3 各種污染物對液壓系統的危害

      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。據前蘇聯統計資料，在100次飛機失事中，有20起是由于液壓系統污染引起的；污染的危害主要表現如下：

      3.1.1 運動件表面磨損引起功能失效

        a. 液壓泵和液壓馬達功能失效   高速運轉中的配油盤與轉子、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，惡性循環，造成出口壓力降低，回油量加大，效率降低，發熱量加大，導致功能失效。

        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是重載、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固體污染物又都能進入齒面接觸區，造成齒面的劇烈磨蝕，硬度大的顆粒劃傷更為嚴重；此外，重載摩擦的瞬時高溫可使齒面產生凹痕，反復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，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，也對運動件表面產生磨蝕，產生新的污染物。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，產生鏈式反應，加速磨損。

      3.1.2 金屬顆粒促進油液氧化變質

       由于油液中進入水份和空氣，可引起油液乳化，也可產生微生物和膠質狀物質，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生嚴重的腐蝕，還可能產生偶發故障。

        a. 運動件被卡死   破壞油膜，增大摩擦力引起油液發熱燒結而剪斷液壓泵柱塞頭，使液壓泵瞬間失效，系統失去工作能力；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重故障。

        b. 堵塞網孔   因油液變質生成微生物和各種膠狀物質，可堵塞各類濾油器的網孔，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，造成伺服控制系統失去控制功能，釀成嚴重后果。

        c. 油液粘度變化   粘度是液壓油的重要指標，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，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，嚴格的限制在一定范圍內；例如，YH-12航空液壓油新油酸值小于0.05mgKOH/g，而換油指標為0.2～0.3 mgKOH/g ，酸值增加以后，會對系統的附件產生嚴重的腐蝕。

     3.1.3  固體顆粒污染的試驗結果

       在系統中存在與配合間隙尺寸相當的固體顆粒，直接進入配合面，橋接于兩配合面之間，引起嚴重磨損。美國玻爾公司將與元件間隙尺寸相當的固體顆粒清除掉，對系統產生良好的結果。見表3-1

       表3-1，與配合間隙尺寸相當的固體顆粒凈化后的效果

元件	效果
泵/馬達	泵和馬達的壽命提高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

 

     世界各研究機構在進行研究污染度對壽命的影響時，所給出的研究結果差異很大，主要是因為工作環境、污染物成份以及顆粒硬度等因素不同。一般來說（以NAS1638標準），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系

 

 3.2 水污染的危害

 

    *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公司的數據見表3-3。

 

            表3-3        有金屬顆粒時水對氧化的影響

         *當酸值超過0.5時，表示油質惡化。

     試驗結果說明，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。

 

    3.3 空氣污染的危害

        空氣對液壓系統產生的危害，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存在，一是溶解在油中，一是以游離狀態存在；以游離狀態存在對系統的破壞最為嚴重；它可降低油液的彈性模量，引起系統工作響應遲緩；引起油液氧化而變質；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計中往往被忽略，從而引起油泵配油系統的氣蝕，加速配油盤破裂等。僅以飛機液壓系統為例，論述空氣污染對系統的危害。

    3.3.1 降低油液的彈性模量

      當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，能造成系統響應遲緩，工作不穩定，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機，要求高機動性，快速響應，如果出現跟隨性不好，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，影響操縱力的穩定，迂有復合操縱，大流量條件下工作，瞬間有氣泡析出，更容易產生操縱不到位的情況，對于全電傳自動操縱影響更大。由于這一故障的發生是隨機的，有太多的不確定性因素，造成故障現象不易再現，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  產生氣蝕

      當系統的油液由低壓區進到高壓區時，氣泡會瞬間被壓縮破滅，此時產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計經驗，但在28MPa壓力，4200轉/分時產生的爆炸力遠比以往的21MPa壓力級的大，說明含氣量大，會產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，當灰分進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，大量應用電液伺服閥，以實現快速準確的改變飛機姿態，而當油液中有微小氣泡出現時，氣泡會影響節流孔的通油能力，可影響力矩馬達的正常工作，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  增加系統的溫升   

      當油液中氣體含量太多，低壓區必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費的能量轉變成熱量，引起系統溫升嚴重，溫度過高會帶來一系列弊病，例如：膠圈老化，系統漏油，油液潤滑性能變差引起磨損嚴重，有資料介紹，當系統中油液溫度降低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；試驗狀態是用同一個試驗臺，使用同一臺液壓泵，只改變油箱狀態，一個狀態是用氮氣增壓的油箱，含氣量約為27%，另一個狀態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下，液壓泵進口油溫T1、出口油溫T2和泵殼體回油溫度T3；試驗結果見表3-4

  表3-4               含氣量對油液溫度影響的試驗數據   

 

      試驗結果說明：

        （1）油泵出口與進口溫升之差T2-T1，閉式油箱只相當于氣體增壓油箱的33%；

        （2）油泵殼體回油與進口溫升之差T3-T1，閉式油箱只相當氣體增壓油箱的44%。

        （3）減少油液中含氣量對于降低系統溫升，有著十分可觀的效果。

      此外，依據本試驗流量測試結果，閉式油箱顯著的增加了流量，當油泵進口表壓分別為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 促進油液氧化變質   

     空氣含量增多必然對油液產生氧化腐蝕，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；總之系統中空氣含量增加，給系統帶來的危害是巨大的。

 

     4. 應全方位實施油液的污染控制

     提高液壓系統的可靠性和壽命除強度和磨擦副的合理設計以外，強化污染控制技術在各生產階段的推廣是重要途徑。

     4.1  污染控制設計要求

     一個系統或一個附件使用性能的好壞，主要是取決于設計的好壞，材料選擇和結構設計各環節都是很重要的。

     4.1.1  首先是選擇與各種材料相容性好的工作介質，如果介質，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、熱穩定性不好，就會引起系統磨損加劇，腐蝕嚴重，使系統提前失效。

     4.1.2  結構設計中應貫徹提高附件污染耐受度原則，應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貫徹低污染生成率原則，因低的污染生成率是降低系統污染度等級的關鍵環節。除產品交付之前就帶進系統的污染物以外，主要是在工作過程中生成的，有磨擦、沖刷、淤積，銹蝕、發熱、聚合等污染現象，這些都是設計階段應加以注意的方面。關鍵的摩擦副應選擇有試驗結論的材料和參數。

     4.1.3 油液中固體顆粒的凈化，是系統設計時不可忽視的重要內容，首先是裝機濾油器的參數選擇和配置方案，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    將系統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：金屬編織網式、繞線式、合成纖維式、紙芯式和燒結式。金屬編織網式、繞線式可以經過清洗后重復使用，紙芯式和燒結式是不能經清洗后重復使用，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式、各種纖維和紙芯式等。

濾油器的主要技術參數

     a. 過濾精度    絕對過濾精度是反映濾油器網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。它決定著系統油液污染度水平的高低。一般來說濾油器精度越高，則系統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關系，問題太復雜，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，都有穿過網孔的機會，而隨著堵截量的增大，和系統壓力流量的波動，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。當前對于較高精度的系統應選擇不低于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，是反應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除以下游仍存在的該尺寸的粒子數，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：

 

污染度等級 NAS1638（級）	深度型濾油器絕對 過濾, 精度（μm）
6-7	＜5
8-9	＜7
10-11	＜10

       7.2.3政府介入  必不可少  即使有了很好的標準，沒有外在的推動力，也很難向全社會推廣；降低液壓系統污染度指標，是需要費力氣的事，要求改造環境，添置設備，甚至需增加編制，廠家是要花錢的。首先污染度指標要求應進入企業標準，JB/T10607-2006也是有約束力的文件，在質量技術監督部門的監督下，將污染控制等級要求進入正常生產程序，闖過這一關才能開辟出節省資源、節約能源、提高勞動生產率的一片新天地！謝謝！