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行走机械采用闭式液压油箱是必然趋势

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
(威海戥同测试设备有限公司    威海264209)
 
     摘 :本文通过论述液压油中存在固体颗粒、水和空气污染对液压系统可靠性和寿命的影响,阐明如何降低油液的污染度是当前的技术关键;而行走机械的开式油箱无法阻止固体颗粒、水和空气的进入,得出实行液压系统污染度的等级控制必须采用与空气隔绝的闭式油箱的结论。
     关键词:行走机械  液压系统  污染控制  闭式油箱
 
 
     1. 控制油液的污染是液压系统当前的关键技术
     提高各类机械的使用性能,延长寿命、降低故障、提高劳动生产率一直是世界各国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作用,但是经常发生的各种故障和工作失效也一直在烦恼着各使用部门,使得不能称心如意的按期完成任务和取得理想的经济效益。据统计结果,在各类机械中,有40%的故障是液压系统出现的,而在液压系统中有70%以上的故障是因油液污染造成的;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和如何控制已做了大量工作,使液压系统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。它包括各种污染物的分析和检测、如何减少污染物的生成、如何控制污染物的来源、提高元件的污染耐受度,以及油液的净化手段等等。降低一级油液污染度就能提高机器寿命一倍,所以控制油液的污染已成当前的一项关键技术。
        1.1   液压油的污染物及其危害
     油液中的污染物有固体、液体和气体三大类,它们以各不相同的方式对液压系统起到破坏作用。
        1.1.1 固体颗粒污染及其危害
     存在于液压油中的固体颗粒有金属的也有非金属的,不论是金属还是非金属的,都能对系统产生很大的破坏作用。
     (1)运动件表面磨损引起功能失效
       a. 液压柱塞泵和柱塞马达的失效    在柱塞液压泵和柱塞液压马达的工作中,配油盘与转子、柱塞与转子、滑靴和滑履之间都是在高速滑动,并有高压大载荷,即需要润滑又必须小间隙,在油中存在的固体污染物可破坏油膜,并划伤运动表面,不但使润滑性能变坏而且又产生新的大量的金属固体污染物,产生连锁磨损反应,很快造成液压泵出口压力降低,壳体回油流量加大,发热量大增,导致性能失效。
       b. 齿轮齿面的磨损    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和薄油膜,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,此外重载磨擦的瞬时高温还可使齿面产生凹痕,反复工作使表面疲劳破坏,机械失效。
       c. 其它元件表面的破坏    各种类型的运动件如轴承、作动筒、阀类以及密封装置等,都会因油液的污染并在高温高压高速工作条件下不断破坏工作表面,表面破坏到一定程度就会引起功能失效。
     (2)油液变质的危害
     由于油液中进入水分和空气,可引起油液乳化,也可产生微生物和胶质状物质,更易引起酸碱度的变化,水和空气在金属微粒的作用下加剧了腐蚀,甚至引发突然故障。
       a. 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,造成过滤功能提前失效,引发集中污染或节流孔堵塞引起控制失灵。
       b. 运动件被卡死    破坏油膜,引起油液发热烧结增大磨擦力而剪断液压泵柱塞头,使液压泵在瞬间失效。
       c. 油液粘度变化    粘度是液压油的重要指标,要求它保证低温条件下顺利启动,也可以高温条件下保证润滑性能,当高温剪切和腐蚀破坏油液的理化性能和粘度后,油液粘度指标就无法满足高、低温条件下的工作需要,或低温阻力过大无法工作或高温破坏油膜失去润滑能力。
     (3)固体颗粒污染的试验结果    美国颇尔公司将与元件尺寸相当的固体颗粒清除掉,对系统产生良好的结果,见表1
  表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
泵/马达 泵和马达的寿命提高4~10倍
液压传动 元件寿命提高4~10倍
各种阀的寿命分别提高5~300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、污染物成分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。
       1.1.2 水污染的危害
水在液压系统中是一种严重的污染物,人们对此常不够重视。水对液压系统的最大危害是腐蚀,其他方面有产生氧化物、污垢及胶状物。
          (1)腐蚀是由酸的作用引起。当液压油中的硫及氯(如某些添加剂中含有硫,元件表面的净化过程易带入氯)与水结合时,就产生硫酸及盐酸。这些都对元件材料有腐蚀作用。
          (2)破坏油膜   无论是游离水或是乳化液存在于运动件表面,都能起到破坏油膜的作用,使摩擦副失去了润滑剂,加剧了磨损。
          (3)胶状物质增加磨损   当系统内有污染物存在时,污染物与水结合成污垢,对元件的磨损作用比水与污染物单独存在更大。磨损后的元件露出新的表面,则又易于腐蚀。水就成了加速磨损剂。水对油液的氧化过程也有加速作用。水与油液中的抗氧化添加剂作用会减弱抗氧剂的防护性能。
           (4)水污染的试验结果    美国Timken Bearing公司做一次油中含水量对轴承寿命的影响,试验结果近似如表2。
    表2   油中含水量对轴承寿命的影响
油中含水量(%) 0.0025 0.01 0.02 0.05 0.1 0.15 0.5
轴承寿命比率(%) 225 100 50 40 30 25 13.5
       从试验结果看,含水量增大10倍,即由0.01%(100ppm)增大到0.1%(1000ppm),轴承寿命由100%减小到30%,可见含水量对机器寿命影响的一斑。
       1.1.3 空气污染的危害
          (1)降低油液的弹性模量  当液压油中有游离气体存在时,就大幅度降低油液的弹性模量。例如:液压油在无游离气体时,弹性模量平均值为1510MPa,如果夹杂空气,油液的弹性模量会降到353 MPa 以下。弹性下降,造成系统响应迟缓,工作不稳定,有时引起爬行,尤其是自动化程度很高的机器,易引起失控,出现事故。
          (2)产生气蚀  当油液由低压区进到高压区时,气泡会瞬间被压缩破灭,此时产生的局部高温和高压冲击,造成元件表面恶化和剧烈振动,气泡破裂会产生巨大的冲击力,还伴随着高温火花,除引起机件破坏以外,还产生燃烧后残留的灰分,当灰分进入积炭中变得坚硬耐磨,加剧了机件磨损。
          (3)引起电液伺服阀工作失灵
精密控制的液压系统大多采用电液伺服控制,电液伺服阀是极其精密的元件,当油液中有微小气泡出现时,气泡就会影响节流孔通油能力,破坏力矩马达正常工作,造成输出控制失灵,产生废品。
          (4)增加系统的温升
当油液中含气量太多,低压区必然游离出气泡,而气泡被压缩耗费的能量转变成热量,引起系统温升,带来一系列弊病,例如:胶圈老化,系统漏油,油液润滑性能变差,引起严重磨损,有资料介绍,当系统油液温度降低8℃,油液寿命延长一倍。
          (5)促进油液氧化变质
     空气含量增加必然对油液产生氧化腐蚀,增加油液的酸值,缩短油液的使用寿命。
       1.2 如何减少油液中的污染物
       1.2.1 减少工作中生成的污染物
      系统在工作过程中生成污染物是必然的,有各种元件运动面之间及固体与流体之间的摩擦引起固体微粒的脱落;因气蚀产生局部高温引起金属表面的破坏、油液局部烧结而产生的固体物;也有因表面疲劳造成微粒剥离;密封圈或橡胶软管老化而逐渐脱落以及化学和电化学腐蚀等生成的各种污染物。
      这些污染物的产生不是人为的,但是人们是可以降低这些污染物生成率,设法减少它的产生,例如:选择合适的摩擦副,采用性能好的材料,减少系统内气体含量,提高非金属材料耐高、低温性能和耐老化性能,提高油液的粘度指数和降低油液的污染度水平等,这些都是工程技术人员不断追求的,采取各种措施以实现低污染生成率,不断延长各种元件的使用寿命。
      1.2.2 减少外界污染物的侵入
     外界污染物侵入系统,除在系统安装前没有清洗干净带入系统以外,主要是通过空气侵入到系统中去的,尤其是工程机械,通过油缸工作、加油、更换元件、清洗滤芯、拆卸导管时带入,最重要的是从开式油箱进到系统中去的。
      (1)开式油箱是污染物侵入最重要渠道
          a. 开式油箱无法阻止固体污染物的侵入
       目前广大工程机械设备,大多是采用与空气直接接触的开式油箱,论其原因:一是油箱容积较大,为增加热容量和散热表面;二是由于结构形式的约束,做成与空气隔离式,技术难度较大;第三是大多工程机械设计者对空气与油液直接接触的危害认识不足。实质上,开式油箱是外界污染物进入液压系统最主要的渠道。尽管开式油箱都加“”呼吸器”阻挡空气中灰尘进入,但是这种滤网网孔一般都大于10μm,对灰尘的堵截作用很有限;对系统危害最严重的固体颗粒是5~15μm的尺寸范围,此等尺寸的固体颗粒,尤其是硬度很大的SiO2、Al2O3等氧化物,当它跨接于摩擦副之间,对摩擦副的磨损最为严重,也可以与油泥混合在一起造成淤积或是卡死滑阀,引发突发故障。
          b. 开式油箱无法阻止水和空气的侵入
       由于在液压系统工作中,油箱的油面始终是变化的,所以开式油箱的气腔始终有空气的进出,称之为呼吸作用,固体颗粒和水也随着空气进入油箱,堵截污染物的滤网(称为呼吸器)对水和空气更是无能为力;尤其是空气湿度很大的季节或者区域,总是会有大量水进入油箱,而且还没有有效手段清除出去,所以油中进水是液压系统的顽症。
       2 行走机械液必须采用闭式油箱才能实现液压油污染度等级控制
       2.1 不采用闭式油箱无法实现油液污染度等级控制
      由于风的作用,大自然空气中人肉眼看不见的灰尘是无数的,尺寸小于40μm的颗粒长时间漂浮于空气中,随着液压油箱的呼吸作用,大量涌入系统中,这些污染物又加速了系统的磨损,又大量生成新 污染物;设置于系统中的滤油器,纳污容量是有限的,势必在户外的工作中,小颗粒污染物侵入量很快超过滤油器的净化能力,造成油液的污染度始终是高等级,即大大超过NAS1638标准的最高等级,引起寿命缩短、磨损加重,故障频频发生。
       我国飞机的液压系统早在80年代以前也多是采用开式油箱,用发动机引气为油箱增压,也同样装有空气滤,但实测各机种液压油的污染度,均在NAS1638  12级以上,而在采用闭式油箱以后,加上生产和使用各环节的严格控制,目前,已不超过9级,说明不隔绝大气污染源就无法实现液压系统污染的等级控制。
       2.2 只有采用闭式油箱才可能实施油液的污染度等级控制
只有采用闭式(与空气隔离)的液压油箱才能将油箱中的油液与大气隔绝,杜绝了呼吸作用,才可以有效的减少固体颗粒、水和空气的不断侵入。同时,对系统实施全方位的污染控制,包括:合理选择滤油器精度、系统管路和元件安装前的净化、严格维护工作,加上有效的地面净化装置,完全有可能实现不超过NAS1638  9~10级的污染度水平。
       2.3 采用闭式油箱应注意的事项
         a. 设置排气阀   采用闭式油箱须在油箱上方和系统的高处设置放气阀,以便定期将系统内的游离气体排出。
         b. 采用快速接头  在加油口(或地面净化装置接口)设置快速自封阀,以防在与地面净化设备或加油设备的连接过程中空气进入系统。
         c. 配置地面净化装置  采用闭式油箱是液压系统的设计方向,它隔绝了空气和空气中灰尘及水分的进入,但也存在着一旦进入系统就有排除困难的问题。因闭式油箱必然有增压,增压压力越高,空气的溶解量越大,放气阀只能放出游离的气体,溶解的气体无法放出,必须配以地面净化装置,定期实施净化才可将系统在维修工作中进入的空气排除。
     4. 采用闭式油箱可取得的社会效益和经济效益
        凡是有液压传动的地方,就必然设置液压油箱,只有将油箱与大气隔绝才能有效的阻止各种污染物的侵入,也才能实现减少磨损和腐蚀等一系列危害作用;只有这时才可谈及对液压系统实施全方位的污染控制:即是从设计、生产、安装、试验和使用各环节实施严格的污染控制要求。当全国的工程机械包括推土机、挖掘机、压路机、装卸运输车、坦克、装甲车、、、、、、等一系列机械都能实行油液污染度的等级控制,能够从目前无等级,既是远远超过NAS1638  12级的水平,降低到9~10级时,理论上可延长机械寿命4~8倍,成10倍的减少故障,大大的提高劳动生产率,真正实现长寿命、无故障的工作,在实现巨大经济效益的同时,也为建立资源节约和环境友好型社会作出一份重大贡献。
 
 
                                                12/6-08
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