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液壓系統(tǒng)污染的分析與控制
Analysis of Contamination and Countermeasure of Hydraulic System
摘 要:對(duì)產(chǎn)生液壓系統(tǒng)污染的種類、 原因及影響進(jìn)行分析 ,進(jìn)而找出影響因素及控制污染的措施。
Abstract: This paper analyzes the type, reason and impact hydraulic system pollution and also proposes relevant factors as well as measures to control pollution.
關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng);污染;液壓油
Key words: hydraulic system; pollution; hydraulic oil
液壓系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中 ,一個(gè)液壓系統(tǒng)能否正常地工作 ,除系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 元件制造和維護(hù)外 ,油的清潔度是十分重要的因素。油液的污染將會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作和使元件過(guò)度的磨損 ,甚至?xí)斐稍O(shè)備事故。液壓油對(duì)液壓設(shè)備猶如血液對(duì)于生命 ,清潔的液壓油在機(jī)械內(nèi)循環(huán)流動(dòng)是保證設(shè)備正常運(yùn)行和潤(rùn)滑的重要條件。有關(guān)資料表明 ,現(xiàn)場(chǎng) 70 %～80 %液壓系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定和出現(xiàn)故障都與液壓油污染有關(guān)。
1. 液壓系統(tǒng)污染的種類與產(chǎn)生污染的原因
液壓系統(tǒng)污染主要是液壓油被污染,即指液壓油中含有水、 空氣、 固體顆粒、 化學(xué)物質(zhì)和微生物等雜物 ,另外油溫的變化導(dǎo)致油的變質(zhì)也是一種污染。
按系統(tǒng)劃分 ,污染大致可分為原有污染物、 侵入污染物和生成污染物3種。
1) 原有污染物是指潛藏在元件和管道內(nèi)的污染物。主要是系統(tǒng)元件、 組合件在加工、 裝配、 包裝、 儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中殘留的污染物 ,如金屬切屑、 氧化皮、焊渣、 型砂及塵埃等;
2) 侵入污染物是指外界侵入的污染物。如油箱呼吸口密封性差、 液壓缸的活塞桿表面未設(shè)置防塵圈 ,引起外界的污染物侵入;還有如維修過(guò)程中不注意清潔 ,將環(huán)境周圍的雜物帶入油箱和管道內(nèi);另外 ,忽視油液的過(guò)濾 ,從而把污染物帶入;以粗代細(xì)、 甚至不用過(guò)濾器、 過(guò)濾器幾年不清洗、 濾網(wǎng)不經(jīng)常清洗、 換油或補(bǔ)油時(shí)不重視油的過(guò)濾、 臟的油桶未經(jīng)嚴(yán)格清洗就拿來(lái)用 ,從而把污染物帶入;
3) 內(nèi)部生成污染物指工作期間所產(chǎn)生的污染物。系統(tǒng)在組裝、 運(yùn)行、 調(diào)試過(guò)程中元件磨損所產(chǎn)生的金屬磨耗物 ,管道內(nèi)銹蝕剝落物 ,密封件磨耗物和碎片 ,以及油液氧化變質(zhì)生成沉淀物和膠質(zhì)。油中的水使金屬腐蝕形成水銹等。
2. 污染對(duì)液壓系統(tǒng)的影響
在液壓系統(tǒng)的各類污染物中 ,固體顆粒最常見(jiàn)且危害最大。有關(guān)資料表明 ,在污染引發(fā)的液壓系統(tǒng)故障中 ,除了30 %源于腐蝕外 ,其余 70 %都是由于固體顆粒存在造成液壓元件表面機(jī)械磨損。固體顆粒不僅加快液壓元件磨損 ,而且會(huì)堵塞元件的間隙和孔口 ,使控制元件動(dòng)作失靈而引起系統(tǒng)失效。系統(tǒng)失效主要有3種模式:即突然失效、 退化失效、 瞬時(shí)失效。突然失效主要是進(jìn)入元件的大顆粒污染物 (一般超過(guò) 100μm)造成的 ,它通過(guò)妨礙元件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)直至元件卡死來(lái)造成損壞。退化失效是由滲入運(yùn)動(dòng)間隙的小顆粒引起的 ,其特點(diǎn)是系統(tǒng)性能逐漸降低 ,顆粒破壞了潤(rùn)滑油膜 ,并與元件表面相作用 ,通過(guò)輕微形式的疲勞造成磨損 ,直到情況嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生磨粒磨損。研究表明 ,當(dāng)污染等級(jí)高時(shí) ,系統(tǒng)工作不到 100 h 就會(huì)失效 ,而在特別清潔的情況下 ,系統(tǒng)工作 10000 h 性能才會(huì)適度降低。瞬時(shí)失效是顆粒瞬間干擾元件性能所致。另外 ,固體顆粒還起著催化劑的作用。并促使油液氧化導(dǎo)致其性能下降。由于固體顆粒的存在還增加了油液的熱容量 ,所以還將影響到周圍傳遞熱的能力。
除了固體顆粒外 ,液壓油中的氣泡或泡沫是一種無(wú)形的污染物。它可以使油液本身的剛度減小 ,容積效率減小或可靠性降低 ,油中的氣泡瞬時(shí)壓縮還會(huì)使氣泡溫度急劇升高 ,加速油液的氧化、 降低油的潤(rùn)滑性和加速密封件的老化。據(jù)報(bào)道 ,到達(dá)允許溫度上限后 ,每超過(guò)10 ℃ 則液壓油的氧化速度加快 1 倍 ,易形成不溶解的泥垢狀沉淀物 ,這種沉淀物會(huì)堵塞濾網(wǎng)和液壓閥的孔及通道;另一方面又使油液氣化、 水分蒸發(fā) ,液壓元件因此而受穴蝕破壞。液壓油的堵塞和氣化 ,使油流不暢 ,致使熱量不能及時(shí)帶走、 散發(fā) ,這反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步加劇了油液的溫升 ,造成了惡性循環(huán) ,最終導(dǎo)致故障。
油液污染會(huì)使系統(tǒng)工作不正常 ,常出故障 ,元件磨損加快 ,壽命縮短直至損壞。具體危害如下:
①污染物會(huì)加速泵的運(yùn)動(dòng)零件的磨損 ,導(dǎo)致液壓裝置內(nèi)泄漏增加 ,造成泵的容積效率降低 ,機(jī)械效率降低 ,元件壽命縮短 ,動(dòng)力利用率低下 ,最后導(dǎo)致執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)減慢;
②污染物會(huì)使閥的滑動(dòng)零件被磨損 ,控制閥磨損 ,則導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位精度差 ,泄漏增加 ,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱。污染物沉淀使滑閥粘結(jié) ,從而導(dǎo)致電磁線圈失效 ,閥芯粘結(jié)可能產(chǎn)生大的沖擊負(fù)載 ,進(jìn)而損壞軟管、 管件、 接頭以及其他部件;
③污染物會(huì)使節(jié)流口和壓力閥的阻尼孔時(shí)堵時(shí)通 ,引起系統(tǒng)工作壓力和速度不穩(wěn)定、 動(dòng)作不靈敏;
④污染物會(huì)加速密封件的損壞和缸筒或活塞桿負(fù)載能力降低 ,還會(huì)使缸的緩沖失靈;
⑤污染物會(huì)把濾網(wǎng)堵死 ,使泵吸油困難而吸入空氣產(chǎn)生噪聲、 并使泵發(fā)熱;
⑥污染物會(huì)把閥芯卡住 ,使閥動(dòng)作失靈 ,造成事故;
⑦油液混入水分使油變質(zhì) ,這不僅腐蝕機(jī)件和影響聚氨脂橡膠密封件的性能 ,同時(shí) ,由于油膜變化會(huì)使工作臺(tái)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生 “爬行” 。
3. 簡(jiǎn)易測(cè)定液壓油污染變質(zhì)的方法
在科研單位或?qū)嶒?yàn)室里，檢測(cè)油液污染變質(zhì)又很多科學(xué)可靠的方法。例如定性、定量分析法；過(guò)濾稱重法；顆粒計(jì)數(shù)法等。但是有些施工現(xiàn)場(chǎng)不具備這樣的檢測(cè)條件，只能憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)評(píng)定，或采用個(gè)寫(xiě)簡(jiǎn)易方法測(cè)評(píng)油液的污染程度，并據(jù)此決定是否更換液壓油。
1）對(duì)固體和液體污染物的測(cè)定。常采用如下簡(jiǎn)易方法：
①類比法
取系統(tǒng)中的油液與純凈新油作比較，通過(guò)“一看，二聞，三摸“來(lái)估測(cè)油液的污染程度。
一看，即看液壓油的顏色變化。凡變淡或變成乳白色，說(shuō)明液壓油已混入了空氣、水或其他液體；變黑色，說(shuō)明油液已反應(yīng)變質(zhì)，生成瀝青類雜質(zhì)；又沉淀物，且沉淀物中有小黑點(diǎn)或亮點(diǎn)，說(shuō)明混入了金屬磨屑或粉塵等固體顆粒。
二聞，即聞?dòng)鸵旱臍馕丁Ｈ缬挟愇?，說(shuō)明油液已氧化變質(zhì)。
三摸，即用手指沾油液摩擦，感覺(jué)粘性差，潤(rùn)滑感差，可能混入了水或液壓油已經(jīng)變質(zhì)失效。
②濾紙測(cè)定法
去系統(tǒng)中油液少許，滴在240目的濾紙上，數(shù)分鐘后觀察濾紙上的痕跡。凡油滴有分布的暗色中心，外圈清晰，說(shuō)明油液污染嚴(yán)重，應(yīng)換油。
2）對(duì)空氣污染的測(cè)定
一般采用經(jīng)驗(yàn)識(shí)別法來(lái)估測(cè)空氣含量是否過(guò)量。地昂機(jī)械出現(xiàn)如下現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)視為空氣含量過(guò)量：
①液壓泵出現(xiàn)不正常的噪聲。
②當(dāng)外載變化時(shí)，液壓泵或安全閥偶爾發(fā)生異響，同時(shí)工作記過(guò)出現(xiàn)爬行或抖動(dòng)。
③油液透明度降低，回油管口處有大量氣泡。
④油液乳化變色。
4. 控制污染的措施
有效地控制液壓系統(tǒng)中的污染物侵入和污染物生成是污染控制關(guān)鍵所在,如何防止 ,有以下措施:
1) 合理設(shè)置過(guò)濾器
要根據(jù)系統(tǒng)和元件的不同要求 ,分別在泵的吸油口、 壓力管路、 泵的吸油管路、 回油管路、 伺服閥或調(diào)速閥的進(jìn)油口等處 ,按照要求的過(guò)濾精度 ,設(shè)置過(guò)濾器 ,選用過(guò)濾器時(shí)還要考慮納垢容量。在精度相同的情況下 ,應(yīng)盡量選用濾油面積大的過(guò)濾器。這樣可減少過(guò)濾器濾芯更換次數(shù)和降低外界污染物的侵入概率。在需要時(shí) ,還可增設(shè)外循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)(此時(shí)βn 可選用大些) ,從而使系統(tǒng)的污染物控制等級(jí)得到提高;
2) 合理設(shè)計(jì)油箱
油箱內(nèi)部應(yīng)裝設(shè)濾網(wǎng)式隔板 ,油箱蓋要封閉嚴(yán)密 ,在油箱的注油口應(yīng)設(shè)置空氣濾清器 ,油箱蓋上部安裝的元件或管接頭若有外泄油 ,不應(yīng)讓這些外泄油回入油箱內(nèi)使用 ,而應(yīng)將廢油引出處理 ,并及時(shí)排除外泄漏;
3) 嚴(yán)格控制工作油的溫度
在沒(méi)有特定要求的情況下 ,可優(yōu)先考慮選用體積式調(diào)速回路 ,此種調(diào)速回路溫升小、 效率高;用擴(kuò)大油箱容量和通風(fēng)自然冷卻來(lái)緩解油溫的升高;另外還可采用雙油箱結(jié)構(gòu)方案 ,以實(shí)現(xiàn)不同溫升情況下的油溫調(diào)節(jié);當(dāng)系統(tǒng)功率損失較大 ,發(fā)熱量大而結(jié)構(gòu)又不允許有較大的油箱容量情況下 ,可采用冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻;
4) 加強(qiáng)液壓系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和管理
①定期清洗濾芯、 油箱、 管道和元件內(nèi)部的污垢 ,定期更換濾網(wǎng)、 油箱。建立液壓系統(tǒng)一級(jí)保養(yǎng)制度;
②通過(guò)檢驗(yàn)油質(zhì)來(lái)確定是否應(yīng)該換油。因?yàn)椴煌簤河偷氖褂脡勖煌?,同一種液壓油在不同的設(shè)備、 不同的環(huán)境、 不同的維護(hù)條件下 ,使用期限相差很大。常用來(lái)檢測(cè)液壓油污染度的方法有以下幾種:鐵譜分析法(此方法無(wú)法檢測(cè)非磁性污染物) 、 光譜分析法(此法不能分析大于 5μm的顆粒) 、 重量分析法(此方法無(wú)法核查污染顆粒的尺寸大小及分布) 、 顯微鏡計(jì)數(shù)法(可定性地比較固體污染物的尺寸大小及分布) 、自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法(可以直接讀出顆粒的大小和分布) 。前面這些方法在某些場(chǎng)合 ,如野外和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)就受到限制 ,這些場(chǎng)合可使用便攜式污染測(cè)量?jī)x來(lái)檢測(cè)。如DCA數(shù)顯式污染報(bào)警儀、 CM20 測(cè)試儀、 KLOTZ污染檢測(cè)儀、 PFC200 顆粒計(jì)數(shù)器、 PCM100 污染度檢測(cè)儀。若沒(méi)有這些儀器 ,則可采用目測(cè)法和比色法。目測(cè)法就是通過(guò)看油液的顏色、 嗅油液的味道、 摸油液的光滑度來(lái)估測(cè)液壓油的污染程度。比色法是指將一定體積油樣中的污染物用濾紙過(guò)濾出來(lái) ,然后根據(jù)濾紙顏色來(lái)判斷介質(zhì)污染程度。具體方法:取同數(shù)量使用油和同號(hào)純油各少許 ,分別滴在濾紙上 ,過(guò)一定時(shí)間后 ,比較兩種濾紙的顏色 ,從而確定油液污染程度和確定是否換油。
③加強(qiáng)油品管理。為保證出庫(kù)油品的質(zhì)量 ,必須定期對(duì)庫(kù)存油料進(jìn)行取樣化驗(yàn)。新油入庫(kù)時(shí)應(yīng)化驗(yàn) ,不合格的油品不準(zhǔn)入庫(kù);油應(yīng)妥善保管;建立液壓設(shè)備“用油卡” ;油液轉(zhuǎn)筒或注入時(shí)應(yīng)過(guò)濾;并注意油桶、 注油口、 漏斗口等容器的清潔。
5) 設(shè)計(jì)液壓油污染狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)
①對(duì)于過(guò)濾精度要求較高的液壓系統(tǒng) ,可使用帶堵塞指示信號(hào)的過(guò)濾器;
②大型液壓設(shè)備或自動(dòng)線的回油系統(tǒng)可在總回油管路的回油過(guò)濾器前安裝一個(gè)壓力傳感器 ,也可在獨(dú)立過(guò)濾系統(tǒng)中加一個(gè)壓力傳感器 ,由壓力傳感器檢測(cè)油液流動(dòng)和污染情況。
5. 結(jié)束語(yǔ)
總之,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上應(yīng)完善污染控制系統(tǒng) ,在制造安裝時(shí)加強(qiáng)工藝控制 ,如對(duì)液壓元件和油路進(jìn)行嚴(yán)格的清洗 ,對(duì)油箱內(nèi)表面進(jìn)行除銹拋光 ,刷涂防銹漆進(jìn)行防銹處理 ,這樣可減少系統(tǒng)被污染的機(jī)會(huì)。
產(chǎn)生液壓油污染的原因有很多 ,液壓系統(tǒng)被污染后的影響也很大。液壓油在使用過(guò)程中又在不斷產(chǎn)生污染物 ,所以徹底解決液壓油污染問(wèn)題是不可能的 ,但通過(guò)采取一些確實(shí)可行的方法可控制液壓油污染 ,使液壓油的清潔度保持在一定的等級(jí)內(nèi)是可行的 ,從而能保證液壓系統(tǒng)正常工作 ,減小設(shè)備故障率 ,延長(zhǎng)液壓元件的使用壽命。
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