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机械液压系统降故障、延寿命、省功耗的新技术

文章出处:威海戥同测试设备有限公司 人气:发表时间:2017-12-12
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来源、危害以及如何控制等方面,并展示因此而带来的效益。
     2   液压油的污染是造成液压系统寿命降低和故障产生的元凶
         液压油是液压功率传递介质,是遍布整个系统中,油液的污染无时无刻不在影响整个系统。主要污染物如下:
      2·1  固体颗粒污染
         存在于液压油中的固体颗粒有金属的也有非金属的,不论是金属的还是非金属的都能对系统产生很大的破坏作用,例如有材料磨损,小颗粒导致磨擦副间隙扩大造成系统失效;有冲刷磨损,是高速流的冲击造成元件功能破坏;有疲劳磨损,贴合的金属表面疲劳剥落,齿轮泵最为突出;有粘着磨损,是油膜太薄金属与金属表面发热造成粘着破坏。污染物可以堵塞节流孔或喷嘴,造成系统失效。
        经常见到的故障现象有:阀类元件的滑阀被卡死,造成工作不能转换;伺服阀的喷嘴被堵死,造成伺服系统失效,在飞机和潜艇上多次发生此类故障;运动密封件的胶圈漏油;液压泵和液压马达的磨擦副破坏造成效率降低,温度升高以及工作失效等等。
         清除油液中与元件配合间隙相当尺寸的固体颗粒,可对系统产生的良好效果,美国Pall公司的试验结果如表1。
 
 
 
 
                                           表1
元      件
效        果
泵/马达
泵和马达的寿命提高4—10倍
液力传动
元件寿命提高4—10倍
阀的寿命提高5—300倍
滚子轴承
疲劳寿命延长50倍
径向轴承
轴承寿命延长10倍
油液
延长寿命>10倍
         当前的液压系统已经发展到高精度、高压、小型化阶段,元件的配合间隙已到5μm,甚至到2μm的尺寸,高精度的净化已成为必要措施,否则固体污染颗粒的危害就更大。
      2·2  水污染
        水对液压系统的危害也是相当严重的,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公司的试验结果见下图:
水和金属对油液氧化加速的影响,美国Pall公司的数据见表2。
                                          表2
序号
金属颗粒
小时
酸值变化*
1
3500+
0
2
3500+
+0.73
3
3500+
+0.48
4
400
+7.93
5
3000
+0.72
6
100
+11.03
        *当酸值超过0.5时,表示油质恶化。
         都说明含水量增大,除可产生突发故障以外,还引起元件和油液寿命大幅度下降。
      2·3  空气污染
         空气对液压系统产生的危害,各种文献资料中也多有论述,但在工程实践中往往被人们所忽视;空气在液压油中也是两种状态存在,一是溶解在油中,一是以游离状态存在;以游离状态存在对系统的破坏最为严重;它可降低油液的弹性模量,引起系统工作响应迟缓;引起油液氧化而变质;引起气穴使泵打不出油而干磨擦;气泡迅速被溶解的压缩过程产生高温爆炸,不但可大量生热引起油温升高,还由于爆炸力的大小难于计算和测试,此额外的作用力在油泵设计中往往被忽略,从而引起油泵配油系统的气蚀,加速配油盘破裂等。
         不同的油料对空气的溶解度是不同的,但各种油对空气的溶解度都是与压力成线性关系,压力增加10倍,溶解度也增加10倍。
         空气对系统的危害,各种文献资料都是定性的论述,没有定量的分析和试验,清除油中的气体,首先是游离气体究竟有多少好处,目前为大多数人所不知。本文作者为取得初步的定量数据,也为以后的污染控制工作指明前景,于2003年9月做了一项对比试验。
      试验方法是:
       (1)用ZB—34M试验台,油箱是用气体增压,按常规试验方法,测试液压泵的气穴点和不同流量泵进口、出口、壳体回油口温度。
        (2)采用本公司研制的与空气隔离的液压油箱代替试验台的油箱,其余不变,用GHP70离心式净油机净化全系统,直到从净油机入口透明的胶管中见不到气泡为止,做与(1)相同的试验。
     试验却出现了预想不到的结果:
          a  容积效率提高了4.4%;
          b  泵气穴压力点降低了0.01MPa;
          c  泵进口和出口平均温升降低了8.2℃,相当于出口发热量减少了71%;
          d  泵进口和回油口平均温升降低了14.2℃,回油发热量减少了58%;
          e  在试验过程(约30分钟)中,散热条件不变,采用隔离式油箱,泵进口、出口和回油口温度,都随着试验时间的增加而呈下降的趋势,系统油温降低了7℃。
这一结果说明,清除了油液中游离气体,提高了效率,降低了功耗,减少了发热量,降低了油温,有关资料介绍,油温降低8℃,油液寿命可增加一倍,其经济效益是可观的。
    3   污染物的来源
         3·1  系统在投入使用之前已存在的污染
            这一污染属于先天条件造成,包括泵、附件、管路、新油等出厂之前没有严格控制污染度指标,这一情况存在的比较普遍,尤其是在民用工程机械方面,在设计和生产制造阶段缺少污染控制的观念。这一阶段的污染指标对使用的影响非常严重。有些新安装系统内的污染度等级已超过NAS1638的12级,有些油桶中的新油也超过12级,这一阶段造成的污染对整个机械系统的使用寿命和故障发生的几率影响实在太大。系统工作中会出现恶性循环,将大大缩短寿命,达不到预期的寿命指标,并且会不断发生故障。这时的污染物清理也比较难,无法用流通法彻底清洗;机载油滤精度很快下降,纳污量饱和而起不到过滤作用。总之这一阶段的污染控制最为关键。
       3·2   工作中生成的
            在系统的工作过程中,污染物是不断生成的,这里有液压泵、液压马达,各种阀类运动,油缸的伸缩过程都会因磨损产生固体污染物;与空气接触的液压油箱除固体颗粒以外,还有水份和空气的侵入,密封件的泄漏也会造成空气和水的侵入。
            在工作中生成的污染物是不可避免的,无论设计怎样好的系统也是避免不了的,只能是生成率小些,这些生成物只有依靠机上过滤器滤出,以及由地面各种维护设备定期或视情清除。
      3·3  使用维护中侵入的
           在使用维护中侵入污染物的多少决定于维护设备和人员的水平,有的从加油中,更多是更换元件和清洗滤芯时不注重导管端头的保护,这时除固体颗粒以外,大量的空气和水份相继侵入系统中。
           这种维护中侵入的污染物是可以减少的,一方面提高维护人员的素质,提高维护质量;另一方面是改善维护设备;设备污染度水平应优于系统的水平,以及提高净化设备的净化效率和水平,使不但可以净化出固体污染物,还可以将水份和气体净化出去。
      3·4  液压油箱与空气接触是一大污染源
          目前,广大的工程机械上以及航空产品的地面试验和加油设备上,大多是采用液压油与空气接触的液压油箱,论其原因,一是油箱容积选择较大,为增加散热表面积和增大热容量,一般为泵每分钟排量的3—5倍。另外油箱的结构外形也受各种机械总体布置的限制而千姿百态,工作中油位的变化也各有不同,再加上温升的体积膨胀,想做成与空气隔离的油箱技术难度较大。第三个原因是因大多的工程设计者对空气存在于液压油中的危害程度认识不足。
         液压油与空气接触的油箱,尤其是增压油箱其空气的溶解度就更大,不但溶解的空气量大,这在2·3节已有说明;游离在液压油中的大大小小的气泡更是时隐时现,可使系统产生严重的噪声,造成系统的机械振动严重,油液的发热量大幅度增加,加速油液老化变质,所以采用与空气隔离式液压油箱是改善液压系统品质,提高液压系统可靠性、寿命和效率的一个重大措施。
      4   提高液压系统的可靠性和延寿的重要途径
         提高液压系统的可靠性和寿命除强度和磨擦副的合理设计以外,强化污染控制技术在各领域的推广是一条重要途径。包括除检测手段、净化手段、监控和维护以外,最重要的是设计阶段。
      4·1  污染控制设计要求
          一个系统或一个附件使用性能的好坏,主要是取决于设计的好坏,结构设计和材料选择各环节都是很重要的。
      4·1·1  首先是选择与各种材料相容性好的工作介质,如果介质,也就是液压油选用不当,例如粘温特性、相容性、酸值、抗磨性、抗剪切性、热稳定性不好,就会引起系统磨损加剧,腐蚀严重,使系统提前失效。
      4·1·2  结构设计中应贯彻提高附件污染耐受度原则,应合理的选择间隙和最小孔径,尽可能降低因污染所能引起的严重后果。在选择材料和磨擦副时应贯彻低污染生成率原则,因低的污染生成率是降低系统污染度等级的关键环节。除产品交付之前就带进系统的污染物以外,主要是在工作过程中生成的,有磨擦、冲刷、淤积,锈蚀、发热、聚合等污染现象,这些都是设计阶段应加以注意的方面。
       4·1·3  系统中滤油器的配置也是设计中的重要内容,首先是有合理的参数,主要是精度、过滤效 率、纳污量、阻力损失以及污染指示等;其次是布置合理,应能滤除各部位产生的污染物。
       4·1·4  热设计也是不可忽视的方面,尽可能减少系统生热的环节,也就是提高系统的总效率,而所生成的热又能有效的散发出去,使系统的温度能保持在与液压油相匹配的温度水平上。
       4·1·5  采用闭式油箱,也就是采用与空气隔离的液压油箱,是阻止固体污染物、水份和空气侵入系统的关键措施。
       4·2  污染控制工艺要求
一个良好的设计方案也必须有一个良好的工艺手段予以保证才能取得满意的效果。
       4·2·1  零件加工阶段应有合适的光洁度和锐边倒圆,以防微粒的剥落;在工序转移阶段应有严格的清洗手段,并经过检验合格后,才能采用合适的包装方式转移到下道工序。
       4·2·2  在装配阶段应有清洁的装配环境,装配间应有污染度等级要求,设置能滤出空气中污染物的通风设备;操作人员衣着应有防尘措施。产品装配完成后应经过严格的清洗,先在清洗试验台上进行磨合运转,以除掉先期可剥落的粒子,试验台应设置合适的过滤装置,过滤精度应与元件的间隙相匹配,以保证元件出厂能达到要求的污染度指标。
       4·2·3  管路的净化程度是影响系统先天性污染水平的重要环节,在系统安装前先对导管内腔严格净化,净化后包装保管。焊接的导管应注意清除氧化皮。
       4·2·4  检测设备  为能随时掌握不同阶段液压油的污染度指标,油液污染度检测手段是必须的;当前国内外的检测设备较多,有显微镜法、显微镜样板对比法、称重法、自动颗粒计数法等。如果没有仪器保证而只用目测办法检查污染度是绝对不行的,因为人的视力只能观察到>40μm的颗粒,而实际油样的污染粒子占比例最多的是15μm以下的,所以为保证一个清洁系统的实现,符合精度要求的检测手段是必不可少的。
       4·2·5  净化手段  在生产和试验各阶段都需要不断的对油液净化,净化方式有两种,一种是在试验设备上安装相应等级的过滤器,另外是靠地面设备对油箱油及设备中的油进行净化。在地面设备上所用的净化装置有网式过滤的滤油机,它可以清除固体颗粒,但是效率较低,因使用初期精度可以很高,但是使用一段时间以后精度很快下降,过滤比也会大幅度降低,这种设备随着使用时间的增长,过滤能力越来越低,造成清洗时间很长;另外该种过滤装置无法滤出系统中的空气和水份;虽然国外已有可以滤出水份的净化装置,如美国Pall公司的SHP,但价格昂贵,使用成本高,是一般厂家所无法承受的。另外一种是戥同公司的GHP净油机,采用离心式原理;这种装置净化效率高,有极大的纳污量,并且会将水份和空气净化出去,是各单位比较理想的净化装置。
     4·3  污染控制使用维护要求
         一个设计和制造都很优良的机械,如果没有与之相应的维护水平,则该种机械也不会发挥出自己的应有水平,维护水平包括两个方面,一是人员素质,是指维护人员应经过污染控制的基本训练,对污染的危害,以及维护中应注意哪些内容都应有清楚的认识。第二是应具有相应的净化设备,没有相应的净化设备是无法达到净化水平的要求。
        4·3·1  监控 在设备的使用中应定时对液压油的污染度进行监测,当发现污染很严重时,应及时进行清洗。
        4·3·2  加油一定用加油车或净油机进行,加油车中的油是应经过净化的,因国内出厂的液压油污染度大多在NAS 1638  11~12级,甚至更严重。
        4·3·3  排气排水  设备在使用中应该定期对液压油中的水和空气排除,因使用中更换元件、滤芯清洗、油缸工作,胶圈破损等环节都会有空气和水份进入系统中,应定时至少是将游离的水和空气排除,以提高系统的可靠性。
     5  工程机械中的液压系统也应有液压油污染度控制的强制性标准
        5·1  污染控制现状  我们国内虽然早在80年代就提出了液压系统污染控制这一课题,但是真正落实较好的是航空航天系统。因为污染控制最终是落实在液压油的污染度等级上,GJB3058和GJB3059是“飞机Ⅰ、Ⅱ型液压系统污染度验收水平和控制水平”,和“飞机Ⅰ、Ⅱ型液压系统重要附件污染度验收水平”,并且这些标准都贯彻到采购和型号规范之中,基本上实现了有效控制。
 而工程机械这一广大领域对液压油的污染普遍没有实现等级控制,有些单位对此类问题知之甚少。使用中的机械绝大多数液压油的污染度都超过NAS1638  12级;所以,即使有了高质量的机械,没有好的维护设备和高质量的维护人员,也很难发挥它的作用。
        我国在1985年制定一个“典型液压系统清洁度等级”一个指导性文件,但规定的很粗糙,对每种机械规定的等级跨度太宽,高的太高,低的太低,高精度甚至要求为3级和4级,这一方面实现的难度太大,并无法维持,从现时的元件水平看也没有必要;而高污染等级甚至规定为13级,是属于不能容忍的污染,所以我们认为该文目前已不实用,且没有具体的控制要求,也没有约束力。
         5·2  制定强制性标准的必要性  今天液压系统已经被各类机械所采用,以它响应快、控制方便、作用力大、功率重量比大等优点,使用范围会越来越大;实行严格的污染控制会产生巨大的经济效益:a 延长系统寿命,减少机械故障,会大幅度提高劳动生产率;b 提高效率,会大量节省能源;c 合适的污染度控制等级,会大大节约使用维护工作量,并能减少备件;d 实现了长寿命低故障率以后,在全球经济一体化的今天,会大大的提高国际市场的竞争能力。
         总之,制定有效的强制性的污染控制标准,制定出合适的污染控制等级,在设计、生产和使用维护各阶段能贯彻执行并配以必要的检测手段和净化设备是液压系统延长寿命、节省功耗和提高可靠性的有效途径。
 
 
 中国机械工业论坛会发言稿
      二OO三年十一月

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