液压系统油液的污染与控制技术.docx

1、液压系统油液的污染与控制技术液压系统油液的污染与控制技术1. 概述 提高各类机械的使用性能，延长寿命、降低故障和能耗是我们各类技术人员不懈的努力方向。当前性能优良的各种工程机械在我国各项建设中都起着重要的作用，但是经常发生的各种故障和工作失效也都在苦恼着各使用部门，使之不能称心如意的按期完成任务并取得理想的经济效益。据资料介绍，在以液压能源为驱动力的各类机械中，有40%的故障是因液压系统出现的，而 在液压系统中有70%以上的故障是因液压油的污染造成的；从这一比例关系看，液压油的污染问题已成为液压技术发展的主要障碍，近些年国内外的工业界对液压油的污染研究和如何控制已做过大量工作，使液压系统的污染

2、控制在不断总结经验的基础上发展成为一项边缘技术。它包括污染物的分析和检测；控制污染物的来源；减少污染物的生成；油液中污染物的净化；提高元件的污染耐受度；制定污染控制的各项标准等等。 下面着重分析各类污染物的性质、危害以及如何控制等方面，并提出开展污染控制工程的设想。2. 污染物及其性质 系统工作中不需要的物质，并对系统产生有害的作用，统称为污染物；根据其存在的形式，可分为固态污染物（如：金属粉末、矿粉、尘埃、各种氧化物以及各种微生物。）、气态污染物（如：空气、氯气、二氧化碳等）和液态污染物（如：水、溶剂）。污染物的上述三种状态在环境改变时，可能相互转化，这些污染物在有机械力作用时也能产生化学反

3、应。 2.1 固态污染物固体颗粒 固体颗粒是引起机械磨损的第一因素，也是污染控制研究的主要对象，世界各国都有广泛研究，总结起来有如下几个特性：a. 细微性 我们所研究的固体颗粒是以微米为计量单位的物质，图2.1-1是放大500倍的尺寸直观图。2m的颗粒也是研究的重要对象。肉眼可见的最小颗粒尺寸为40m，一些不同类型的微小固体颗粒尺寸范围见表21-1。 表2.1-1一些颗粒的尺寸范围物质尺寸m物质尺寸盐面颗粒100可可粉颗粒810头发直径70红细胞8白细胞25细菌2滑石粉颗粒10尘埃颗粒74 b. 沉降性 存在于油液中的固体颗粒都受到三种力的作用，一是重力，二是扩散力，三是浮力；当重力大于浮力和

4、扩散力时，就会自然下沉，称为沉降性，影响沉降性的因素有：颗粒密度、尺寸、形状、油液的粘度以及力场等，在重力场的作用下，颗粒越小，粘度越大，越不易沉降，但在离心力场的作用下，可以分离。c. 聚集性 细颗粒粘结或聚集成团块的现象，在许多过程中都可能出现，在大多数情况下是不利的：例如，在颗粒的分细、混合、分散、分类、传输和测量等过程中不希望有颗粒聚集的情况，仅在极少情况下利用聚集作用来形成大颗粒。 颗粒尺寸是颗粒聚集的重要因素。尺寸小的颗粒聚集作用大。因而聚集现象常从小颗粒开始，然后发展到大颗粒。 据发现，在油箱内经过10微米滤油器过滤的油液，密封储存后，会“生长”出50至100微米的颗粒。颗粒结块

5、的原因主要是颗粒表面吸收了一层聚合物的膜，由自由酸残余的极性结合，使小颗粒结合在一起。一般5微米以下的颗粒结合的趋势较大。液体受到振动时会加速小颗粒的结合。例如，在运输过程中或受到声波和振动等，都可能导致明显的结合现象。因此从油罐中取得的新油，在使用前的过滤是很有必要的。 d. 吸附性 如同墙壁落灰一样，油液在系统内流动时污染物也会附着在壁面上，并逐渐增厚，当受到外界振动冲击后会一起脱落，造成集中污染。它比分散污染更为有害，甚至是致命危害。 e. 磨损性污染颗粒的硬度对被污染系统的磨损有着密切的关系，在污染控制中，常把硬度视作抵抗表面擦伤的能力。内森（Nathan）等人提出了污染物硬度与表面擦

6、伤磨损之间的关系式： 式中V磨损体积 K磨损常数 L施加的载荷 I滑动距离 Pm流动压力（与磨损表面的延展性有关） Ha颗粒有效硬度 H表面有效硬度。从式中可知，如果颗粒的硬度等于或小于表面的硬度，表面的磨损量就很小。此式可用来由已知的一种颗粒产生的磨损量推算另一种颗粒可能造成的磨损量。当然，这是在假定二种颗粒的尺寸分布相同的条件下计算的。例如，当材料表面的Mohs硬度Ha=4.0时，氧化铁颗粒（Ha=5.5）对表面产生的磨损量为硅砂（Ha=7.0）的56.9%（假定二种颗粒的尺寸分布相同），即 式中：W氧化铁颗粒对表面磨损量与硅砂磨损量的比值； Vi氧化铁颗粒对材料表面的磨损量； Vs硅砂对

7、材料表面的磨损量。 被磨损下的颗粒在油液循环时又成为磨损颗粒，循环往复会越来越多，我们称之为链式反应，在系统运行时，必须设法消除。因为在磨损过程中同时产生高温，被磨损下来的颗粒得不到清除，很快就会发生类似集中污染，大量颗粒同时磨损，热量来不及散发，导致磨擦副（如，轴瓦突然抱死）的故障。固体颗粒硬度见表2.1-2 表2.1-2 固体颗粒硬度颗粒莫式（Mosh）硬度产生原因金刚石910加工磨屑大切屑47加工切屑硅砂7环境火山灰6.5环境磨损硬金属47系统生成金属氧化物（特别是AL2O3）高达9系统生成钨4.5系统生成钴2.5系统生成钛3.5系统生成 只有当颗粒硬度大于金属表面硬度时，才能对金属表面

8、产生磨损；反之，颗粒硬度小于金属表面硬度时，对金属产生的磨损作用是很小的。 f. 催化作用 油液中的水和空气，以及热能是油液氧化的必要条件，而油液中的金属微粒对油液氧化起着重要的催化作用。试验研究表明，当油液中同时存在金属颗粒和水时，油液的氧化速度急剧增快，铁和铜的催化作用使油液氧化速度分别增加10和30倍以上。 g. 尺寸分布和污染度等级 颗粒尺寸分布是指一群颗粒中，每种尺寸的颗粒数量。不同的系统，不同的工作条件，不同的净化措施所导至的分布各不相同，对系统产生的损害也相差很大。美国宇航协会1964年制定的NAS1638污染度分级标准以及国际标准化组织制定的ISO4406污染度等级标准在世界范

9、围内得到广泛认可。表2.1-3是NAS16381964，是规定在100mL油液中，不同污染度等级所含不同尺寸段的固体颗粒数。各不同尺寸段的最大固体颗粒数的分布与ACFTD细粉尘分布规律很接近。见表2.1-3 表2.1-3 NAS1638-1964 每100mL中含不同尺寸的固体颗粒个数。基于ACFTD （个）颗粒尺寸（m）等 级000123456789101112515125250500100020004000800016000320006400012800025600051200010240001525224489178356712142528505700114002280045600910

10、00182400255048163263126253506101220254050810016200324005010012361122459018036072014402880576010000112481632641282565121024经过多年的实际使用后，在吸收ISO4406优点的基础上，对NAS16381964进行了修改，于1999年晋升为美国 国家标准AS4059-1999，然后2001年又修改为AS4059D-2001的最新版本，如表2.1-4 表2.1-4，AS4059D-2001（ACFTD） 颗粒数/100ml级尺寸（m） 000000123456789101112119

11、539078015603120625012500250005000010000020000040000080000016000003200000576152304609122024304860973019500389007790015600031100062300012500001514275410921743286417303460692013900277005440011100022200025351020397615230661212202450490098001960039200501124713265310621242484817003390678010000011248163264

12、1282565121020 该标准吸收了ISO4406的优点，又保留了NAS1638-1664的使用习惯，理论上分析，该标准比较完整。但是在实际使用中，依据当前的设备精度水平，仍以5m尺寸确定污染度等级为合理，所以在GJB420A-1999中明确提出，以5m尺寸的数量确定污染度等级，也便于统一要求。国际标准ISO4406-1991，见表2.1-5 等级编码0.91234567颗粒数/ mL0.00250.0050.010.020.020.040.040.080.080.160.160.320.320.640.641.3等级编码89101112131415颗粒数/ mL1.32.52.55510

13、10202040408080160160320等级编码1617181920212223颗粒数/ mL32064064013001300250025005000500010000100002000020000400004000080000 表2.1-5 ISO4406-1991（基于ACFTD） 个数/ml 1999年国际标准化组织修订了自动颗粒计数器校准标准，由原来用ACFTD粉尘校准标准ISO4406-1991改为用ISOMTD粉尘校准标准ISO11171-1999（国标GB/T18854-2002等效移植）。颗粒尺寸由最大直径改为等效投影面积的当量直径。新标准的测试数据更加真实，并且已被“

14、美国标准与技术学会”NIST认证。ACFTD粉尘将停止生产。规定今后凡用自动颗粒计数器检测的，都用经NIST认证的新标准。粒径尺寸m后加（C）。 当前仍是新旧标准混用阶段，将逐步过度到新标准。为便于对照两种标准方法颗粒直径表示尺寸对比，见表2.1-6 表2.1-6 ACFTD校准尺寸与ISOMTD校准等效尺寸对比原ACFTD粉尘表示的最大直径1m5m15m25m50m100mISOMTD（NIST）等效投影直径4m（C）6m（C）14m（C）21m（C）38m（C）70m（C） 这就说明，用ACFTD校准1m的数量，相当于用ISOMTD校准4m（C）的数量；同理5m相当于6m（C），15m相当

15、于14m（C），依此类推。 如果现在仍然用NAS1638标准测试的（即ACFTD校准）所得数据为5-15m，15-25m，25-50m，50-100m，100m五个尺寸段的等级，与NIST校准得到的数据：6-14m（C），14-21m（C），21-38m（C），38-70m （C），70m（C）五个尺寸段的等级结果是相近的。 2.2 空气污染 液压油中溶解空气是不可避免的，因无论是在生产过程和应用过程中都无法做到与空气隔绝。液压油中空气溶解量是依压力和温度的不同而不同，在1个大气压条件下，矿物油饱和溶解度约为体积的910%，不同气体在矿物油中的溶解度见表2.1-7。 表2.1-7 气体在四种矿

16、物油中的溶解度（%） 气体温度油ABCD平均氮 气207.767.807.597.597.69407.907.957.787.787.85608.378.268.178.158.24808.358.448.478.578.46氧 气2014.714.914.514.4314.634014.414.313.914.114.186014.214.113.313.713.838013.313.813.313.813.55空 气209.569.399.139.149.31409.509.469.169.339.36609.629.459.519.419.50809.739.649.649.689.67

17、 随着压力的增加，各种液体饱和溶解度都是呈线性的增加（如图2.1-2），同时又随温度的降低而不同程度的减小。 正因如此，在系统中，不同位置压力是不同的，随着压力的降低，超过饱和溶解度的空气就会逸出成游离态，而当压力升高时又溶解，所以空气在系统中有时溶解有时逸出，这种时隐时现的变化过程对系统有很大的危害，是系统中的顽症。 2.3 水污染 液压系统难免在不同程度上存在着水份。水可以溶解在油中（称为溶解水），也可以自由状态存在于油中（称游离水）。自由状态水可以是沉淀水或乳化液。沉淀水由长期静止的水珠形成，存在于液体的底部或顶部，这取决于它们的比重。对矿物油，水一般沉淀于底部，对磷酸酯或含氯碳氢化合物

18、等合成液，则浮于顶部。在充分搅动的情况下，如通过泵的多次循环，水与液体可组成乳化液。乳化液的稳定性决定于液体的性质和状态，液体粘度越大，与水的乳化液越稳定。表面活性添加剂及污染物的存在，可使油包水类型的乳化液很紧密，从而减慢破乳化的速度。乳化液的离析倾向与液体的表面张力有关，液体的表面张力越高（高于35达因/公分），破乳化性越好；表面张力越低（低于25达因/公分），就可能存在永久性乳化液。添加剂和破乳剂对乳化液的持久性影响很大。氧化物和颗粒状污染物可增加乳化液的持久性，可溶性氯化物等破乳剂可使乳化液加速离析。 石油基油液与水接触或在潮湿的环境下可吸收微量的水气。吸水程度与液体基本成份及所用的添

19、加剂有关。在正常环境下，经过8周可达到饱和量。 几种常用油的含水饱合度 a 液压油 200400ppm (0.020.04%) b 润滑油 200750 ppm (0.020.075%) c 变压器油 3050 ppm (0.0030.005%)为减少水对油液产生的危害，应尽可能减少油液中的水份，应控制在饱和溶解度以下，油对水的溶解度是随温度的升高而增加，图2.1-3一种透平油的溶解度随温度的变化曲线。 3 各种污染物对液压系统的危害 3.1 固体颗粒污染的危害 油液污染是引起各种机械寿命缩短和工作故障的主要因素。据前苏联统计资料，在100次飞机失事中，有20起是由于液压系统污染引起的；污染的

20、危害主要表现如下： 3.1.1 运动件表面磨损引起功能失效 a. 液压泵和液压马达功能失效 高速运转中的配油盘与转子、柱塞与柱塞孔、滑靴与滑履等部件，都是在大载荷、小间隙条件下工作，油中的固体污染物可破坏油膜，划伤运动表面。不但润滑性变坏，同时又生成大量金属颗粒，链锁反应，恶性循环，造成出口压力降低，回油量加大，效率降低，发热量加大，导致功能失效。 b. 齿轮齿面磨损引起失效 各种齿轮在工作中是滑动和滚动同时存在，而齿轮的主要工作状态是重载、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固体污染物又都能进入齿面接触区，造成齿面的剧烈磨蚀，硬度大的颗粒划伤更为严重；此外，重载摩擦的瞬时高温可使齿面产生凹痕，反复工作

21、使表面疲劳破坏，引起机械失效。 c. 其他元件表面破坏 各种类型的运动件如轴承、油缸筒、阀类以及密封装置等，都会因油液污染并在高压、高温和高速条件下不断破坏工作表面，到一定程度引起功能失效。 d. 密封胶圈的破坏 胶圈是流体系统不可缺少的密封装置，密封件的寿命与 油液固体污染度息息相关，污染度越高，固体颗粒嵌入胶圈摩擦面的机会越多，造成胶圈被划伤、剥落，也对运动件表面产生磨蚀，产生新的污染物。温度越高，对胶圈的损坏越大，漏油量增大，温度升高，效率降低，产生链式反应，加速磨损。3.1.2 金属颗粒促进油液氧化变质 由于油液中进入水份和空气，可引起油液乳化，也可产生微生物和胶质状物质，更易引起酸碱

22、度的变化，尤其是在某些金属微粒的作用下产生严重的腐蚀，还可能产生偶发故障。 a. 运动件被卡死 破坏油膜，增大摩擦力引起油液发热烧结而剪断液压泵柱塞头，使液压泵瞬间失效，系统失去工作能力；也有因锈蚀引起电磁阀的滑阀卡死而不能换向，造成飞机在空中放不下起落架的严重故障。 b. 堵塞网孔 因油液变质生成微生物和各种胶状物质，可堵塞各类滤油器的网孔，造成滤油器功能提前失效；尤其是最后机会油滤失效后，可引起微孔被堵塞，或者是伺服阀的喷嘴挡板被堵塞，造成伺服控制系统失去控制功能，酿成严重后果。 c. 油液粘度变化 粘度是液压油的重要指标，要求能满足低温条件下顺利起动，也可以保证高温条件下的润滑性能，在水

23、、空气和金属微粒的作用，破坏了油液的理化性能，也破坏了油液的粘度指标，无法满足高、低温条件下的工作需要。 d. 油液酸值的增加 酸值是液压油的重要指标，严格的限制在一定范围内；例如，YH-12航空液压油新油酸值小于0.05mgKOH/g，而换油指标为0.20.3 mgKOH/g ，酸值增加以后，会对系统的附件产生严重的腐蚀。 3.1.3 固体颗粒污染的试验结果 在系统中存在与配合间隙尺寸相当的固体颗粒，直接进入配合面，桥接于两配合面之间，引起严重磨损。美国玻尔公司将与元件间隙尺寸相当的固体颗粒清除掉，对系统产生良好的结果。见表3-1 表3-1，与配合间隙尺寸相当的固体颗粒净化后的效果 元件效果

24、泵/马达泵和马达的寿命提高410倍液压传动元件寿命提高410倍阀各种阀的寿命分别提高5300倍滚子轴承疲劳寿命延长50倍径向轴承疲劳寿命延长10倍油液延长油液寿命，降低油液成本 世界各研究机构在进行研究污染度对寿命的影响时，所给出的研究结果差异很大，主要是因为工作环境、污染物成份以及颗粒硬度等因素不同。一般来说（以NAS1638标准），污染度降低一级，寿命延长一倍，反之亦然。假定使用污染度为7级的油液，机器寿命为10年，同样是这台机器将污染度降低几级寿命就有惊人的变化，如表3-2： 表3-2 油液污染度与机器寿命的关系污染度NAS1638 ，级11975寿 命 ， 年0.632.510403.

25、2 水污染的危害 水对液压系统的危害也是相当严重，它可使油液粘度下降，破坏油膜，引起严重的机械磨损；可产生酸性物质，增加油液的酸值，对系统增加腐蚀；在低温下，游离水常以冰块形式存在，会引起运动件被卡住；水的含量超过300ppm就可以引起碳素钢或合金钢生锈，造成滑阀被卡死，操纵系统无法正常工作，现实中发生过因水污染飞机起落架放不下的故障。 液压油中含水量的不同，对轴承寿命的影响，美国Timken Bearing 公司的试验结果见图3-1： *取自： “Machine Design”July86，“How Dirt And Watert Effect Bearing Life“ by TimkenBearing Co. 水和金属对油液氧化加速的影响，美国Pall公司的数据见表3-3。 表3-3 有金属颗粒时水对氧化的影响序号金属颗粒水小时酸值变化*1无无3500+02无有3500+0.733铁无3500+0.484铁有400+7.935铜无3000+0.726铜有100+11.03 *当酸值超过0.5时，表示油质恶化。 试验结果说明，在油液中含有铜和铁金属微粒时（这也是不可避免的）只要有水的存在，油液的酸值可迅速增加到不可容忍的指标。 3.3 空气污染的危害 空气对液压系统产生的危害，各种文献资料中也多有论述，但在工程实