一種潤滑油凈化過濾技術的應用

萬安安，鐘軍明

（江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

潤滑油被譽為機械設備的“血液”，能對機械設備起到潤滑、清潔、冷卻、密封、減磨、防銹、防蝕等作用。發動機、齒輪箱、液壓元件等部件是采礦生產設備的關鍵部件，其間有許多相互摩擦運動的金屬表面，這些部件運動速度快、負荷大、環境差等特點，局部工作溫度高。在這樣惡劣的工況下面，只有潤滑油品質合格才可降低零部件的磨損，延長使用壽命。

根據設備故障經驗數據表明，大部分的液壓類故障都是油品污染引起的，這其中除了管理上問題外，還由于近年來發動機、齒輪箱、液壓元件精密程度越來越高，運動間隙變小，對超細微粒越來越敏感所致。油品狀況是整個系統健康最好的指示器，提高對于重大設備的油品管理及維護工作，能夠及早發現和預防故障，縮短維修時間、減少額外維修維護成本及停產損失。與其等待因油品污染引起的故障出現，不如把油品作為工具，持續保持油品的良好狀況，在故障真正出現之前就把它解決掉。因此，投入一個與使用設備相適應的高效潤滑過濾系統，把使用潤滑中產生的污染物及時分離出來，既保證使用的油品質量穩定也可以延長油品使用周期，是國際通用的油品管理理念。

2 油品污染控制

控制油品污染最好的方法是在第一時間阻止污染物進入油系統和過程凈化過濾處理。這樣能夠保證所有的機械元件在安裝的時候都是干凈的，油系統在投入使用之前也需要經過徹底沖洗。并且油系統需要與外部環境完全隔離，使用完整的密封件和墊圈，以及高質量的油槽通氣孔和顆粒物水分隔絕裝置［1］。

2.1 顆粒物污染

固體顆粒物是是油污染失效最主要的原因。危害最大的就是尺寸相近或者略大于油系統齒輪間容差的顆粒物，如圖1 所示。

圖1 潤滑一個徑向軸承

油系統齒輪間容差極其精細，表1 指出了在不同的元件中的各種容差。

表1 動態油膜

1 μm= 1/1000 mm 或者相當于煙草煙霧顆粒大小。

當微小的磨料顆粒，例如沙粒和塵埃進入到油系統當中，然后隨著油進入到系統關鍵元件當中，擠入精密間隙，這導致了系統表面的磨損。例如，滾珠軸承所受的負載和應力循環會造成接觸面的龜裂和研磨，進一步發展會使內部金屬結構退化，產生并釋放更大尺寸的碎片，如圖2 所示。

圖2 疲勞磨損

極端大量的顆粒物會對油品中的各種添加劑造成擠壓。如果顆粒物的污染問題得不到控制，油品中的添加劑特別是清潔劑和分布劑將可能耗盡。

對于顆粒污染物而言，油品所需達到的清潔程度，取決于系統元件的敏感程度，和系統失效的損失有多大。

2.2 水污染

水是機械失效的主要原因之一。在一些水污染嚴重的油系統中，水是機械失效最主要的原因，比如造紙工業。由于粘度的降低和有限的對水的負載能力，油品的潤滑性降低。由于水的粘度和負載能力低，水會降低油的潤滑性能。當水分出現在高壓處，比如齒輪和軸承，水滴破裂（爆裂），這導致了金屬表面的點蝕［2］，更可能在水蒸氣暫時趕走油的時候出現金屬和金屬的直接接觸，水中的游離氫離子更會加劇這一現象，氫離子進入元件之間使得金屬變脆，易于損壞，水還會導致腐蝕，進一步造成金屬表面的損壞，如圖3 所示。

圖3 點蝕

此外，水會成為油品降解的催化劑，加速油品氧化和產生清漆、油泥和脂類。

水在油品中可以以溶解水，乳化水和自由水的形式存在。某一種類型的油里面可以溶解或者懸浮取決于基礎油的類型，添加劑，溫度和壓力。一些油設計可以保持大量水分懸浮，例如潤滑油。為了更長的油品壽命和優化對系統元件的保護，不推薦在油里面存有乳化和自由水。

2.3 油品降解物

在絕大多數工業行業，油品降解產物或者軟性污染物廣泛存在。在液壓和潤滑系統中，這些產物就是油泥的前身。

如果油品由于高溫，水分和化學污染物而發生降解，比如銅，油品的組成和功能就會發生改變，導致以下產物的形成：

（1）酸；

（2）聚合物溶解于熱油之中（就是俗稱的油泥和脂類)；

（3）清漆沉淀析出，沉淀在溫度低一些的機器元件上。

清漆產物在金屬表面形成了一個粘性油膜層，輕易就能影響精細公差，卡住定向控制閥。硬質顆粒物陷入油膜層，形成了一個像砂紙一樣的表面，嚴重加劇了系統表面的磨損。清漆還將影響油品冷卻器，阻塞油品通路和在線過濾器，影響潤滑等等，如圖4 所示。

圖4 減壓閥柱塞上的清漆

2.4 酸污染

酸作為油品降解的副產物存在，或來源于氣體或燃料燃燒，酯類水解等等。對于新油，不考慮添加劑影響，則通常石油產品精制程度越高，酸性物質越少，對于舊油，在使用過程中因氧化變質或水解反應，導致酸性物質增加，這些酸性物質不僅降低油品潤滑性，還會加速設備磨損和腐蝕，提高設備故障率。因此，油品中的酸需要控制在一個合理的范圍，在工業潤滑油品的后期使用階段，應重點關注其酸值的變化情況。

酸值，也稱作AN 或者TAN，采用滴定法，使用一定量的強堿如氫氧化鉀來中和油里面的酸。原理是中和1g 樣品中游離的酸所需要的氫氧化鉀毫克數。

酸值不允許比新油高+0.5AN，如果酸值增加到1AN 則需要立即采取措施。例如：如果新油是0.5AN, 那么1.0AN 就需要警惕，1.5AN 就是警報了。

油中的酸可以采用多種方法中和。一個很簡單的方法是利用油中的堿。在油氣和柴油引擎中利用高堿值 (BN 或TBN)可以完成。經驗一般是當BN降到新油的 30%時換油。

3 潤滑油過濾技術簡介

近年以來，國內外已經開始對高清潔度潤滑油的凈化技術進行了研究，目前研制出的一些高清潔度潤滑油的凈化裝置，能夠在油液凈化方面發揮重要作用，根據凈化原理的區別，可以區分為三種凈化過濾技術［3］，下面進行簡單的介紹。

3.1 高精度濾芯過濾技術

高精度濾芯過濾技術的關鍵是在油液凈化裝置泵出口的高壓管路中加裝了若干個專用的精密濾芯式過濾器，其過濾精度按NAS-1638 標準取樣達4級。高精度濾芯過濾裝置通常采用系統供壓和凈化相結合的方式，不僅為潤滑系統提供能源，操縱相關元件運動，進行性能檢查，同時還能清洗、凈化潤滑系統，濾除油液中大部分顆粒污染物。高精度濾芯過濾裝置具有過濾精度高，使用方便，自動化程度較高等特點，在工程中應用比較廣泛，其主要工作原理見圖5 所示。

圖5 高精度濾芯裝置工作原理

3.2 靜電過濾技術

對潤滑油進行靜電過濾是根據油液為絕緣流體的特性，利用高壓靜電產生較強的吸附能力，達到清除油液中污染物的作用。靜電濾油機依據異性相吸的原理，利用油與水、膠質雜質、機械雜質等雜質粒子的Z 電位的不同，當雜質粒子隨油液流動

至高壓電極板之間時，即迅速泳向相反電極方向，并附著在電極板之間的積塵濾材上。同時，在靜電力的作用下，附著在積塵濾材上的雜質粒子，還可以像磁場中的鐵屑一樣，又去吸引其它的雜質粒子。其分離原則與污染物的大小無關，只與被分離物體的Z 電位有關，其主要工作原理見圖6 所示。

圖6 靜電過濾器工作原理

3.3 離心過濾技術

離心過濾技術就是采用離心機對液壓油箱內的油液直接凈化的技術，離心機的工作不受液壓系統的制約。利用離心機將含有顆粒等污染物的油液高速旋轉，使密度大于油液的雜質甩出，達到凈油的目的，其主要工作原理見圖7.在工程實際應用中，常采取離心過濾器與濾芯式過濾器相組合的過濾方法，并以離心過濾為主，以濾芯過濾為輔，使過濾效果更好。

圖7 離心過濾器工作原理

4 高精度離線過濾濾芯技術的應用

根據城門山銅礦采礦場實際工作現狀，該礦選用了高精度離線精濾器對采礦設備液壓油進行了過濾凈化試驗，分別安排了設備狀況相近的二臺運輸車輛液壓油進行過濾凈化，過濾時長分別為3h 和8h，并將過濾前、后油樣與新油油樣送至專業檢測機構進行數據檢測［4］。1#車液壓油使用了2000h，過濾3h；2#車液壓油使用了2000h，過濾8h。油樣檢測項目有元素分析（鋁、銅、鐵、鉻、鉛、錫、硅、鈉、鈣、磷、鋅、鎂、硼、鉬、鎳、錳、鋇）、運動粘度（100℃）、堿值、水分、紅外光譜（氧化水平、硝化水平、煙炱、燃油稀釋、乙二醇）、金屬磨粒與污染物。檢測項目中，鋁、鐵、銅、鉻、鉛、錫為磨損金屬，硅、鈉、鉀、硼為外部污染物，鈣、磷、鋅、鉬為油品添加劑［5］。具體檢測數據和對比結果見表2、表3、表4。

根據油樣數據對比分析，油液中磨損金屬中鐵含量（mg/kg）下降較多，鋁含量（mg/kg）、鉻含量（mg/kg）、鉛含量（mg/kg）過濾較徹底，但鐵含量（mg/kg）、銅含量（mg/kg）還有部分殘留；外部污染物中硅含量（mg/kg）下降較多，鈉含量（mg/kg）、鉀含量（mg/kg）、硼含量（mg/kg）過濾較徹底。

表3 2#車油樣過濾前后檢測結果2#車油樣（過濾8h）

根據油樣數據對比分析，油液中磨損金屬中鐵含量（mg/kg）、銅含量（mg/kg）下降較多，鋁含量（mg/kg）、鉻含量（mg/kg）、鉛含量（mg/kg）、錫（mg/kg）過濾較徹底，但鐵含量（mg/kg）、銅含量（mg/kg）還有部分殘留；外部污染物中硅含量（mg/kg）徹底清除。

從表中的數據對比可以得出，液壓油經過濾后，極大地減少了油液中的磨損金屬含量與污染物含量，磨損金屬鐵、銅含量略有殘留，磨損金屬鋁、鉻、鉛、錫含量基本清除干凈，外部污染物硅、鈉、硼含量基本清除干凈，整體數據檢測結果接近新油標準。根據使用經驗，如延長過濾時間，可進一步減少磨損金屬含量和污染物含量。據此推斷，采取定期過濾油品的方式，可以減少因顆粒物污染對系統元件的磨損，降低由此產生的故障，延長設備正常使用壽命。

鈣、磷、鋅、鉬等油品添加劑為化學物質，整體含量變化與液壓系統使用中的磨損、高溫等因素有關，不會因物理過濾而改變。油品添加劑含量小幅度的變化基本不影響液壓油的正常使用。

根據油品更換關鍵指標要求：液壓油粘度變化率不超過±10%，水分變化率不超過0.1%，酸值變化率不超過0.3mgKOH/g，過濾后的液壓油符合該標準。

由此推斷，液壓油經過濾后，基本符合新油標準，可以適量延長使用時間。

表4 過濾后油樣與新油油樣檢測結果

5 結語

城門山銅礦采礦場生產主要設備超30 臺/套，潤滑油用量尤其以液壓油居多，年平均使用量約1 萬L，如果能延長液壓油使用周期，故障處理油品循環再利用，直接節約成本接近10 萬元。從提質增效來看，首先是直接成本如潤滑油的直接購買成本得到顯著的降低，再次是間接成本降低，如較少的了保養的頻率和更換油液的時間，可有效降低人力成本，提高生產效率，減少設備異常帶來的經濟損失。從社會發展形勢看，走綠色可持續發展，礦山企業從經濟效益和社會責任角度考慮，都在走一條綠色節能可持續發展道路［6］。隨著社會進步和人民生活水平的提高，人們對生態環境的要求越來越高，綠色發展是大勢所趨。潤滑油過濾凈化系統是尊重生態、敬畏自然的綠色礦山項目，因此必將得到企業的重視。潤滑油過濾凈化的研究開發既符合國家節能減排、產業升級、智能制造的政策要求，也符合企業減員降本增效的客觀發展需要，因而一定能夠得到礦山市場的認可。