液压系统污染控制技术培训教材Word文件下载.docx
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只有充分有效的做好液压系统的污染控制工作，才能保证系统的可靠的运行。
尤其在当前高压、大流量、大功率、高精度、高可靠性、自动控制、集成化、节能降噪、低成本是已经成为液压系统的发展趋势。
但由于大量污染物的存在，影响了液压系统的可靠运行，所以液压系统的污染控制显得尤为迫切和重要。
1.液压系统简述
液压系统一般由动力元件、控制元件、执行元件、液压介质和辅助元件组成。
动力元件将电动机或内燃机所输出的机械能转化为液压介质的液压能；
控制元件对液压介质的压力、流量和方向进行控制；
执行元件将液压能再转变为机械能，驱动负载实现需要的运动；
液压介质是能量转化、传递和控制的媒体；
辅助元件为实现液压系统热量平衡、污染平衡、能量储存与释放、介质流通与密封等功能而使用的元件，使液压系统能够正常、安全、可靠地工作。
液压系统各组成部分及其作用见表1-1。
表1-1液压系统组成部分及其作用
类别
元件
作用
动力元件
齿轮泵
将电动机或内燃机提供的机械能转换为液压能，
输出一定压力和流量的液压介质
叶片泵
柱塞泵
执行元件
液压缸
将液压能转变为机械能，带动负载作直线运动
液压马达
将液压能转变为机械能，带动负载作旋转运动
摆动马达
将液压能转变为机械能，带动负载作往复摆动
控制元件
压力控制阀
控制液压介质的压力
流量控制阀
控制液压介质的流量
方向控制阀
控制液压介质的流动方向
辅助元件
油箱
液压介质进出的交换站，使液压介质在系统内循环流动
过滤器
净化液压介质
蓄能器
储存能量，并在需要时释放
热交换器
控制液压系统的温度
管路
液压介质流动的通道
密封件
防止液压介质的泄漏，保证压力的建立
液压介质
石油基液压油
传递能量，润滑元件，冷却系统，携带污染
合成液压油
含水液压液
在图1-1中，电动机7驱动液压泵6转动，将电能转换为机械能，液压泵6输出具有一定压力和流量的液压介质，将机械能转换为液压能，液压缸5在液压介质的作用下实现直线运动，将液压能转换为机械能。
过滤器3过滤净化液压介质，方向阀4控制液压缸直线运动的方向，安全阀2使系统的压力不会超过设定的上限，保证系统的安全，管路9实现液压介质在所有元件间的流动，液压箱1存储液压介质，液压介质8传递能量、润滑元件、冷却系统，同时将系统内部的污染物携带出来，便于污染物在液压箱中的沉淀或经过过滤器滤除。
1.2液压系统的传动介质
在液压系统中，液压介质是系统实现能量转换、传递、控制的媒体，也是系统散热、元件润滑的媒体，同时也是污染物携带、传输和清除的载体。
因此，液压系统对液压介质有比较高的性能要求，表1-2给出了液压系统对液压介质的性能要求。
GB/T7631.2-87对我国液压介质进行了分类，其中常用的液压介质种类见表1-3。
在石油基液压油、合成液压油和含水液压液三类液压介质中，石油基液压油在性能与经济性方面占有很大的优势，因而使用最为普遍。
但可燃性是石油基液压油的一个薄弱环节，在有抗燃性要求的工作场合，只能使用抗燃的合成液压油和含水液压液。
表1-2液压系统对液压介质的性能要求
项目
要求
备注
压缩性
压缩性应尽量小
很难有某种液压介质能很好地满足左侧所列的所有性能。
一般情况下，应根据液压系统的实际需要，有重点地满足左侧所列的部分性能。
粘性
温度与压力对油液粘度的影响小
润滑性
对运动副间隙实现充分的润滑
安定性
对热、氧和水的敏感性小
破乳化性
液压油中的水很容易沉降分离
抗泡沫性
循环介质中气泡少
防锈性
保护金属零件不受气泡和水的腐蚀
相容性
液压介质与液压系统的其他元件不互相产生有害作用
防火性
不易燃烧
无毒性
对系统、环境和人员无毒害作用
可清洁性
进入液压介质中的污染物能迅速分离
表1-3常用液压介质的种类
种类
代号
组成
典型应用
L-HH
无添加剂的精制矿物油
普通机床的低压系统
L-HL
添加了防锈剂和抗氧化剂的HH
低压系统
L-HM
添加了抗磨剂的HL
高、中、低压系统
L-HR
添加了增粘剂的HL
温差大且环境恶劣的低压系统
L-HV
添加了增粘剂的HM
温差大且环境恶劣的高、中、低压系统
L-HG
添加了防爬剂的HM
机床导轨润滑系统
难燃液
L-HFAE
水包油乳化液
难燃、泄漏严重的液压系统
L-HFB
油包水乳化液
难燃的中压系统
L-HFC
水-乙二醇
难燃、清洁的中、低压系统
L-HFDR
磷酸酯
难燃、精密的高压系统
液压系统的污染物是指液压介质中存在的一切对系统有危害作用的物质和能量。
它包括固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物、静电、热能、磁场和辐射等。
污染物的来源各不相同，主要是在系统装配、运行、故障维修等过程中产生的。
根据其产生的原因总体来说，可分为系统内部残留、内部生成和外部侵入三种。
表2-1举例说明了各种污染物的常见来源。
表2-1污染物的常见来源
来源
举例说明
固体颗粒
系统内部残留
制造或装配过程中残留于系统内部的切屑、焊渣、型砂
系统内部生成
元件运动副间摩擦生成的磨屑、内表面锈蚀生成的锈片
系统外部侵入
从油箱呼吸口或液压缸活塞杆伸出端进入的尘埃
水
制造或装配过程中残留于系统内部的水
溶解于油液中的水在低温下转化为非溶解水
与油箱液面接触的空气中的水蒸气溶解于油液中
冷却器泄漏时，进入油液中的水
空气
液压系统初始运行时，未将空气排尽
溶解在油液中的空气在低压下释放出来
当系统内压力低于大气压时，吸入的空气
油箱中的油液搅动剧烈，生成气泡被吸入系统
化学物质
制造或装配过程中残留于系统内部的溶剂
油液气化和分解产生的化学物质
元件或系统维修时进入的表面活性剂
微生物
在油液含有非溶解水的条件下，滋生和繁殖的霉菌等
静电
油液高速流动时产生静电
热能
油液高速流动时产生热量
环境温度过高
磁场
环境中有强磁场
辐射
环境中有射源
2.3污染物的危害
污染物对液压系统的危害是十分巨大的。
据统计，液压系统75%以上的故障是由于油液及其污染造成的。
固体颗粒是液压系统中最主要的污染物，液压系统污染故障中的三分之二都是由固体颗粒引起的。
表2-2给出了各种污染物的危害。
表2-2污染物的危害
危害
元件的污染磨损
磨损元件运动副表面，降低元件工作性能
元件的污染卡紧
电磁阀间隙进入污染物，使阀动作缓慢或失灵
元件的污染堵塞
元件的功能性小孔被堵塞，使元件功能失效
油液的劣化变质
金属颗粒的存在，使油液的酸值迅速升高
腐蚀
腐蚀金属表面，生成的锈片进一步污染油液
加速油液劣化
与金属颗粒同在时，使油液氧化速度急剧加快
与添加剂产生作用产生沉淀物、胶质等
低温结冰
低温时，自由水变成冰粒，堵塞元件的间隙或小孔
气蚀
破坏元件表面
降低弹性模量
降低油液体积弹性模量，使系统响应缓慢
加速油液氧化变质
与水反应形成酸，腐蚀金属表面
洗涤
将附着于金属表面的污染物洗涤到油液中
引起油液变质，降低油液润滑性能
危害安全
静电与油蒸气作用可引起爆炸和火灾
引起元件的电流腐蚀
改变油液性能
降低油液黏度
加速油液氧化
加速元件老化
加速密封件老化
吸附颗粒
将油液中铁磁性颗粒吸附在间隙内，引起磨损和卡紧
放射性物质
加速油液的劣化变质
2.4污染物特征的描述
液压系统中的污染物既有以物质形式存在的,如固体颗粒、水、空气、化学物质和微生物等，又有以能量形式存在的，如静电、热、磁和辐射等。
化学物质主要以其种类和含量来进行污染特征的描述；
微生物除了能繁殖与游动外，其污染特征与固体颗粒相近；
静电污染一般以电荷电压来描述其特征；
热一般以温度的高低来描述其特征；
磁一般以磁场强度来进行描述；
辐射主要以其种类和能量来进行描述。
下面对液压系统的最常见的固体颗粒、水及空气的污染特征作一介绍。
2.4.1固体颗粒
描述固体颗粒污染特征的参数主要有颗粒的密度、堆积松散度、沉降性、分散性、迁移性、成块性、硬度、破碎性、尺寸、尺寸分布、浓度、形状等。
污染控制经常使用的特征主要有尺寸、尺寸分布和浓度等。
颗粒具有不规则的形状，我们如何去描述它的大小、给出它的尺寸呢？
为此，人们给出了关于颗粒尺寸的不同定义，在污染控制领域，常用的定义主要有两种，一是颗粒的最大弦长，即用颗粒的最大弦长来描述颗粒的大小，这种定义在显微镜计数法中得到使用；
二是用颗粒等效投影面积的直径作为颗粒的尺寸，这种定义自动颗粒计数法中得到使用。
图2-1表示了颗粒尺寸的两种不同定义。
上述关于颗粒尺寸的定义是不严密的，因为颗粒是三维的，而我们只能测定其在某个投影方向上的最大弦长或等效投影面积的直径，对于单个颗粒来说，这个尺寸随投影方向的不同而不同。
但是，上述定义在工程上具有统计的意义，也就是说，在颗粒众多的情况下，我们所得到的各种尺寸颗粒的数量具有相对稳定性，它基本上真实地反映了液压系统中各种颗粒的大小及其数量。
不同尺寸的颗粒对液压元件的危害是不一样的，人们常用不同尺寸段的颗粒数所占的比例来描述颗粒的尺寸分布，而使用单位体积油液中不同尺寸段的颗粒数或单位体积油液中固体颗粒的重量来描述颗粒的浓度。
2.4.2水
水的污染特征描述主要有水的存在形式及其含量。
油液中的水有三种存在形式：
溶解水、乳化水及自由水。
溶解水是指油液分子间存在的水，其尺寸一般在0.1μm以下。
乳化水是指高度分散在油液中的水，其尺寸一般在10μm以下。
自由水是指沉降在油液下部的水，其尺寸一般在100μm以上。
油液中三种形式的水是能够互相转化的。
温度降低、压力下降时，油液中的溶解水会析出，成为乳化水或自由水。
温度升高、压力上升时，乳化水和自由水会溶解在油液中，形成溶解水。
自由水在剧烈搅动时会形成乳化水。
乳化水在长时间静置时会变成自由水。
油液中的水含量可以用重量百分比（%w）或体积百分比（%v）表示。
在含量较低时常用重量百万分率（ppmw）或体积百万分率（ppmv）表示。
2.4.3空气
与水类似，空气的污染特征描述主要有空气的存在形式及其含量。
油液中的空气也有三种存在形式：
溶解态、乳化态及自由态。
溶解态空气是指油液分子间存在的空气，其尺寸较小。
乳化态空气是指高度分散在油液中的空气泡。
自由态空气是指积聚在液压系统内部高点的空气。
油液中三种形式的空气也是能够互相转化的。
温度升高、压力下降时，油液中的溶解态空气会析出，成为气泡或自由态空气。
温度下降、压力上升时，油液中的气泡和自由态空气会溶解在油液中，形成溶解态空气。
油液中的空气含量一般以体积百分比（%v）表示。
3.液压系统的污染物分析
3.1污染物成分及其含量的分析
光谱分析、铁谱分析、红外光谱分析是油液污染成分与含量分析的三种常见方法。
光谱分析可以检测油液中的元素及其含量；
铁谱分析可以检测油液中铁磁性颗粒污染物的成分、大小和数量；
红外光谱分析可以对油液中的化合物进行定性和定量分析。
3.1.1光谱分析
每种元素的原子具有在受到一定能量激发时发射和吸收特定波长光的特性。
利用这一原理，人们发明了原子发射光谱仪和原子吸收光谱仪。
在油液污染分析领域中，使用较为普遍的是转盘电极式原子发射光谱仪，图3-1为其工作原理。
石墨圆盘2在盛有油液的油样容器1内旋转，油液被带到石墨圆盘2和石墨棒3两电极之间，并被电火花激发。
油液中的污染物被激发后发射的光经入口狭缝4射向光栅5，经折射后按不同的波长分开并形成各种谱线。
各元素的特定谱线经过出口狭缝6被各个相应的光电倍增管7接收，并转为电流信号。
在配置较多数量的光电倍增管时，光谱仪可同时检测多达20种元素的含量（百万分之几）。
常用的光谱仪一般只能检测10微米以下的颗粒。
近年来检测大颗粒的光谱技术取得一定进展，检测的颗粒尺寸可以提高至30微米以下。
铁谱分析是利用高梯度强磁场将油液中的铁磁性颗粒分离出来，然后进行颗粒含量测定和形貌分析。
铁谱仪主要有分析式和直读式两种类型。
分析式铁谱仪由制谱仪、铁谱显微镜和光密度计三部分组成。
图3-2为制谱仪的工作原理图。
油样容器1中的油液被微量泵2吸出，经细管流至倾斜放置的玻璃基片3的上端，油液沿玻璃基片缓慢流动，从玻璃基片下端经导油管5流入废油容器6内。
在玻璃基片下面装有一个高磁场强度和梯度的磁铁4。
油液沿倾斜的玻璃基片向下流动时，其中的金属颗粒在磁场力作用下按颗粒大小和磁性强弱分别沉积在基片的各个部位，于是制成铁谱片。
利用铁谱显微镜可对铁谱片上沉积的颗粒进行观察。
借助于标准铁谱图册，可以鉴别颗粒的种类，如金属、非金属或氧化物等。
通过光密度计可以在显微镜下读出铁谱片上某一部位的光密度衰减值，它定量地表示检测部位颗粒覆盖面积的百分数，读数越大表示颗粒数量越多。
直读式铁谱仪的工作原理如图3-3所示。
油样容器1内的油液被虹吸泵7吸出，经细管2和位于永久磁铁10上方的玻璃沉积管6流入废油容器11。
油液中的铁磁性颗粒在磁场作用下沉积在沉积管内壁的不同位置上。
由光源9发出的光，经光导纤维束8传输到沉积管的两个固定测点，并由两个光电检测器5测定透过沉积管的光密度，并转换为反映颗粒沉积数量的读数。
3.1.3红外光谱分析
红外光谱分析的原理是，通过检测各种化合物在红外光谱区的特征吸收峰及吸收的特定波长光线的能量，从而对油液中的化合物进行定性和定量分析。
在油液红外分析中，广泛采用傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR），它由红外光源、干涉仪和检测器三部分组成。
油样池内油液中的化合物选择性地吸收与其化学键能量相当的特定波长的红外光线，透过油样池的红外光线用红外检测器进行测量，检测数据由计算机系统完成数据存贮和傅立叶变换。
在油液红外分析中，与油液劣化和污染有关的油液性质常用以下参数表征：
氧化、硝化、硫酸盐、羧酸盐、抗磨剂水平、抗氧剂水平、多元醇酯降解、燃料稀释、水污染、乙二醇污染和积碳污染等。
表6-3为矿物油红外光谱分析的表征参数与相应的特征吸收峰的峰位（波数）。
表3-1矿物油的红外光谱
特征参数
特征吸收波数/cm-1
氧化
1725~1670（1720）
氧化/硫酸盐
1300~1000（1150）
硝化
1630
硝化/羧酸盐
1650~1538
硫酸盐
640~590（610）
抗磨剂损耗
700~650
燃料稀释
830~790,780~760
水（氢氧基）
3650~3150
乙二醇
1120~1010
积碳
3800~1980
3.2.1油液污染度的表示方法
通常意义下的油液污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量。
油液污染度的表示方法很多，常见的有质量污染度和颗粒污染度两种表示方法。
质量污染度是指单位体积油液中所含的固体颗粒污染物质量，单位一般为mg/L。
颗粒污染度是指单位体积油液中所含的各种尺寸固体颗粒污染物数量。
ISO4406、NAS1638、SAE749D等三项国际、国外标准分别规定了油液颗粒污染度等级。
（1）ISO4406固体颗粒污染等级代号法ISO4406国际标准采用三个代码表示油液固体颗粒污染度等级，三个代码间用斜线隔开。
从左向右的三个代码依次表示每毫升油液中尺寸大于等于4、6、14μm（c））的颗粒数范围。
例如，颗粒污染度等级22/18/13表示，在每毫升油液中，尺寸大于等于4μm（c）的颗粒数为（20000，40000）个，尺寸大于等于6μm（c）的颗粒数为（1300，2500）个，尺寸大于等于14μm（c）的颗粒数为（40，80）个。
代码所代表的颗粒浓度见表3-2。
我国等同采用ISO4406的国家标准为GB/T14039。
表3-2ISO4406污染度等级代码
代码
每毫升颗粒数
大于
小于等于
>
28
2500000
14
80
160
1300000
13
40
27
640000
12
20
26
320000
11
10
25
160000
5
24
80000
9
2.5
23
40000
8
1.3
22
20000
7
0.64
21
10000
6
0.32
5000
0.16
19
2500
4
0.08
18
1300
3
0.04
17
640
2
0.02
16
320
1
0.01
15
（2）NAS1638油液固体颗粒污染度等级NAS1638污染度标准是美国航天学会在1964年提出的，在我国NAS1638标准得到了广泛的应用。
它将油液中的颗粒分为5~15、15~25、25~50、50~100和大于100μm等5个尺寸段，按100mL油液中上述尺寸段中颗粒数的多少确定油液的污染度等级。
标准给出了14个污染度等级，见表3-3。
各污染度等级间具有倍数的关系，按此规律可以将污染度等级外延。
表3-3NAS1638污染度等级（100mL油液中的颗粒数）
污染度等级
颗粒尺寸范围
5～15μm
15～25μm
25～50μm
50～100μm
100μm
00
125
250
44
500
89
1000
178
32
2000
356
63
4000
712
126
8000
1425
253
45
16000
2850
506
90
32000
5700
1012
180
64000
11400
2025
360
64
128000
22800
4050
720
128
256000
45600
8100
1440
258
512000
91200
16200
2880
512
1024000
182400
32400
5760
1024
例如，100ml样液的颗粒计数结果如下：
颗粒尺寸（μm）
颗粒数
NAS等级
5～15
60000
15～25
25～50
50～100
100
30
以上样液的污染度定为NAS8级。
（3）SAE749D油液固体颗粒污染度等级SAE749D标准在我国电力行业等工业部门得到了广泛的应用。
它将油液中的颗粒分为5~10、10~25、25~50、50~100和大于100μm等5个尺寸段，按100mL油液中上述尺寸段中颗粒数的多少确定油液的污染度等级，见表3-4。
标准给出了7个污染度等级。
表3-4SAE749D污染度等级（100mL油液中的颗粒数）
5～10μm
10～25μm
2700
670
93
4600
1340
210
9700
2680
350
56
24000
5360
780
110
10700
1510
225
87000
21400
3130
430
41
42000
6500
92
3.2.2油液污染度的测定
质量污染度的测定是利用微孔滤膜将一定体积的油液过滤，称取微孔滤膜过滤前后的质量，滤膜的质量差与过滤油液的体积之比便为油液的质量污染度。
国际标准ISO4405规定了油液质量污染度的测定方法和步骤。
颗粒污染度的测定有显微镜计数法、自动颗粒计数器计数法两种定量方法，此外还有显微镜比较法、滤网堵塞法两种半定量方法。
（1）显微镜计数法显微镜计数法是利用微孔滤膜将一定体积的油液过滤，油液中的颗粒收集于滤膜的表面上，然后将滤膜制成试片，在光学显微镜下对试片上的颗粒进行人工计数，从而计算出油液的颗粒污染度。
ISO4407规定了显微镜计数法的操作方法与
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