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液压系统油液的污染与控制技术

文章出处:威海戥同测试设备有限公司 人气:发表时间:2017-12-26
(威海戥同测试设备有限公司   威海264209)
 
    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。2μm的颗粒也是研究的重要对象。
肉眼可见的最小颗粒尺寸为40μm,一些不同类型的微小固体颗粒尺寸范围见表2﹒1-1。
 
                 表2.1-1一些颗粒的尺寸范围
 

 

物质 尺寸μm 物质 尺寸
盐面颗粒 100 可可粉颗粒 8~10
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
9—10
加工磨屑
大切屑
4—7
加工切屑
硅砂
7
环境
火山灰
6.5
环境
磨损硬金属
4—7
系统生成
金属氧化物
(特别是AL2O3
 
高达9
 
系统生成
4.5
系统生成
2.5
系统生成
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围内得到广泛认可。表2.1-3是NAS1638—1964,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(μm) 等     级
00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
5—15 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 32000 64000 128000 256000 512000 1024000
15—25 22 44 89 178 356 712 1425 2850 5700 11400 22800 45600 91000 182400
25—50 4 8 16 32 63 126 253 506 1012 2025 4050 8100 16200 32400
50—100 1 2 3 6 11 22 45 90 180 360 720 1440 2880 5760
>100 0 0 1 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024
 
                                                       
                经过多年的实际使用后,在吸收ISO4406优点的基础上,对NAS1638—1964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
尺寸(μm)
000 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
>1 195 390 780 1560 3120 6250 12500 25000 50000 100000 200000 400000 800000 1600000 3200000
>5 76 152 304 609 1220 2430 4860 9730 19500 38900 77900 156000 311000 623000 1250000
>15 14 27 54 109 217 432 864 1730 3460 6920 13900 27700 54400 111000 222000
>25 3 5 10 20 39 76 152 306 612 1220 2450 4900 9800 19600 39200
>50 1 1 2 4 7