加速度增加。

生成的污染有以下几种。

(1)磨粒磨损——硬颗粒嵌进两运动表面之间，划伤一个或两个表面。

(2)粘附磨损——油膜的丧失使运动表面之间金属对金属接触。

(3)疲劳磨损——嵌进间隙的颗粒引起表面应力集中点或者微裂纹，由于危险区的重复应力作用扩展成剥离。

(4)冲刷磨损——高速液流中的精细颗粒蚕食掉节流棱边或关键表面。

(5)气蚀磨损——泵进口流动受阻引起油液气泡，这些气泡爆聚产生的冲击剥离关键表面的材料。

(6)混气磨损——油液中的气泡爆聚剥离表面材料。

(7)腐蚀磨损——油液中的水或化学污染引起锈蚀或化学反应，使表面劣化。

威格士液压及润滑系统油液污染控制技术（二）四、污染引起的损害污染物颗粒具有各种形状和尺寸并由各种材料构成。

大多数是磨粒性的，所以当它们与表面相互作用时，它们从元件中的关键表面上刮削出碎片。

这种磨粒磨损和表面疲劳约占退化失效的90%。

由污染所引起的失效分为三大类：(1)突发失效出现在当一个大颗粒进入泵或阀的时候。

例如，若一个颗粒卡死在叶片转子槽里，结果可能是泵或马达完全卡死。

在一个滑阀中，陷入某一部位的一个大颗粒能阻止阀芯完全关闭。

当一个阀的控制节流孔被一个大颗粒堵住时，也会出现突发失效。

精细颗粒也能引起突发失效，例如一个阀可能因为淤积而无法工作。

(2)间歇失效可能是由一个座阀的阀座上妨碍该阀正确归座的污染所致。

如果该阀座很硬，使该颗粒不能嵌入阀座，则当阀再次打开时该颗粒可能被冲走。

以后，另一个颗粒可能再次妨碍完全关闭并被冲走。

于是，出现一种频繁的间歇失效。

(3)退化失效可能是磨粒磨损、腐蚀、气蚀、混气、冲刷磨损或表面疲劳的结果。

每一种都使系统元件中内泄漏增加，降低其效率或精度，但这些变化一开始很难察觉。

最终的结果，尤其对泵来说，可能是突发失效。

最容易引起磨损的颗粒是间隙尺寸的颗粒，它们刚好落入元件里运动表面之间的关键间隙中。

由于过量污染的存在，油液也受到降解之害。

关于间隙的尺寸，液压元件中制造间隙一般分为两个基本范围，即用于高压元件的最大5μm和用于较低压力元件的最大25μm。

一个元件的实际工作间隙由元件的类型和它所经历的工作条件来设定。

这些间隙有助于确定该元件所需要的油液清洁度。

1.泵所有液压泵均有彼此运动的零件，由一个充满油液的小间隙隔开。

一般来说这些零件由一些与面积和系统压力有关的力彼此加载。

由于大多数泵的寿命取决于从少数表面上剥离很少数量的材料，于是如果间隙内的油液被严重污染，则将出现快速退化和最终卡死。

低压元件的设计允许较大的间隙，一般来说只有较大的污染(10μm 以上)才有明显的危害效应。

而且在低压下，用来把颗粒赶进关键间隙的力也比较小。

泵压力的提高或脉动在确定污染对泵的影响上起主要作用。

影响间隙的另一个因素是油膜厚度，它也关联着油液粘度(油膜强度)。

设计时采用最佳粘度值。

油液应提供良好的油膜厚度以便靠流体动力方法来支撑载荷，并应足够稀以便泵被充分灌满而不气蚀。

在实践中一般是在使用较高粘度的场合关键间隙较大，因此应选择与进口条件适应的最高粘度。

同样，良好的油液温度控制在这方面也是有益的。

在泵中特别对关键间隙磨损问题敏感的区域有：叶片泵(图3) 叶片顶端对定子、转子对侧板、叶片对叶片槽。