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(shù)人員不懈的努力方向。當前性能優(yōu)良的各種工程機械在我國各項建設(shè)中都起著重要的作用，但是經(jīng)常發(fā)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(wù)并取得理想的經(jīng)濟效益。據(jù)資料介紹，在以液壓能源為驅(qū)動力的各類機械中，有40%的故障是因液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的，而在液壓系統(tǒng)中有70%以上的故障是因液壓油的污染造成的；從這一比例關(guān)系看，液壓油的污染問題已成為液壓技術(shù)發(fā)展的主要障礙，近些年國內(nèi)外的工業(yè)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(tǒng)的污染控制在不斷總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一項邊緣技術(shù)。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(tǒng)壽命降低和故障產(chǎn)生的元兇

         液壓油是液壓功率傳遞介質(zhì)，是遍布整個系統(tǒng)中，油液的污染無時無刻不在影響整個系統(tǒng)。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(tǒng)產(chǎn)生很大的破壞作用，例如有材料磨損，小顆粒導(dǎo)致磨擦副間隙擴大造成系統(tǒng)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(fā)熱造成粘著破壞。污染物可以堵塞節(jié)流孔或噴嘴，造成系統(tǒng)失效。

        經(jīng)常見到的故障現(xiàn)象有：閥類元件的滑閥被卡死，造成工作不能轉(zhuǎn)換；伺服閥的噴嘴被堵死，造成伺服系統(tǒng)失效，在飛機和潛艇上多次發(fā)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(tǒng)產(chǎn)生的良好效果，美國Pall公司的試驗結(jié)果如表1。

 

 

 

 

                                           表1

         當前的液壓系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)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(tǒng)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(chǎn)生酸性物質(zhì)，增加油液的酸值，對系統(tǒng)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??；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(tǒng)無法正常工作，現(xiàn)實中發(fā)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(jié)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(shù)據(jù)見表2。

                                          表2

        *當酸值超過0.5時，表示油質(zhì)惡化。

         都說明含水量增大，除可產(chǎn)生突發(fā)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(tǒng)產(chǎn)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(tài)存在，一是溶解在油中，一是以游離狀態(tài)存在；以游離狀態(tài)存在對系統(tǒng)的破壞最為嚴重；它可降低油液的彈性模量，引起系統(tǒng)工作響應(yīng)遲緩；引起油液氧化而變質(zhì)；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(chǎn)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(shè)計中往往被忽略，從而引起油泵配油系統(tǒng)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(guān)系，壓力增加10倍，溶解度也增加10倍。

         空氣對系統(tǒng)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(shù)人所不知。本文作者為取得初步的定量數(shù)據(jù)，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(guī)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(tǒng)，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(xiàn)了預(yù)想不到的結(jié)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(fā)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(fā)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(tǒng)油溫降低了7℃。

這一結(jié)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(fā)熱量，降低了油溫，有關(guān)資料介紹，油溫降低8℃，油液壽命可增加一倍，其經(jīng)濟效益是可觀的。

    3   污染物的來源

         3·1  系統(tǒng)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(shè)計和生產(chǎn)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)的使用壽命和故障發(fā)生的幾率影響實在太大。系統(tǒng)工作中會出現(xiàn)惡性循環(huán)，將大大縮短壽命，達不到預(yù)期的壽命指標，并且會不斷發(fā)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?？傊@一階段的污染控制最為關(guān)鍵。

       3·2   工作中生成的

            在系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)計怎樣好的系統(tǒng)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(tǒng)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(zhì)，提高維護質(zhì)量；另一方面是改善維護設(shè)備；設(shè)備污染度水平應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)的水平，以及提高凈化設(shè)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(chǎn)品的地面試驗和加油設(shè)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(jié)構(gòu)外形也受各種機械總體布置的限制而千姿百態(tài)，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(shù)難度較大。第三個原因是因大多的工程設(shè)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(jié)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(xiàn)，可使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的噪聲，造成系統(tǒng)的機械振動嚴重，油液的發(fā)熱量大幅度增加，加速油液老化變質(zhì)，所以采用與空氣隔離式液壓油箱是改善液壓系統(tǒng)品質(zhì)，提高液壓系統(tǒng)可靠性、壽命和效率的一個重大措施。

      4   提高液壓系統(tǒng)的可靠性和延壽的重要途徑

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

      4·1  污染控制設(shè)計要求

          一個系統(tǒng)或一個附件使用性能的好壞，主要是取決于設(shè)計的好壞，結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇各環(huán)節(jié)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(zhì)，如果介質(zhì)，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(wěn)定性不好，就會引起系統(tǒng)磨損加劇，腐蝕嚴重，使系統(tǒng)提前失效。

      4·1·2  結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)貫徹提高附件污染耐受度原則，應(yīng)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(yīng)貫徹低污染生成率原則，因低的污染生成率是降低系統(tǒng)污染度等級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除產(chǎn)品交付之前就帶進系統(tǒng)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(fā)熱、聚合等污染現(xiàn)象，這些都是設(shè)計階段應(yīng)加以注意的方面。

       4·1·3  系統(tǒng)中濾油器的配置也是設(shè)計中的重要內(nèi)容，首先是有合理的參數(shù)，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(yīng)能濾除各部位產(chǎn)生的污染物。

       4·1·4  熱設(shè)計也是不可忽視的方面，盡可能減少系統(tǒng)生熱的環(huán)節(jié)，也就是提高系統(tǒng)的總效率，而所生成的熱又能有效的散發(fā)出去，使系統(tǒng)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(tǒng)的關(guān)鍵措施。

       4·2  污染控制工藝要求

一個良好的設(shè)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(yīng)有合適的光潔度和銳邊倒圓，以防微粒的剝落；在工序轉(zhuǎn)移階段應(yīng)有嚴格的清洗手段，并經(jīng)過檢驗合格后，才能采用合適的包裝方式轉(zhuǎn)移到下道工序。

       4·2·2  在裝配階段應(yīng)有清潔的裝配環(huán)境，裝配間應(yīng)有污染度等級要求，設(shè)置能濾出空氣中污染物的通風(fēng)設(shè)備；操作人員衣著應(yīng)有防塵措施。產(chǎn)品裝配完成后應(yīng)經(jīng)過嚴格的清洗，先在清洗試驗臺上進行磨合運轉(zhuǎn)，以除掉先期可剝落的粒子，試驗臺應(yīng)設(shè)置合適的過濾裝置，過濾精度應(yīng)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(tǒng)先天性污染水平的重要環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)安裝前先對導(dǎo)管內(nèi)腔嚴格凈化，凈化后包裝保管。焊接的導(dǎo)管應(yīng)注意清除氧化皮。

       4·2·4  檢測設(shè)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(nèi)外的檢測設(shè)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(shù)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(tǒng)的實現(xiàn)，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(chǎn)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(shè)備上安裝相應(yīng)等級的過濾器，另外是靠地面設(shè)備對油箱油及設(shè)備中的油進行凈化。在地面設(shè)備上所用的凈化裝置有網(wǎng)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(shè)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(tǒng)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(shè)計和制造都很優(yōu)良的機械，如果沒有與之相應(yīng)的維護水平，則該種機械也不會發(fā)揮出自己的應(yīng)有水平，維護水平包括兩個方面，一是人員素質(zhì)，是指維護人員應(yīng)經(jīng)過污染控制的基本訓(xùn)練，對污染的危害，以及維護中應(yīng)注意哪些內(nèi)容都應(yīng)有清楚的認識。第二是應(yīng)具有相應(yīng)的凈化設(shè)備，沒有相應(yīng)的凈化設(shè)備是無法達到凈化水平的要求。

        4·3·1  監(jiān)控 在設(shè)備的使用中應(yīng)定時對液壓油的污染度進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)污染很嚴重時，應(yīng)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(yīng)經(jīng)過凈化的，因國內(nèi)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(shè)備在使用中應(yīng)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(huán)節(jié)都會有空氣和水份進入系統(tǒng)中，應(yīng)定時至少是將游離的水和空氣排除，以提高系統(tǒng)的可靠性。

     5  工程機械中的液壓系統(tǒng)也應(yīng)有液壓油污染度控制的強制性標準

        5·1  污染控制現(xiàn)狀  我們國內(nèi)雖然早在80年代就提出了液壓系統(tǒng)污染控制這一課題，但是真正落實較好的是航空航天系統(tǒng)。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(tǒng)污染度驗收水平和控制水平”，和“飛機Ⅰ、Ⅱ型液壓系統(tǒng)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(guī)范之中，基本上實現(xiàn)了有效控制。

 而工程機械這一廣大領(lǐng)域?qū)σ簤河偷奈廴酒毡闆]有實現(xiàn)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(shù)液壓油的污染度都超過NAS1638  12級；所以，即使有了高質(zhì)量的機械，沒有好的維護設(shè)備和高質(zhì)量的維護人員，也很難發(fā)揮它的作用。

        我國在1985年制定一個“典型液壓系統(tǒng)清潔度等級”一個指導(dǎo)性文件，但規(guī)定的很粗糙，對每種機械規(guī)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(xiàn)的難度太大，并無法維持，從現(xiàn)時的元件水平看也沒有必要；而高污染等級甚至規(guī)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(tǒng)已經(jīng)被各類機械所采用，以它響應(yīng)快、控制方便、作用力大、功率重量比大等優(yōu)點，使用范圍會越來越大；實行嚴格的污染控制會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益：a 延長系統(tǒng)壽命，減少機械故障，會大幅度提高勞動生產(chǎn)率；b 提高效率，會大量節(jié)省能源；c 合適的污染度控制等級，會大大節(jié)約使用維護工作量，并能減少備件；d 實現(xiàn)了長壽命低故障率以后，在全球經(jīng)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(shè)計、生產(chǎn)和使用維護各階段能貫徹執(zhí)行并配以必要的檢測手段和凈化設(shè)備是液壓系統(tǒng)延長壽命、節(jié)省功耗和提高可靠性的有效途徑。

 

 

 中國機械工業(yè)論壇會發(fā)言稿

      二OO三年十一月