液压伺服系统的污染控制

内容

说明

液压污染定义

净洁的系统油液中混入或生成一定数量的有害物质称为污染

液

压

污

染

类

型

外界侵

入污染

(1)不恰当的安装、维修或清洗使固体颗粒、纤维、密封碎片等进入系统

(2)空气中灰尘从密封不严的油箱或精度不高的空气滤清器进入系统

(3)贮运过程中油液受到污染，未经精密过滤将油液加入系统

内部自

生污染

(1)泵、阀、缸(马达)摩擦副的机械正常磨损产生的金属磨损颗粒或密封磨损颗粒

(2)软管或滤芯的脱落物

(3)油液劣化产物

内容

说明

污

染

物

的

种

类

颗粒状污染物

铁锈、金属屑、焊渣、砂石、灰尘等

纤维污染物

纤维、棉纱、密封胶带片、油漆皮等

化学污染物

油液氧化或残存的清洗溶剂引起的油液劣化胶质等

水或空气

从油箱或液压缸活塞杆处带入水分、热交换器泄漏进水、油液中的空气混入等

污

染

物

的

来

源

元件或装置的原有污染物

液压泵、阀、缸、马达、油箱、过滤器、阀块、管道、软管中原有的污染物

外界侵入污染物

(1)油箱通气、液压缸活塞杆密封、轴承密封进入的污染物

(2)系统组装、调试带入的外部污染物

内部生成污染物

系统运转或油液变质生成的污染物

维护造成的污染物

系统维修、更换元件、拆装及加油造成的污染

内容

说明

固体颗粒

的危害性

(1)固体颗粒最为普遍：颗粒尺寸从1~100μm以上不等，其中：＜10μm者，数量上占85%~95%以上，重量上占70%以上

(2)固体颗粒危害性最大：加速元件的磨损、老化、性能降低；堵塞导致控制失灵、引起故障、设备可靠性降低

颗

粒

形

状

和

尺

寸

形状

形状多样不规则：如多面体状、球状、片状和纤维状

尺寸

为定量描述污染颗粒的大小，需要定义颗粒的尺寸：

(1)对于形状规则的颗粒，采用球形体直径、正方体边长等

(2)对于形状不规则的颗粒，颗粒尺寸很大程度上取决于测量方法，例如，用显微镜测量时，以颗粒的最大长度作为颗粒尺寸；用光电仪器测量时，以等效投影面积的直径—投影直径作为颗粒尺寸

颗

粒

尺

寸

分

布

实际液压系统中，由于小颗粒尺寸的生成率高，数量很多，因而分布曲线向小颗粒尺寸偏斜，而非标准的正态分布

但采用对数坐标后，实际系统的颗粒尺寸便呈现对数正态分布规律

颗粒污染度的测定方法

详见表油液污染度的测量方法及特点

内容

说明

水污染来源

(1)热交换器泄漏

(2)从液压缸活塞杆密封处带进水分

(3)油箱顶盖结构或密封不当而渗水

(4)从空气滤清器吸入潮湿空气，冷凝后使油箱上部内表面出现水珠

(5)温度降低，溶解水析出，变成游离水

水在油中的存在形式

(1)溶解水：当油液中含水量低于饱和度时，水以溶解态存在于油液中

(2)游离水：当油液中含水量超过饱和度时，过量的水以水珠状悬浮在油液中，或以自由状态沉淀在油液底部。油液暴露在潮湿环境下，或与水接触，其吸水量大约经过8周可达饱和，油液的含水饱和度与油液的类型、黏度及油温有关，如图所示

常用油的含水饱和度：

液压油　0.02%~0.04%

润滑油　0.02%~0.075%

变压器油　0.003%~0.005%

水对液压系统的危害

(1)水与油添加剂中的硫或元件清洗剂中的残留氯作用产生硫酸或盐酸，对元件有强烈的腐蚀作用。实践表明：同时存在固体颗粒和水比单独存在固体颗粒、水时所产生的磨损及腐蚀的总和要严重得多，这是由于颗粒磨损后暴露出的新表面，易被水产生的酸类腐蚀

(2)水与油中某些添加剂易产生沉淀物，并加速油液的变质与劣化

(3)水与油因在泵、阀中高压、高速激烈搅动、乳化，使油膜变薄，润滑性降低，加速了金属表面的疲劳失效

(4)低温工作条件下，油液中水结成微小冰柱，易堵塞元件孔口或间隙，造成故障

脱水方法

沉淀法

用放水阀排水，只能除去游离水

离心脱水

用高速离心机脱水，只能除游离水

吸附脱水

只能除游离水，而且处理量很小

真空脱水

可除游离水和溶解水，适合单机及大批量处理，使用方便，性能价格比最优

内容

说明

油中空气的存在形式

(1)溶解于油液中：当油液中空气含量低于空气溶解饱和度时，空气溶解于油液中

(2)游离气泡：当油液中空气含量高于空气溶解饱和度时，以气泡形式悬浮于油液中

空气在油中的溶解度与压力、油液的种类及油温有关，如右图所示。1个大气压下，空气在矿物油中的溶解度为10%(体积)，即10L油液在大气环境下经过数天可溶解1L空气。当压力减小或温度升高时，溶解在油液中的空气会分离出来成为气泡

油液中的空气溶解度

空气对液压伺服系统的危害

(1)空气混入将大大降低油液的容积弹性模量，从而显著地降低液压谐振频率、系统响应速度及系统刚度。若油中空气含量1%(体积)，则β_e将降至纯净油液β_e的35.6%。纯油β_e＝1380MPa。空气含量对β_e的影响见右图

(2)油液混入空气使压缩性增大，压缩油液过程中消耗能量，并释放热量会使油温升高

(3)容易产生汽蚀，加剧元件表面的损坏，并易引起振动、噪声和不稳定

(4)加速油液的氧化变质、劣化

(5)油中气泡使油液的润滑性变差

β_e与油中空气含量及压力的关系

空气分离方法

加热脱气

温度升高，油中空气容易分离成气泡

真空脱气

压力低于饱和蒸气压力时，油中空气便可分离出来

方法

单位

特点

局限性

适用范围

光学显微镜颗粒计数法

个/mL

提供准确的颗粒尺寸及颗粒分布

计数时间长

实验室

自动颗粒计数器法

个/mL

快速、重复性好，自动打印计数结果

对颗粒浓度及非颗粒性污染物(水、空气、胶质)很敏感

实验室

便携式自动颗粒计数器亦可用于工厂现场

显微镜油液污染比较法

目视比较确定清洁度等级

在现场能较迅速测出系统油液清洁度等级，也可帮助确定污染物的种类。精度较好、重复精度也较高

只能提供近似的污染度等级

工厂现场

铁谱分析法

标定大/小颗粒数目

提供基本参数

无法检测非金属(青铜、黄铜、硅土等)颗粒数

实验室

光谱分析法

1×10^-6(质量分数)

验明污染物种类及含量

无法测出污染物颗粒尺寸大小

实验室

重量分析法

mg/L

显示污染物总重量

无法测出污染物颗粒尺寸大小

实验室

PCM 100

NAS 1638

ISO 4406

快速，可在线检测，不受气泡与水的影响

不提供具体颗粒数值

现场在线测试

概念

说明

高清洁度＝高可靠性

由于液压伺服系统的绝大多数故障是由于油液污染造成的，因此确保油液的高清洁度，意味着获得系统工作的高可靠度

新油是脏油

由于油液在贮运和管理过程中可能受到污染，即使是新油也必须看做是受过污染的脏油；新油必须通过精度足够高的过滤小车，才允许加入到系统中

动态间隙与间隙保护过滤

元件工作状态下的间隙称为动态间隙。典型液压阀的动态间隙：伺服阀1~5μm，比例阀3~8μm，换向阀3~10μm。颗粒尺寸与动态间隙相当时最为危险，易导致阀芯卡死、交流电磁铁线圈烧坏、响应慢、不稳定、磨损加剧、系统失效等；要把磨损降到最低，并最大限度地延长元件寿命，必须滤除间隙尺寸颗粒

磨损的种类与定义

磨料磨损——硬颗粒嵌在两运动表面之间、划伤一个或两个表面

粘附磨损——丧失油膜的两运动表面之间，金属对金属的接触磨损

疲劳磨损——嵌进间隙的颗粒引起表面应力集中点或微裂纹，由于危险区的重复应力作用扩展成金属剥离

冲刷磨损——高速液流中的精细颗粒磨掉节流棱边或关键表面

汽蚀磨损——泵吸油受阻造成气泡，气泡在高压腔爆聚产生冲击剥离金属表面

腐蚀磨损——油液中水或化学污染引起锈蚀或化学反应，使表面劣化

污染敏感度与污染耐受度

油液中某尺寸规范的固体颗粒对元件产生并导致性能下降的敏感程度称为污染敏感度

反之，小于某尺寸的固体颗粒，不致对元件造成显著磨损的耐受程度称为污染耐受度

临界颗粒尺寸

元件耐受的最大颗粒尺寸为临界颗粒尺寸

元件的临界颗粒尺寸是通过试验而测出的，即在净洁的油液中人为地逐段加入某尺寸范围的标准试验粉尘(ACFTD)作为颗粒污染物，通过试验评定性能下降时对污染敏感时的临界颗粒尺寸。液压泵以流量下降来评定，液压阀以污染淤积力来评定，比例阀和伺服阀则以滞环加大来评定。各种元件的临界颗粒尺寸是不同的

表面型过滤与深度型过滤

过滤器件壁薄，直接阻截颗粒污染物的过滤器为表面型过滤器，如网式、线隙式、片式过滤器

过滤器壁厚，除直接阻截外，还具有吸附作用的过滤器为深度型过滤器，如金属粉末过滤器、多层微孔纤维过滤器

表面型、深度型过滤器的过滤特性不同如图示

过滤比β_x与过滤效率

定义过滤比β_x为过滤器上游油液单位体积中大于某一给定尺寸x(μm)的颗粒数，与下游油液单位体积中大于同一尺寸的颗粒数的比值，过滤比反映了过滤器的过滤能力：过滤精度及过滤效率

根据β_x的定义，可得不同β_x的对应过滤效率

过滤精度的定义

名义过滤精度——由过滤器制造商指明的一个随意的微米值

绝对过滤精度——在规定试验条件下能穿过过滤器的最大颗粒的直径，它是滤芯中最大微孔尺寸的指标

过滤比——见上述