液壓系統(tǒng)油液的污染與控制技術(shù)
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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(dāng)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)等等。
下面著重分析各類污染物的性質(zhì)、危害以及如何控制等方面，并提出開展污染控制工程的設(shè)想。
2. 污染物及其性質(zhì)
系統(tǒng)工作中不需要的物質(zhì)，并對系統(tǒng)產(chǎn)生有害的作用，統(tǒng)稱為污染物；根據(jù)其存在的形式，可分為固態(tài)污染物（如：金屬粉末、礦粉、塵埃、各種氧化物以及各種微生物。）、氣態(tài)污染物（如：空氣、氯氣、二氧化碳等）和液態(tài)污染物（如：水、溶劑）。污染物的上述三種狀態(tài)在環(huán)境改變時，可能相互轉(zhuǎn)化，這些污染物在有機械力作用時也能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
2.1 固態(tài)污染物——固體顆粒
固體顆粒是引起機械磨損的第一因素，也是污染控制研究的主要對象，世界各國都有廣泛研究，總結(jié)起來有如下幾個特性：
a. 細(xì)微性
我們所研究的固體顆粒是以微米為計量單位的物質(zhì)，圖2.1-1是放大500倍的尺寸直觀圖。2μm的顆粒也是研究的重要對象。
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肉眼可見的最小顆粒尺寸為40μm，一些不同類型的微小固體顆粒尺寸范圍見表2﹒1-1。
表2.1-1一些顆粒的尺寸范圍
| 物質(zhì) | 尺寸μm | 物質(zhì) | 尺寸 |
| 鹽面顆粒 | 100 | 可可粉顆粒 | 8～10 |
| 頭發(fā)直徑 | 70 | 紅細(xì)胞 | 8 |
| 白細(xì)胞 | 25 | 細(xì)菌 | 2 |
| 滑石粉顆粒 | 10 | 塵埃顆粒 | ＜74 |
b. 沉降性
存在于油液中的固體顆粒都受到三種力的作用，一是重力，二是擴散力，三是浮力；當(dāng)重力大于浮力和擴散力時，就會自然下沉，稱為沉降性，影響沉降性的因素有：顆粒密度、尺寸、形狀、油液的粘度以及力場等，在重力場的作用下，顆粒越小，粘度越大，越不易沉降，但在離心力場的作用下，可以分離。
c. 聚集性
細(xì)顆粒粘結(jié)或聚集成團(tuán)塊的現(xiàn)象，在許多過程中都可能出現(xiàn)，在大多數(shù)情況下是不利的：例如，在顆粒的分細(xì)、混合、分散、分類、傳輸和測量等過程中不希望有顆粒聚集的情況，僅在極少情況下利用聚集作用來形成大顆粒。
顆粒尺寸是顆粒聚集的重要因素。尺寸小的顆粒聚集作用大。因而聚集現(xiàn)象常從小顆粒開始，然后發(fā)展到大顆粒。
據(jù)發(fā)現(xiàn)，在油箱內(nèi)經(jīng)過10微米濾油器過濾的油液，密封儲存后，會“生長”出50至100微米的顆粒。顆粒結(jié)塊的原因主要是顆粒表面吸收了一層聚合物的膜，由自由酸殘余的極性結(jié)合，使小顆粒結(jié)合在一起。一般5微米以下的顆粒結(jié)合的趨勢較大。液體受到振動時會加速小顆粒的結(jié)合。例如，在運輸過程中或受到聲波和振動等，都可能導(dǎo)致明顯的結(jié)合現(xiàn)象。
因此從油罐中取得的新油，在使用前的過濾是很有必要的。
d. 吸附性
如同墻壁落灰一樣，油液在系統(tǒng)內(nèi)流動時污染物也會附著在壁面上，并逐漸增厚，當(dāng)受到外界振動沖擊后會一起脫落，造成集中污染。它比分散污染更為有害，甚至是致命危害。
e. 磨損性
污染顆粒的硬度對被污染系統(tǒng)的磨損有著密切的關(guān)系，在污染控制中，常把硬度視作抵抗表面擦傷的能力。內(nèi)森（Nathan）等人提出了污染物硬度與表面擦傷磨損之間的關(guān)系式：
式中V——磨損體積
K——磨損常數(shù)
L——施加的載荷
I——滑動距離
Pm——流動壓力（與磨損表面的延展性有關(guān)）
Ha——顆粒有效硬度
H——表面有效硬度。
從式中可知，如果顆粒的硬度等于或小于表面的硬度，表面的磨損量就很小。此式可用來由已知的一種顆粒產(chǎn)生的磨損量推算另一種顆?？赡茉斐傻哪p量。當(dāng)然，這是在假定二種顆粒的尺寸分布相同的條件下計算的。例如，當(dāng)材料表面的Mohs硬度Ha=4.0時，氧化鐵顆粒（Ha=5.5）對表面產(chǎn)生的磨損量為硅砂（Ha=7.0）的56.9%（假定二種顆粒的尺寸分布相同），即
式中：W—氧化鐵顆粒對表面磨損量與硅砂磨損量的比值；
Vi—氧化鐵顆粒對材料表面的磨損量；
Vs—硅砂對材料表面的磨損量。
被磨損下的顆粒在油液循環(huán)時又成為磨損顆粒，循環(huán)往復(fù)會越來越多，我們稱之為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在系統(tǒng)運行時，必須設(shè)法消除。因為在磨損過程中同時產(chǎn)生高溫，被磨損下來的顆粒得不到清除，很快就會發(fā)生類似集中污染，大量顆粒同時磨損，熱量來不及散發(fā)，導(dǎo)致磨擦副（如，軸瓦突然抱死）的故障。固體顆粒硬度見表2.1-2
表2.1-2 固體顆粒硬度
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顆粒
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莫式（Mosh）硬度
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產(chǎn)生原因
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金剛石
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9—10
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加工磨屑
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大切屑
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4—7
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加工切屑
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硅砂
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7
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環(huán)境
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火山灰
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6.5
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環(huán)境
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磨損硬金屬
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4—7
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系統(tǒng)生成
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金屬氧化物
（特別是AL2O3）
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高達(dá)9
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系統(tǒng)生成
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鎢
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4.5
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系統(tǒng)生成
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鈷
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2.5
|
系統(tǒng)生成
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鈦
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3.5
|
系統(tǒng)生成 |
只有當(dāng)顆粒硬度大于金屬表面硬度時，才能對金屬表面產(chǎn)生磨損；反之，顆粒硬度小于金屬表面硬度時，對金屬產(chǎn)生的磨損作用是很小的。
f. 催化作用
油液中的水和空氣，以及熱能是油液氧化的必要條件，而油液中的金屬微粒對油液氧化起著重要的催化作用。試驗研究表明，當(dāng)油液中同時存在金屬顆粒和水時，油液的氧化速度急劇增快，鐵和銅的催化作用使油液氧化速度分別增加10和30倍以上。
g. 尺寸分布和污染度等級
顆粒尺寸分布是指一群顆粒中，每種尺寸的顆粒數(shù)量。不同的系統(tǒng)，不同的工作條件，不同的凈化措施所導(dǎo)至的分布各不相同，對系統(tǒng)產(chǎn)生的損害也相差很大。美國宇航協(xié)會1964年制定的NAS1638污染度分級標(biāo)準(zhǔn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO4406污染度等級標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。表2.1-3是NAS1638—1964，是規(guī)定在100mL油液中，不同污染度等級所含不同尺寸段的固體顆粒數(shù)。各不同尺寸段的最大固體顆粒數(shù)的分布與ACFTD細(xì)粉塵分布規(guī)律很接近。見表2.1-3
表2.1-3 NAS1638-1964 每100mL中含不同尺寸的固體顆粒個數(shù)?；贏CFTD （個）
| 顆粒尺寸（μm） | 等 級 | |||||||||||||
| 00 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
| 5—15 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 | 32000 | 64000 | 128000 | 256000 | 512000 | 1024000 |
| 15—25 | 22 | 44 | 89 | 178 | 356 | 712 | 1425 | 2850 | 5700 | 11400 | 22800 | 45600 | 91000 | 182400 |
| 25—50 | 4 | 8 | 16 | 32 | 63 | 126 | 253 | 506 | 1012 | 2025 | 4050 | 8100 | 16200 | 32400 |
| 50—100 | 1 | 2 | 3 | 6 | 11 | 22 | 45 | 90 | 180 | 360 | 720 | 1440 | 2880 | 5760 |
| ＞100 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1024 |
經(jīng)過多年的實際使用后，在吸收ISO4406優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對NAS1638—1964進(jìn)行了修改，于1999年晉升為美國
國家標(biāo)準(zhǔn)AS4059-1999，然后2001年又修改為AS4059D-2001的最新版本，如表2.1-4
表2.1-4，AS4059D-2001（ACFTD） 顆粒數(shù)/100ml
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級
尺寸（μm）
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000 | 00 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| ＞1 | 195 | 390 | 780 | 1560 | 3120 | 6250 | 12500 | 25000 | 50000 | 100000 | 200000 | 400000 | 800000 | 1600000 | 3200000 |
| ＞5 | 76 | 152 | 304 | 609 | 1220 | 2430 | 4860 | 9730 | 19500 | 38900 | 77900 | 156000 | 311000 | 623000 | 1250000 |
| ＞15 | 14 | 27 | 54 | 109 | 217 | 432 | 864 | 1730 | 3460 | 6920 | 13900 | 27700 | 54400 | 111000 | 222000 |
| ＞25 | 3 | 5 | 10 | 20 | 39 | 76 | 152 | 306 | 612 | 1220 | 2450 | 4900 | 9800 | 19600 | 39200 |
| ＞50 | 1 | 1 | 2 | 4 | 7 | 13 | 26 | 53 | 106 | 212 | 424 | 848 | 1700 | 3390 | 6780 |
| ＞100 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 | 512 | 1020 |
該標(biāo)準(zhǔn)吸收了ISO4406的優(yōu)點，又保留了NAS1638-1664的使用習(xí)慣，理論上分析，該標(biāo)準(zhǔn)比較完整。但是在實際使用中，依據(jù)當(dāng)前的設(shè)備精度水平，仍以＞5μm尺寸確定污染度等級為合理，所以在GJB420A-1999中明確提出，以＞5μm尺寸的數(shù)量確定污染度等級，也便于統(tǒng)一要求。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4406-1991，見表2.1-5
| 等級編碼 | 0.9 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 顆粒數(shù)/ mL |
0.0025~
0.005
|
0.01~
0.02
|
0.02~
0.04
|
0.04~
0.08
|
0.08~
0.16
|
0.16~
0.32
|
0.32~
0.64
|
0.64~
1.3
|
| 等級編碼 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 顆粒數(shù)/ mL |
1.3~
2.5
|
2.5~
5
|
5~10 |
10~
20
|
20~
40
|
40~
80
|
80~
160
|
160~
320
|
| 等級編碼 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 |
| 顆粒數(shù)/ mL | 320~640 |
640~
1300
|
1300~
2500
|
2500~
5000
|
5000~
10000
|
10000~
20000
|
20000~
40000
|
40000~
80000
|
表2.1-5 ISO4406-1991（基于ACFTD） 個數(shù)/ml
1999年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織修訂了自動顆粒計數(shù)器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，由原來用ACFTD粉塵校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)ISO4406-1991改為用ISOMTD粉塵校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)ISO11171-1999（國標(biāo)GB/T18854-2002等效移植）。顆粒尺寸由最大直徑改為等效投影面積的當(dāng)量直徑。新標(biāo)準(zhǔn)的測試數(shù)據(jù)更加真實，并且已被“美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)會”NIST認(rèn)證。ACFTD粉塵將停止生產(chǎn)。規(guī)定今后凡用自動顆粒計數(shù)器檢測的，都用經(jīng)NIST認(rèn)證的新標(biāo)準(zhǔn)。粒徑尺寸μm后加（C）。
當(dāng)前仍是新舊標(biāo)準(zhǔn)混用階段，將逐步過度到新標(biāo)準(zhǔn)。為便于對照兩種標(biāo)準(zhǔn)方法顆粒直徑表示尺寸對比，見表2.1-6
表2.1-6 ACFTD校準(zhǔn)尺寸與ISOMTD校準(zhǔn)等效尺寸對比
| 原ACFTD粉塵表示的最大直徑 | ＞1μm | ＞5μm | ＞15μm | ＞25μm | ＞50μm | ＞100μm |
| ISOMTD（NIST）等效投影直徑 | ＞4μm（C） | ＞6μm（C） | ＞14μm（C） | ＞21μm（C） | ＞38μm（C） | ＞70μm（C） |
這就說明，用ACFTD校準(zhǔn)＞1μm的數(shù)量，相當(dāng)于用ISOMTD校準(zhǔn)＞4μm（C）的數(shù)量；同理＞5μm相當(dāng)于＞6μm（C），＞15μm相當(dāng)于＞14μm（C），依此類推。
如果現(xiàn)在仍然用NAS1638標(biāo)準(zhǔn)測試的（即ACFTD校準(zhǔn)）所得數(shù)據(jù)為5-15μm，15-25μm，25-50μm，50-100μm，＞100μm五個尺寸段的等級，與NIST校準(zhǔn)得到的數(shù)據(jù)：6-14μm（C），14-21μm（C），21-38μm（C），38-70μm （C），＞70μm（C）五個尺寸段的等級結(jié)果是相近的。
2.2 空氣污染
液壓油中溶解空氣是不可避免的，因無論是在生產(chǎn)過程和應(yīng)用過程中都無法做到與空氣隔絕。液壓油中空氣溶解量是依壓力和溫度的不同而不同，在1個大氣壓條件下，礦物油飽和溶解度約為體積的9—10%，不同氣體在礦物油中的溶解度見表2.1-7。
表2.1-7 氣體在四種礦物油中的溶解度（%）
| 氣體 | 溫度℃ | 油A | B | C | D | 平均 |
| 氮 氣 | 20 | 7.76 | 7.80 | 7.59 | 7.59 | 7.69 |
| 40 | 7.90 | 7.95 | 7.78 | 7.78 | 7.85 | |
| 60 | 8.37 | 8.26 | 8.17 | 8.15 | 8.24 | |
| 80 | 8.35 | 8.44 | 8.47 | 8.57 | 8.46 | |
| 氧 氣 | 20 | 14.7 | 14.9 | 14.5 | 14.43 | 14.63 |
| 40 | 14.4 | 14.3 | 13.9 | 14.1 | 14.18 | |
| 60 | 14.2 | 14.1 | 13.3 | 13.7 | 13.83 | |
| 80 | 13.3 | 13.8 | 13.3 | 13.8 | 13.55 | |
| 空 氣 | 20 | 9.56 | 9.39 | 9.13 | 9.14 | 9.31 |
| 40 | 9.50 | 9.46 | 9.16 | 9.33 | 9.36 | |
| 60 | 9.62 | 9.45 | 9.51 | 9.41 | 9.50 | |
| 80 | 9.73 | 9.64 | 9.64 | 9.68 | 9.67 |
隨著壓力的增加，各種液體飽和溶解度都是呈線性的增加（如圖2.1-2），同時又隨溫度的降低而不同程度的減小。
正因如此，在系統(tǒng)中，不同位置壓力是不同的，隨著壓力的降低，超過飽和溶解度的空氣就會逸出成游離態(tài)，而當(dāng)壓力升高時又溶解，所以空氣在系統(tǒng)中有時溶解有時逸出，這種時隱時現(xiàn)的變化過程對系統(tǒng)有很大的危害，是系統(tǒng)中的頑癥。
2.3 水污染
液壓系統(tǒng)難免在不同程度上存在著水份。水可以溶解在油中（稱為溶解水），也可以自由狀態(tài)存在于油中（稱游離水）。自由狀態(tài)水可以是沉淀水或乳化液。沉淀水由長期靜止的水珠形成，存在于液體的底部或頂部，這取決于它們的比重。對礦物油，水一般沉淀于底部，對磷酸酯或含氯碳?xì)浠衔锏群铣梢?，則浮于頂部。在充分?jǐn)噭拥那闆r下，如通過泵的多次循環(huán)，水與液體可組成乳化液。乳化液的穩(wěn)定性決定于液體的性質(zhì)和狀態(tài)，液體粘度越大，與水的乳化液越穩(wěn)定。表面活性添加劑及污染物的存在，可使油包水類型的乳化液很緊密，從而減慢破乳化的速度。乳化液的離析傾向與液體的表面張力有關(guān)，液體的表面張力越高（高于35達(dá)因/公分），破乳化性越好；表面張力越低（低于25達(dá)因/公分），就可能存在永久性乳化液。添加劑和破乳劑對乳化液的持久性影響很大。氧化物和顆粒狀污染物可增加乳化液的持久性，可溶性氯化物等破乳劑可使乳化液加速離析。
石油基油液與水接觸或在潮濕的環(huán)境下可吸收微量的水氣。吸水程度與液體基本成份及所用的添加劑有關(guān)。在正常環(huán)境下，經(jīng)過8周可達(dá)到飽和量。
幾種常用油的含水飽合度
a﹒ 液壓油 200～400ppm (0.02～0.04%)
b﹒ 潤滑油 200～750 ppm (0.02～0.075%)
c﹒ 變壓器油 30～50 ppm (0.003～0.005%)
為減少水對油液產(chǎn)生的危害，應(yīng)盡可能減少油液中的水份，應(yīng)控制在飽和溶解度以下，油對水的溶解度是隨溫度的升高而增加，圖2.1-3一種透平油的溶解度隨溫度的變化曲線。
3 各種污染物對液壓系統(tǒng)的危害
3.1 固體顆粒污染的危害
油液污染是引起各種機械壽命縮短和工作故障的主要因素。據(jù)前蘇聯(lián)統(tǒng)計資料，在100次飛機失事中，有20起是由于液壓系統(tǒng)污染引起的；污染的危害主要表現(xiàn)如下：
3.1.1 運動件表面磨損引起功能失效
a. 液壓泵和液壓馬達(dá)功能失效 高速運轉(zhuǎn)中的配油盤與轉(zhuǎn)子、柱塞與柱塞孔、滑靴與滑履等部件，都是在大載荷、小間隙條件下工作，油中的固體污染物可破壞油膜，劃傷運動表面。不但潤滑性變壞，同時又生成大量金屬顆粒，鏈鎖反應(yīng)，惡性循環(huán)，造成出口壓力降低，回油量加大，效率降低，發(fā)熱量加大，導(dǎo)致功能失效。
b. 齒輪齒面磨損引起失效 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(tài)是重載、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，重載摩擦的瞬時高溫可使齒面產(chǎn)生凹痕，反復(fù)工作使表面疲勞破壞，引起機械失效。
c. 其他元件表面破壞 各種類型的運動件如軸承、油缸筒、閥類以及密封裝置等，都會因油液污染并在高壓、高溫和高速條件下不斷破壞工作表面，到一定程度引起功能失效。
d. 密封膠圈的破壞 膠圈是流體系統(tǒng)不可缺少的密封裝置，密封件的壽命與 油液固體污染度息息相關(guān)，污染度越高，固體顆粒嵌入膠圈摩擦面的機會越多，造成膠圈被劃傷、剝落，也對運動件表面產(chǎn)生磨蝕，產(chǎn)生新的污染物。溫度越高，對膠圈的損壞越大，漏油量增大，溫度升高，效率降低，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，加速磨損。
3.1.2 金屬顆粒促進(jìn)油液氧化變質(zhì)
由于油液中進(jìn)入水份和空氣，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，尤其是在某些金屬微粒的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，還可能產(chǎn)生偶發(fā)故障。
a. 運動件被卡死 破壞油膜，增大摩擦力引起油液發(fā)熱燒結(jié)而剪斷液壓泵柱塞頭，使液壓泵瞬間失效，系統(tǒng)失去工作能力；也有因銹蝕引起電磁閥的滑閥卡死而不能換向，造成飛機在空中放不下起落架的嚴(yán)重故障。
b. 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，造成濾油器功能提前失效；尤其是最后機會油濾失效后，可引起微孔被堵塞，或者是伺服閥的噴嘴擋板被堵塞，造成伺服控制系統(tǒng)失去控制功能，釀成嚴(yán)重后果。
c. 油液粘度變化 粘度是液壓油的重要指標(biāo)，要求能滿足低溫條件下順利起動，也可以保證高溫條件下的潤滑性能，在水、空氣和金屬微粒的作用，破壞了油液的理化性能，也破壞了油液的粘度指標(biāo)，無法滿足高、低溫條件下的工作需要。
d. 油液酸值的增加 酸值是液壓油的重要指標(biāo)，嚴(yán)格的限制在一定范圍內(nèi)；例如，YH-12航空液壓油新油酸值小于0.05mgKOH/g，而換油指標(biāo)為0.2～0.3 mgKOH/g ，酸值增加以后，會對系統(tǒng)的附件產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。
3.1.3 固體顆粒污染的試驗結(jié)果
在系統(tǒng)中存在與配合間隙尺寸相當(dāng)?shù)墓腆w顆粒，直接進(jìn)入配合面，橋接于兩配合面之間，引起嚴(yán)重磨損。美國玻爾公司將與元件間隙尺寸相當(dāng)?shù)墓腆w顆粒清除掉，對系統(tǒng)產(chǎn)生良好的結(jié)果。見表3-1
表3-1，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 | 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(gòu)在進(jìn)行研究污染度對壽命的影響時，所給出的研究結(jié)果差異很大，主要是因為工作環(huán)境、污染物成份以及顆粒硬度等因素不同。一般來說（以NAS1638標(biāo)準(zhǔn)），污染度降低一級，壽命延長一倍，反之亦然。假定使用污染度為7級的油液，機器壽命為10年，同樣是這臺機器將污染度降低幾級壽命就有驚人的變化，如表3-2：
表3-2 油液污染度與機器壽命的關(guān)系
| 污染度NAS1638 ，級 | 11 | 9 | 7 | 5 |
| 壽 命 ， 年 | 0.63 | 2.5 | 10 | 40 |
3.2 水污染的危害
水對液壓系統(tǒng)的危害也是相當(dāng)嚴(yán)重，它可使油液粘度下降，破壞油膜，引起嚴(yán)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(tǒng)無法正常工作，現(xiàn)實中發(fā)生過因水污染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)果見圖3-1：
*取自： “Machine Design”July86，“How Dirt And Watert Effect Bearing Life“ by TimkenBearing Co.
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3-3。
表3-3 有金屬顆粒時水對氧化的影響
| 序號 | 金屬顆粒 | 水 | 小時 | 酸值變化* |
| 1 | 無 | 無 | 3500+ | 0 |
| 2 | 無 | 有 | 3500+ | +0.73 |
| 3 | 鐵 | 無 | 3500+ | +0.48 |
| 4 | 鐵 | 有 | 400 | +7.93 |
| 5 | 銅 | 無 | 3000 | +0.72 |
| 6 | 銅 | 有 | 100 | +11.03 |
*當(dāng)酸值超過0.5時，表示油質(zhì)惡化。
試驗結(jié)果說明，在油液中含有銅和鐵金屬微粒時（這也是不可避免的）只要有水的存在，油液的酸值可迅速增加到不可容忍的指標(biāo)。
3.3 空氣污染的危害
空氣對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的危害，各種文獻(xiàn)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(yán)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。僅以飛機液壓系統(tǒng)為例，論述空氣污染對系統(tǒng)的危害。
3.3.1 降低油液的彈性模量
當(dāng)油液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，能造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，工作不穩(wěn)定，會影響飛機操縱的跟隨性，尤其是自動化程度很高的第四代戰(zhàn)機，要求高機動性，快速響應(yīng)，如果出現(xiàn)跟隨性不好，又是低空飛行時，會引起飛行員驚恐，甚至可造成機毀人亡的事故。
由于液壓彈性增大，影響操縱力的穩(wěn)定，迂有復(fù)合操縱，大流量條件下工作，瞬間有氣泡析出，更容易產(chǎn)生操縱不到位的情況，對于全電傳自動操縱影響更大。由于這一故障的發(fā)生是隨機的，有太多的不確定性因素，造成故障現(xiàn)象不易再現(xiàn)，也為故障分析工作造成困難。以至于長期存在的問題但一直被忽略。
3.3.2 產(chǎn)生氣蝕
當(dāng)系統(tǒng)的油液由低壓區(qū)進(jìn)到高壓區(qū)時，氣泡會瞬間被壓縮破滅，此時產(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，氣泡破裂會產(chǎn)生巨大的沖擊力。例如，某航空液壓件廠，試驗臺油箱用氮氣直接增壓，在試制某型液壓泵時，發(fā)生了配油盤被打裂的故障，配油盤是高強度合金鋼制造，雖然有多年行之有效的設(shè)計經(jīng)驗，但在28MPa壓力，4200轉(zhuǎn)/分時產(chǎn)生的爆炸力遠(yuǎn)比以往的21MPa壓力級的大，說明含氣量大，會產(chǎn)生一些事前無法估計的沖擊力。
伴隨著高壓和高溫火花，除了引起機件破壞以外，還產(chǎn)生油液燃燒后殘留的灰分，這些灰分來源于油中的無機鹽、金屬有機物和灰塵等，當(dāng)灰分進(jìn)入積炭中變得堅硬耐磨，加劇了機件磨損。
3.3.3 引起電液伺服閥工作失靈
四代機是全電傳操縱，大量應(yīng)用電液伺服閥，以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的改變飛機姿態(tài)，而當(dāng)油液中有微小氣泡出現(xiàn)時，氣泡會影響節(jié)流孔的通油能力，可影響力矩馬達(dá)的正常工作，造成伺服閥工作瞬間失靈，影響操縱特性，自動化程度越高此項問題越突出。
3.3.4 增加系統(tǒng)的溫升
當(dāng)油液中氣體含量太多，低壓區(qū)必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費的能量轉(zhuǎn)變成熱量，引起系統(tǒng)溫升嚴(yán)重，溫度過高會帶來一系列弊病，例如：膠圈老化，系統(tǒng)漏油，油液潤滑性能變差引起磨損嚴(yán)重，有資料介紹，當(dāng)系統(tǒng)中油液溫度降低8℃，油液壽命即可延長一倍。
為得到因含氣量的增加引起油溫升高的定量概念，于2003年戥同公司同貴陽液壓件廠共同做一次試驗；試驗狀態(tài)是用同一個試驗臺，使用同一臺液壓泵，只改變油箱狀態(tài)，一個狀態(tài)是用氮氣增壓的油箱，含氣量約為27%，另一個狀態(tài)是與空氣隔離的閉式油箱，含氣量約為5%；試驗程序相同，記錄并對比在兩種油箱狀態(tài)下，液壓泵進(jìn)口油溫T1、出口油溫T2和泵殼體回油溫度T3；試驗結(jié)果見表3-4
表3-4 含氣量對油液溫度影響的試驗數(shù)據(jù)
|
測試點
狀態(tài)
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油泵進(jìn)口平
均溫度
T1
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油泵出口平均溫度T2
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泵殼體回油平均溫度T3
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進(jìn)出口溫升
T2-T1
|
殼體回油溫升
T3-T1
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| 氮氣增壓油箱狀態(tài) | 40.1℃ | 51.5℃ | 64.5℃ | 11.4℃ | 24.4℃ |
| 閉式油箱狀態(tài) | 38.5℃ | 42.3℃ | 49.3℃ | 3.8℃ | 10.8℃ |
試驗結(jié)果說明：
（1）油泵出口與進(jìn)口溫升之差T2-T1，閉式油箱只相當(dāng)于氣體增壓油箱的33%；
（2）油泵殼體回油與進(jìn)口溫升之差T3-T1，閉式油箱只相當(dāng)氣體增壓油箱的44%。
（3）減少油液中含氣量對于降低系統(tǒng)溫升，有著十分可觀的效果。
此外，依據(jù)本試驗流量測試結(jié)果，閉式油箱顯著的增加了流量，當(dāng)油泵進(jìn)口表壓分別為0.061 MPa，0.041 MPa，0.01 MPa和0 MPa時，閉式油箱出口平均流量為33.73升/分，而氣體增壓油箱平均流量為32.26升/分，容積效率增加了4.5%，顯著的增加了油泵的有效功率。
3.3.5 促進(jìn)油液氧化變質(zhì)
空氣含量增多必然對油液產(chǎn)生氧化腐蝕，增加油液的酸值，縮短油液的使用壽命。
此外，氣泡可破壞油膜，造成摩擦副失去潤滑，即破壞了摩擦表面又生成了大量污染顆粒，等等；總之系統(tǒng)中空氣含量增加，給系統(tǒng)帶來的危害是巨大的。
4. 應(yīng)全方位實施油液的污染控制
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)在各生產(chǎn)階段的推廣是重要途徑。
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，材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計各環(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(dāng)，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(yán)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(yán)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(jìn)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。關(guān)鍵的摩擦副應(yīng)選擇有試驗結(jié)論的材料和參數(shù)。
4.1.3 油液中固體顆粒的凈化，是系統(tǒng)設(shè)計時不可忽視的重要內(nèi)容，首先是裝機濾油器的參數(shù)選擇和配置方案，其次是采用地面凈化裝置定期凈化。
4.1.3.1濾油器及主要參數(shù) 將系統(tǒng)工作中自身生成的和外面侵入的各種固體污染物從油液中清除，最普遍使用的方法是過濾。它是利用多孔性的介質(zhì)濾除油液中非可溶性固體顆粒，稱為濾油器。濾油器中的過濾元件有以下幾種：金屬編織網(wǎng)式、繞線式、合成纖維式、紙芯式和燒結(jié)式。金屬編織網(wǎng)式、繞線式可以經(jīng)過清洗后重復(fù)使用，紙芯式和燒結(jié)式是不能經(jīng)清洗后重復(fù)使用，必須定期更換。
按照濾材過濾方式分類，濾油器可分為表面型和深度型兩大類，表面型濾油器的通孔認(rèn)為大小是均勻的，因而，所有大于通孔尺寸的污染顆粒均能被堵截在表面，而小于通孔尺寸的顆粒均能通過，金屬編織網(wǎng)式、繞線式和片式屬這一類。深度型過濾器的過濾元件為多孔性材料，內(nèi)有曲折迂回的通道，對固體顆粒的清除主要是靠堵截沉積和吸附作用，深度型過濾器過濾介質(zhì)的孔徑是不均勻的，它的過濾作用有更大的機率性，屬于這種類型的過濾器有燒結(jié)式、各種纖維和紙芯式等。
濾油器的主要技術(shù)參數(shù)
a. 過濾精度 絕對過濾精度是反映濾油器網(wǎng)孔最大直徑為多少微米，也是反映該濾油器對不同尺寸顆粒的濾除能力。它是選擇濾油器時第一個重要的參數(shù)。它決定著系統(tǒng)油液污染度水平的高低。一般來說濾油器精度越高，則系統(tǒng)的污染度等級也就越低。但是到目前為止，尚沒有濾油器精度與油液污染度水平的對應(yīng)關(guān)系，問題太復(fù)雜，因為無論是表面型還是深度型濾油器都沒有可能100%的將大于該精度尺寸的顆粒截住，都有穿過網(wǎng)孔的機會，而隨著堵截量的增大，和系統(tǒng)壓力流量的波動，又都不同程度的將污物釋放到濾油器的下游，所以過濾精度也是個不斷變化的參數(shù)。當(dāng)前對于較高精度的系統(tǒng)應(yīng)選擇不低于5μm精度的濾油器。
b. 過濾比（βx值） 過濾比是評定濾油器過濾精度的另一個重要指標(biāo)，是反應(yīng)過濾器對不同尺寸固體顆粒的過濾能力，過濾比β的定義是濾油器上游加入的某一尺寸的污染粒子數(shù)除以下游仍存在的該尺寸的粒子數(shù)，例如在濾油器上游加入5μm的粒子100個，在濾油器下游仍截獲有5μm的5個，則表示為：
對于表面型濾油器過濾比可表明網(wǎng)孔的均勻程度，對于深度型也表明它截獲和吸附該尺寸顆粒的能力。但是它們都是隨過濾時間的增長逐漸降低，一直到失效，甚至最后還可能到βx＜1，是系統(tǒng)的污染源。工程上濾油器的該指標(biāo)一般都是指多次通過達(dá)到某一壓差時的平均過濾比。
過濾比有幾個特殊值：
βx=1 最小過濾精度，是表明對于X尺寸的顆粒沒有過濾能力；
βx=2 平均過濾精度，表明對于X尺寸的顆粒濾掉50%；
βx=75 絕對過濾精度，表明對于X尺寸的顆粒濾掉98.7%。
c. 對于當(dāng)前過濾比βx指標(biāo)的疑義
現(xiàn)行的過濾比的指標(biāo)是濾油器生產(chǎn)研制單位為檢驗過濾器性能，在特定的試驗條件規(guī)定特定的試驗方法而規(guī)定的精度指標(biāo)；實踐證明，這一指標(biāo)越高也確定表現(xiàn)出凈化能力越好；但是這一指標(biāo)沒有表征該濾油器在系統(tǒng)工作中的真實凈化效果?，F(xiàn)行過濾比定義為 βx=Nu/Nd,即上游單位液體容積內(nèi)大于某給定尺寸的污染顆粒數(shù)與下游單位液體內(nèi)容內(nèi)大于同樣尺寸的污染顆粒數(shù)的比值，假如過濾比為75，即上游是下游同樣尺寸的污染物數(shù)量的75倍，而75倍可以跨越NAS1638的6個級別，這就說明只要有一次通過即可以降低6級，可以從NAS1638 12級降低到6級，這是從來沒有過的事。
我們需要的過濾比應(yīng)在真實系統(tǒng)中，每次通過表現(xiàn)出的凈化能力；而現(xiàn)行過濾比指標(biāo)，是生產(chǎn)部門鑒定過濾能力 的一種工藝方法，現(xiàn)行的βx值在用戶使用中沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的過濾率，沒有反應(yīng)真實的凈化效果。我們希望得到在要求的污染度等級和相應(yīng)的壓力、流量條件下，每次通的過凈化能力，如果我們能夠掌握在真實系統(tǒng)中濾油器每次通過的凈化能力，又可以對液壓元件實現(xiàn)每次通過污染生成率的控制，我們就可以準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)實時的污染度等級。只要將系統(tǒng)生成的污染物，能即時被濾油器濾出，保證濾油器過濾比βx≥1，則可以保證系統(tǒng)污染度不上升，實現(xiàn)系統(tǒng)污染度指標(biāo)的良性循環(huán)，只有當(dāng)濾油器濾出污染物超過納污容量時，可出現(xiàn)濾油器壓差上升，過濾比下降，出現(xiàn)βx＜1，油液污染度上升，此時必須更換濾油器。所以選擇納污容量大一點的濾油器是有利于系統(tǒng)凈化的。（注：關(guān)于βx指標(biāo)的論述見論文“過濾比指標(biāo)應(yīng)代表濾油器真實的凈化能力。）
實現(xiàn)了上述愿望，就可能實現(xiàn)液壓系統(tǒng)長壽命，無故障的工作，也可以減少經(jīng)常檢測和清洗的煩惱。我們認(rèn)為是完全可以實現(xiàn)的。
d. 壓差特性 當(dāng)有液流流過濾油器時，由于自身的阻力在濾油器兩端總是形成壓差。壓差特性也是衡量濾油器綜合性能的重要指標(biāo)，它是流量、油液的粘度、孔徑尺寸、通道的形狀和總過濾面積的函數(shù)。國產(chǎn)飛機高壓油濾規(guī)定在額定流量時壓差ΔP≤0.25MPa;GB/T20080-2006規(guī)定高壓濾為ΔP≤0.1 MPa，回油濾為0.05 MPa，吸油濾為0.01 MPa。選擇濾油器除精度、過濾比以外，還要求在額定流量下壓差越小越好。則在過濾材料和油液牌號確定的條件下，過濾面積越大壓差越小，而過濾面積越大，濾油器體積也越大，除安裝空間受限制以外，造價也越大。
e. 納污容量 該納污容量是濾油器進(jìn)出口達(dá)到極限壓差時加入的污物總量，叫視在納污容量是衡量濾油器使用壽命長短的重要指標(biāo)，在保證精度和壓差特性的條件下納污容量越大越好。容納的污染物越多說明可以達(dá)到極限壓差的時間越長。
f. 安全閥開啟壓力 該壓力指標(biāo)是防止因阻力過大濾芯骨架被壓扁而設(shè)置的，軍機高壓油濾不帶安全閥，民用幾乎都有安全閥，該指標(biāo)為多少合適？國標(biāo)GB/T20080-2006規(guī)定按協(xié)議，究竟協(xié)議應(yīng)該規(guī)定多少？美國軍用規(guī)范MIL—F—8815規(guī)定回油濾為100psi，相當(dāng)于7kgf/cm2,俄羅斯飛機回油濾為7kgf/cm2,高壓油濾為9 kgf/cm2。建議我們工程機械也不要太低，太低易出現(xiàn)冬天大流量工作時頻繁開啟，造成大量污染物直接進(jìn)入液壓附件工作區(qū)，此時等于沒有油濾，故障頻頻發(fā)生。該指標(biāo)應(yīng)慎重規(guī)定。
g. 濾芯壓偏壓力 該指標(biāo)是因高壓油濾不帶安全閥而防止壓差過大將濾芯骨架壓扁而設(shè)置的，美國軍用規(guī)范MIL—F—8815規(guī)定為1.5倍工作壓力，該指標(biāo)在生產(chǎn)中很難實現(xiàn)，工作中也很少遇到，究竟規(guī)定多少合適？國內(nèi)尚未見到有明確的規(guī)定。但是只要是不帶安全閥的油濾，總得有壓扁壓力指標(biāo)要求，由于我們在工作中遇到過濾芯被壓扁的故障，建議無論如何濾芯壓扁壓力不能小于1/2額定壓力。
綜上所述，機載系統(tǒng)工作中的凈化主要是采用濾油器，不同精度等級的濾油器可以滿足不同凈化水平要求的設(shè)備。但是濾油器仍然存在許多不足之處，當(dāng)油液粘度一定時，精度越高，壓差越大；如增大納污容量，勢必加大體積，結(jié)構(gòu)空間受限制；深度型濾油器性能好，但是不能清洗重復(fù)使用，需經(jīng)常更換備件；另外，濾油器多數(shù)有旁路安全閥，以防壓差過大，但在低溫大流量時易出現(xiàn)安全閥開啟，則出現(xiàn)大量污染物進(jìn)入系統(tǒng)，為使用維護(hù)工作帶來困難。這些都是選擇濾油器時必須綜合考慮的問題。
4.1.3.2 濾油器在系統(tǒng)中的配置
濾油器配置在液壓泵出口和總回油路，有時也在油泵進(jìn)口處配置粗濾網(wǎng)，這是盡人皆知的，但是該問題也應(yīng)慎重對待，不同部位應(yīng)采用不同參數(shù)；根據(jù)使用經(jīng)驗，降低液壓油箱中油液的污染度，是減少污染物生成最為有效的手段；建議提高回油濾精度，增加納污容量是最為重要的參數(shù)。對于較為精密的系統(tǒng)，高壓與回油濾過濾精度為5μm較為理想。如果是非行走機械設(shè)置在廠房內(nèi)的系統(tǒng)，采用油箱自身旁路循環(huán)凈化最為有利。
4.1.4 熱設(shè)計
在液壓系統(tǒng)設(shè)計中熱設(shè)計是不可忽視的重要方面，忽視了熱平衡溫度，將會在產(chǎn)品的使用中帶來無法克服的困難。熱也是液壓系統(tǒng)的污染，可稱之為能量污染，也需要在系統(tǒng)設(shè)計時采取控制措施，提高系統(tǒng)總效率，盡可能減少生熱環(huán)節(jié)，對于不可避免的生熱，應(yīng)采取有效的措施散發(fā)出去，使系統(tǒng)溫度保持在與液壓油和非金屬材料相匹配的水平上，否則將會引起膠圈損壞、油液變質(zhì)，系統(tǒng)到處漏油以及損壞液壓泵等故障。
4.1.5 推廣采用閉式油箱
4.1.5.1 采用閉式油箱的必要性
液壓油箱中的油液與空氣直接接觸，即開式油箱，是外界污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)的主要渠道，盡管開式油箱都加“呼吸器”阻擋空氣中灰塵進(jìn)入，但是這種濾網(wǎng)起到的作用仍然有限，因為對系統(tǒng)危害最為嚴(yán)重的固體顆粒是5~15μm的尺寸范圍，空氣呼吸器對它的堵截作用很小，此等尺寸的固體顆粒，尤其是硬度很大的SiO2、Al2O3等氧化物，跨接與摩擦副之間，對摩擦副的磨損最為嚴(yán)重，也可以與油混合在一起造成淤積或卡死滑閥，引發(fā)突然故障。
另外，大氣中的水分和空氣都通過開式油箱進(jìn)入系統(tǒng)，它的危害在前面已經(jīng)闡述。
采用閉式油箱，隔絕油液與大氣的通道，是堵截污染物侵入系統(tǒng)的有效方案。
4.1.5.2 關(guān)于采用閉式油箱的排氣問題
采用閉式油箱是液壓系統(tǒng)設(shè)計的方向，它隔絕了空氣和空氣中的固體污染物及水分；但是也存在著一旦空氣進(jìn)入系統(tǒng)中排除就困難的問題。以飛機為例，當(dāng)前的軍用飛機都采用閉式油箱，為保證液壓泵進(jìn)口瞬間提供足夠的流量，油箱必須增壓，即使在地面停放時，油箱也有增壓壓力，例如：不同增壓方式有0.02~0.12 MPa的表壓力，此種壓力時空氣的飽和溶解度約為12~22%，所以即使在地面停放時，通過油箱放氣活門排氣，也只能排除比12-22%多余的空氣，所以有資料介紹閉式油箱的系統(tǒng)含空氣量超過30%。
鑒于此，采用閉式油箱的液壓系統(tǒng)，除應(yīng)設(shè)置排氣活門以外，還必須采用地面凈化裝置，定期連網(wǎng)凈化，地面凈化裝置的油箱通大氣，才能將系統(tǒng)的含氣量排除到小于10%進(jìn)而達(dá)到6%的含量。
4.2 污染控制工藝要求
一個良好的污染控制設(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。杜絕系統(tǒng)先天污染完全取決于工藝過程的保證。
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(yán)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(yán)格的清洗，先在清洗試驗臺上進(jìn)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(dá)到要求的污染度指標(biāo)。
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(yán)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(biāo)，油液污染度檢測手段是必須的；當(dāng)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。
4.3 污染控制使用維護(hù)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(hù)水平，則該種機械也不會發(fā)揮出自己的應(yīng)有水平，維護(hù)水平包括兩個方面，一是人員素質(zhì)，是指維護(hù)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(hù)中應(yīng)注意哪些內(nèi)容都應(yīng)有清楚的認(rèn)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(dá)到凈化水平的要求。
4.3.1 維護(hù)設(shè)備
系統(tǒng)的加油、清洗和調(diào)試，常常與其他維護(hù)設(shè)備相連接，這些維護(hù)設(shè)備如果不進(jìn)行污染控制，必然帶入系統(tǒng)。為防止維護(hù)設(shè)備污染系統(tǒng)，目前各國都要求維護(hù)設(shè)備的污染度水平低于系統(tǒng)的污染度水平至少一級。
4.3.2 各種附件試驗臺
系統(tǒng)中的各種元件故障后返廠修理，修理后必經(jīng)性能試驗臺測試，即使裝配前有良好的清洗工序，而試驗臺達(dá)不到污染控制等級要求，也同樣在試驗后有許多污染物進(jìn)入元件，裝機后對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。這就是為什么有的元件剛剛返修幾天就又出故障的原因。
4.3.3 維修和加油
在系統(tǒng)維修和更換元件時，系統(tǒng)要排油、元件拆下來、換上新元件、再注入新油，這一過程有許多機會把污染物帶入系統(tǒng)中，例如元件拆卸后，管路端頭保護(hù)不好，甚至不保護(hù)，這時雨水、砂塵等許多污染物會進(jìn)入系統(tǒng)。
由于當(dāng)前液壓油的標(biāo)準(zhǔn)中大多沒有污染度指標(biāo)要求，所以出廠的液壓油污染度都比較嚴(yán)重，不要認(rèn)為新油就是清潔的，所以，向系統(tǒng)加入的液壓油，必須先經(jīng)過凈化，達(dá)到符合加油標(biāo)準(zhǔn)時才可以加到系統(tǒng)中去。
4.3.4 提高使用維護(hù)人員的技術(shù)素質(zhì)
提高使用維護(hù)人員的素質(zhì)是至關(guān)重要的，是減少污染物侵入系統(tǒng)的重要因素；使用人員必須經(jīng)過培訓(xùn)，懂得污染控制對 安全工作和延長設(shè)備壽命的重要性，否則任何機械都是在大自然環(huán)境中，尤其是行走機械，風(fēng)、砂、雨、雪都無法避免，必須依靠提高使用人員的素質(zhì)，在不同的環(huán)境條件下，發(fā)揮主觀能動性，采取可能的措施，防止污染物侵入，保護(hù)系統(tǒng)清潔。
5. 系統(tǒng)的凈化
5.1固體顆粒的凈化，最常用的方法是過濾凈化，采用不同的濾材制成濾油器或，單獨安裝于系統(tǒng)上或以過濾器為主要元件制作成大型的凈化裝置。
5.1.1 濾油器的選擇
不同污染度等級要求的系統(tǒng)，應(yīng)選擇不同參數(shù)的濾油器，選擇濾油器時應(yīng)考慮油液粘度、使用環(huán)境、工作條件等因素，原則上過濾精度越高可保持系統(tǒng)污染度越低，納污容量越大保持的時間可越長。防止旁通閥頻繁開啟，旁通閥開啟壓力不應(yīng)太小。建議濾油器的精度如下表
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污染度等級
NAS1638（級）
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深度型濾油器絕對
過濾, 精度（μm）
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6-7
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＜5
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8-9
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＜7
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10-11
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＜10
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5.1.2 凈油機的選擇
只憑在系統(tǒng)中設(shè)置的濾油器是不能完全滿足系統(tǒng)的污染度要求的，一是各種系統(tǒng)使用條件差別較大，污染生成率不同，維修次數(shù)不同等多種因素，必須依據(jù)污染度檢測結(jié)果對系統(tǒng)采用補充凈化。
分幾種情況：行走機械的液壓系統(tǒng)可實行地面定期凈化，固定設(shè)備的液壓系統(tǒng)可同時采用濾油器和凈化裝置，尤其是大型設(shè)備，有集中泵站的系統(tǒng)，采用為油箱專門設(shè)置的旁路凈化裝置與系統(tǒng)上的濾油器并存凈化效果會更好。
現(xiàn)行的凈化裝置主要有以下各種：
a. 濾油機
以濾油器為核心元件的凈化設(shè)備，這是社會上普遍使用的，以其小巧玲瓏、價格低廉、使用方便等優(yōu)點多年來占據(jù)了凈油設(shè)備的統(tǒng)治地位。隨著污染物檢測手段的不斷提高，各種類型高精度濾材也不斷涌現(xiàn)，目前，過濾精度已到5μm、3μm甚至有0.5μm的。在濾油機上也有采用分級過濾再加大過濾面積的大型濾油機，也可以取得較好的凈化效果。但是，對于地面維護(hù)設(shè)備，他的缺點在使用維護(hù)中卻逐漸被暴露出來：
（1）不能濾除系統(tǒng)中的水份和空氣，只能凈化固體污染物；
（2）深度型濾油器無法清洗重復(fù)使用，隨著使用時間的增長，過濾比逐漸降低，直到過濾效率＜1，必須隨時更換濾芯，需大量備件。
（3）表面型濾油器雖可重復(fù)使用，但精度低，無法達(dá)到10μm以下的過濾精度，且納污量小。
（4）濾油器是以堵截污染物為主要凈化手段，當(dāng)被堵截的污染物增多以后還會隨液流的沖擊，又從網(wǎng)孔中釋放到下游，最后出現(xiàn)截獲的與釋放的污物相等的局面，此時就失去過濾能力了，而且由于污染報警裝置的精度很低，過濾能力的尺度很難掌握，造成很長時間凈化也難以達(dá)到要求。
（5）關(guān)于旁通閥的開啟問題 旁通閥本是為保護(hù)濾芯骨架不被壓扁而設(shè)置的，但是當(dāng)旁通閥開啟之時，就出現(xiàn)大量污物涌進(jìn)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)重大污染。一般旁通閥開啟壓力是在25~30℃條件下以32號滑油為標(biāo)準(zhǔn)制定的，而實際使用的油液除航空液壓油粘度較小以外，多數(shù)為46號以上，在北方冬天低溫條件下使用，對于沒有濾芯壓扁壓力指標(biāo)的油濾完全可能出現(xiàn)油濾旁通閥頻頻開啟，造成系統(tǒng)頻發(fā)故障，失去過濾效果。
（6）凈油機的自生污染 該類型凈油機為維持油液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，必須采用油泵作為動力源，無論選用哪種油泵，都會有自生污染，尤其是當(dāng)油泵進(jìn)口油液的污染度超過NAS1638 10級以上，油泵的自生污染也非常嚴(yán)重，這也加重了作為凈化核心元件的濾油器的負(fù)荷，縮短了濾油器的壽命。
以濾油器為凈化元件的濾油機，存在著上述這些缺點，導(dǎo)致使用一段時間以后，過濾效率越來越低，已逐漸被多功能的凈油機所代替。
b. 離心分離凈油機 該種凈油機是利用離心分離技術(shù)將固體顆粒和游離水從油液中分離出去的設(shè)備。它是利用油液高速旋轉(zhuǎn)，使大于油液密度的固體顆粒和游離水產(chǎn)生更大的離心力，可從油液中被分離出去的原理而研制的。俄羅斯TECAP公司推出的COг－913系列產(chǎn)品就屬于此種類型，可凈化各種石油基潤滑油、液壓油、柴油以及植物油等，還有防爆型可凈化柴油和煤油的。對于固體污染物凈化性能優(yōu)良，一次通過可除去絕大多數(shù)5μm以上微粒，據(jù)介紹清潔度可達(dá)ГOCT17216 5級。
該凈油機已經(jīng)比濾網(wǎng)式凈油機有較大的進(jìn)步，不但可以除污物也可以排除游離水；但是該凈油機也有著一定的缺點，它無法排除油中溶解的空氣和溶解的水，使用中也存在著內(nèi)壓升高后必須停機排氣的要求，為使用帶來不便。
5.2 水和空氣的凈化
5.2.1真空濾網(wǎng)式過濾凈油機 為增加除水、除氣功能，它是在濾網(wǎng)過濾基礎(chǔ)上增加真空室，使油液流過時不斷將油中的水蒸發(fā)后和空氣一起排除，該種凈油機實現(xiàn)了固、液、氣三態(tài)污染物的凈化。美國波爾公司的HSP凈油機就屬于這種類型，除效率較低以外濾油器存在的缺點，如經(jīng)常更換備件以及可能為系統(tǒng)帶來的二次污染問題仍然是它的短處。
5.2.2采用GHP離心真空復(fù)合式凈油機，是集除污、除水、除氣功能于一身的高效能凈化裝置，利用離心分離原理，將大于油液密度的金屬和非金屬顆粒及水分分離出去，同時也能將游離空氣與油液分開而排除；此外，對于溶解于油中的水和空氣，是利用高速離心旋轉(zhuǎn)運動時自然產(chǎn)生負(fù)壓的特性，將超過-0.08MPa壓力時飽和溶解量的水和空氣，從油液中自然析出，在排氣裝置的作用下，排除機器外。
該凈油機清除固體污染物的能力可到NAS1638 5級，除水可小于100ppm，除氣可到4%。而且對大含水量的油液可以實現(xiàn)連續(xù)排水的功能，是目前最為理想的油液凈化裝置。
6 污染物的檢測
為監(jiān)控油液的污染度水平，必須定期檢測，而液壓油中污染物數(shù)量多少，即油液污染度等級的鑒定，必須用相應(yīng)的儀器設(shè)備，不能用目測，因為對系統(tǒng)破壞最為嚴(yán)重的顆粒尺寸是5~15μm。人們的眼睛只能看到大于40μm尺寸的顆粒，所以即使是NAS1638 12級的油樣，用目測也絕對是清潔的?？床坏饺魏挝廴疚?。目前常用的固體污染度等級檢測方法和污染物種類及含量的檢測方法，主要如下：
6.1 顯微鏡記數(shù)法
用來測量油液的污染度等級，各國都有自己的顯微鏡記數(shù)方法，但大同小異，基本原理如下：用100ml的液樣，用孔徑按國標(biāo)GB/T20082-2006的規(guī)定為2μm(c)的濾膜過濾，過濾后將濾膜烘干，放在顯微鏡下統(tǒng)計濃度有代表性的一部分面積不同尺寸范圍內(nèi)的顆粒數(shù)。再換算成總面積，計算出各種不同尺寸段各有多少個顆粒數(shù)。查表對應(yīng)是那一個污染度等級。
此種方法，簡單易行，價格低廉，但小顆粒尺寸的數(shù)量精度稍差。
6.2 自動顆粒計數(shù)法
是一種先進(jìn)的檢測設(shè)備，世界已經(jīng)有許多種類，我國也引進(jìn)不少消光法或遮光法原理的自動顆粒計數(shù)器。它是由 一個光源產(chǎn)生一束聚焦的光線，光線通過被測液流后照射到光電管上，由光電管將光能轉(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)液流中有污染顆粒，則電信號變化，電信號強弱與污染顆粒尺寸成正比，再記錄通過的脈沖信號數(shù)量，直接通過計算機給出檢測結(jié)果。該記數(shù)器的特點是整個分析過程完全自動化，操作方便，節(jié)省時間，消除人為因素，價格較高，精度在10%~20%。該記錄儀，有臺式和在線式；臺式用于試驗室分析，要求條件更嚴(yán)格，測試結(jié)果也更準(zhǔn)確；在線檢測儀直接聯(lián)在系統(tǒng)上用于現(xiàn)場實地檢測，應(yīng)用方便，可連續(xù)記錄。生產(chǎn)廠主要有美國：太平洋、頗爾、派克公司等，德國：克勞斯、帕瑪思、賀德克公司等。
6.3 顯微鏡對比法
該種方法是一種近似的測試方法，采用對比顯微鏡，有一個目鏡，兩個物鏡，其中一個物鏡放標(biāo)準(zhǔn)樣片，樣片上有5~12級不同污染度等級的典型樣件，另一個物鏡上放取樣烘干的濾膜。同一個目鏡同時顯示樣件和濾膜兩種視場，可對比濾膜的污染度和標(biāo)準(zhǔn)樣件的污染度，確定為那個污染度等級。該種方法用于生產(chǎn)現(xiàn)場比較方便。與自動顆粒計數(shù)法測試結(jié)果，誤差不超過1級。
6.4 光譜分析儀
用于分析污染物所含元素，判斷污染物來源，分析污染物產(chǎn)生原因，常用的主要有流體發(fā)射光譜或流體吸收光譜，將測出光譜與標(biāo)準(zhǔn)分析曲線對比，確定屬那種元素及含量多少。
7. 污染控制技術(shù)的普及和推廣
油液的污染已成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要障礙，世界各國已逐漸認(rèn)識到油液污染控制是延長機械壽命、減少故障、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境最有效手段之一。先進(jìn)國家都大力開展油液污染控制技術(shù)的研究，包括污染機理，摩擦副，油液凈化手段，各種檢測手段，濾材研究以及各項標(biāo)準(zhǔn)的編制與實施等等，已構(gòu)成一門獨立的學(xué)科。
國外的許多資料介紹，污染度降低一級，設(shè)備壽命延長一倍，如果我們能將我國機械設(shè)備由目前絕大多數(shù)超過NAS1638 12級降低到8級，理論上壽命延長16倍，即使是2倍，如此龐大的中國，它的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是無法估量的。僅以2005年國內(nèi)滑油用量為300萬噸計，當(dāng)壽命延長一倍，以每公斤20元計，就是節(jié)約600億，而這僅僅是一小部分，對于減少故障、提高勞動生產(chǎn)率和延長設(shè)備使用壽命的價值，簡直是驚人的。
而有如此重大意義的新興學(xué)科，在我國尚未被普遍重視，許多部門對此，知之甚少，這是應(yīng)急待解決的。
7.1 加強宣傳，提高認(rèn)識
目前我國只有軍用航空和航天的液壓系統(tǒng)，以及冶金行業(yè)的各別項目提出污染度等級控制要求，大部分行業(yè)是憑目測，沒有等級概念，有些進(jìn)口設(shè)備換油，也是按照人家要求，規(guī)定時間換油，對于為什么換油，那些指標(biāo)不合格換油都不是很清楚。資源的浪費與先進(jìn)國家相比是驚人的。
幾年前遇到這樣一件事，中國民航機使用的液壓泵，規(guī)定壽命是8000~10000小時，而我們實際使用只有3000~4000小時，個別達(dá)到5000小時，問其污染度等級，技術(shù)科長回答“不知道，我們只是每隔1000小時換一次濾芯“，象這樣的部門都不懂油液的污染度等級控制，可見一斑。
a. 首先是提高國家上層機關(guān)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)識 一門技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展離不開上層的組織與安排，比方說，濾材的研究，污染度檢測設(shè)備的研制、光譜分析設(shè)備的研制、摩擦機理的研究，我國幾乎是空白，大都是買國外的，甚至全部標(biāo)準(zhǔn)都是照搬國外的。有這樣重大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的一個新興的學(xué)科，在上報有關(guān)科技成果時，竟然找不到它是屬于哪一學(xué)科，在機械工程類的63個學(xué)科中找不到類似于“油液的污染控制”這一學(xué)科，對于節(jié)省資源、節(jié)約能源、建立環(huán)境友好型社會如此重要的技術(shù)領(lǐng)域，無論如何也應(yīng)有一席之地。
b.提高企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的認(rèn)識 貫徹油液污染控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，都需要投資，改造環(huán)境，添置設(shè)備，甚至增加些編制。如果不認(rèn)識它的重要性，必然省了眼前的投資而舍掉了長期的巨大經(jīng)濟(jì)效益，只有領(lǐng)導(dǎo)重視，才能為凈化技術(shù)的研發(fā)開辟一片新天地。
c. 提高企業(yè)技術(shù)隊伍素質(zhì) 具體工作人員是推廣新技術(shù)的主力軍，一個新技術(shù)的出現(xiàn)，都出自于能刻苦鉆研的技術(shù)隊伍中，所以各層技術(shù)人員的培養(yǎng)，是全方位開展污染控制技術(shù)的關(guān)鍵因素。
7.2 強化管理，制定標(biāo)準(zhǔn)，政府介入
7.2.1 全方位開展污染控制，涉及到許多技術(shù)領(lǐng)域，比方說，高性能濾材的研制，包括：紡織纖維、造紙業(yè)、合成纖維、有機玻璃纖維，金屬纖維編織網(wǎng)，金屬纖維燒結(jié)氈，多孔性粉末冶金濾材等等；檢測裝置的研制和普及應(yīng)用，包括：各種光電技術(shù)的自動顆粒計數(shù)器，水含量檢測儀，空氣含量檢測儀，光譜分析儀等等，都是屬于許多不同的技術(shù)領(lǐng)域，只憑機械行業(yè)的從業(yè)人員是無論如何也推不動的，目前許多技術(shù)都是購買國外的，但是要真正的強大起來，必須有自己配套的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，這些必須由政府的有關(guān)權(quán)力部門統(tǒng)籌兼顧，引導(dǎo)發(fā)展才有可能。
7.2.2關(guān)于污染控制標(biāo)準(zhǔn) 目前已制定了不少相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，但多是輔助標(biāo)準(zhǔn)，例如，主要是有關(guān)過濾器生產(chǎn)、污染度檢測、污染度分級、清洗方法等方面，只是缺少系統(tǒng)和元件的污染度驗收和控制等級的標(biāo)準(zhǔn)，沒有等級要求，就是沒有要求；怎么生產(chǎn)都合格；只有規(guī)定嚴(yán)格的出廠驗收污染度等級，才能有效的推動污染控制技術(shù)的發(fā)展。
2006年全國液標(biāo)委組織制定了《液壓系統(tǒng)總成 清潔度檢驗》GB/Z20423-2006，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了取樣方法、檢測設(shè)備、檢測步驟、報告形式，就是沒有驗收等級；該文件的驗收等級是這樣規(guī)定的：“當(dāng)液壓系統(tǒng)總成出廠時，其油液污染度等級等于或低于供方和買方已達(dá)成一致的要求，則該系統(tǒng)的清潔度合格”。這就是說，當(dāng)買方?jīng)]有提出等級要求，也不會有如此強有力的買方能左右供方的生產(chǎn)狀態(tài)，則該標(biāo)準(zhǔn)對供方就是一紙空文，甚至可能根本就不知道還有這個標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前我們還沒見到美國有污染度驗收的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是西方的廠家在企業(yè)規(guī)范中大多有污染度等級要求。從進(jìn)口設(shè)備的要求中可以見到，要么保證污染度符合幾級，要么定期換油。依據(jù)中國的國情我們希望見到有約束力的國家標(biāo)準(zhǔn)盡早出臺，不能等待外國有我們再有。
航空工業(yè)在1992年就制定了《飛機Ⅰ、Ⅱ型液壓系統(tǒng)污染度驗收水平和控制水平》HB6639-92和《飛機Ⅰ、Ⅱ型液壓系統(tǒng)重要附件污染度驗收水平》HB6649-92，五年以后又晉升為國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3058-97和GJB3059-97。在貫徹這兩項標(biāo)準(zhǔn)之前，普查國內(nèi)三個機種八架飛機結(jié)果均是NAS1638 12級，而在貫徹標(biāo)準(zhǔn)之后至今一般均不超過9級，說明執(zhí)行強制性標(biāo)準(zhǔn)在航空工業(yè)已取得顯著效果。
機械工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)使用規(guī)范》JB/T10607-2006，推薦了不同系統(tǒng)和元件使用油液的污染度等級。該標(biāo)準(zhǔn)比較詳細(xì)闡述各方面要求，只是有個別指標(biāo)我們認(rèn)為偏高，NAS1638 4級，從目前的技術(shù)水平看很難實現(xiàn)，即使是經(jīng)長時間凈化達(dá)到4級，也很難維持。當(dāng)然該標(biāo)準(zhǔn)仍是推薦指標(biāo)，并不是強制要求。
在國內(nèi)經(jīng)過20多年的經(jīng)驗積累，我們認(rèn)為制定國家標(biāo)準(zhǔn)條件已經(jīng)成熟，我們希望在總結(jié)國內(nèi)各方經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，盡快制定出有約束力的國家標(biāo)準(zhǔn)。
7.2.3政府介入 必不可少 即使有了很好的標(biāo)準(zhǔn)，沒有外在的推動力，也很難向全社會推廣；降低液壓系統(tǒng)污染度指標(biāo)，是需要費力氣的事，要求改造環(huán)境，添置設(shè)備，甚至需增加編制，廠家是要花錢的。首先污染度指標(biāo)要求應(yīng)進(jìn)入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JB/T10607-2006也是有約束力的文件，在質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的監(jiān)督下，將污染控制等級要求進(jìn)入正常生產(chǎn)程序，闖過這一關(guān)才能開辟出節(jié)省資源、節(jié)約能源、提高勞動生產(chǎn)率的一片新天地！謝謝！
此文關(guān)鍵詞：凈油機,凈油機生產(chǎn)廠家,濾油機生產(chǎn)廠家
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