在用液壓油固體污染檢測技術及污染控制研究

劉享明，李洋，劉威，易少強，劉龍

(1.中國人民解放軍91315部隊，遼寧 大連 116041；2.中國人民解放軍91998部隊，遼寧 大連 116041)

0 引言

液壓油廣泛應用于機械加工、車輛、船舶、航空航天和軍事等設施設備上，其主要作用是液壓傳動，即在設備的液壓系統中實現能量的傳遞。同時，對于液壓系統來說，它還起著潤滑、防腐、防銹及冷卻等作用[1]。數據表明，大約70%～80%的液壓系統故障都是由于油液污染造成的[2]，其中，固體污染是液壓系統中最普遍、危害最大的污染物，液壓系統中由于固體污染物導致的故障占總污染故障的60%～70%[3]。如果在設備使用過程中對液壓油固體污染進行定期或不定期地檢測，及早發現污染程度，及時采取相應控制措施，就可以減少設備故障率，避免設備出現嚴重故障，甚至能夠避免一些無法彌補的事故，進而延長液壓油及設備的使用壽命、節約設備維修成本。因此，在用液壓油的固體污染物檢測技術至關重要。

1 在用液壓油固體污染的來源

在用液壓油固體污染物主要是以不同形狀、尺寸的顆粒形式存在于液壓油中，其主要有四方面的來源：一是油品污染，二是固體殘留污染，三是生成污染，四是外部侵入污染。

(1)油品污染

主要指液壓油在生產、存儲、運輸及加油過程中產生的污染。例如供應給廠家的新油油桶在裝油前本身已經被污染(桶內混入顆粒物質)；液壓油在存儲、運輸過程中密封不嚴甚至密封破損，進入灰塵或沙粒造成污染；在給設備加油過程中使用的一些工具(如加油漏斗、油管、抹布、手套等)不干凈或加油操作不嚴謹，會造成污染。

(2)固體殘留污染

主要指液壓系統各零部件在加工、運輸、安裝及維修維護過程中對混入零件內部的金屬屑、焊渣、磨屑、銹渣、油垢、沙粒、塵埃、棉紗和碎抹布等雜物沒有清理干凈，導致這些固體污染物殘留在零件內部，最后進入液壓油中形成污染。

(3)生成污染

主要指液壓系統在運行過程中由于自身的運轉生成一些固體顆?；蚋郊赢a物，主要包括液壓系統摩擦副間的磨損顆粒(金屬碎屑)；液壓設備運轉過程金屬零件、密封材料、橡膠軟管、過濾材料等部件間振動、摩擦產生的固體顆粒(如密封橡膠墊碎屑、金屬管剝落的油漆皮)；液壓油在高溫環境下發生一些化學變化(如氧化反應)而生成一些黏滯物、浸漆物及產生的油泥、油垢、沉淀[2]。

(4)外部侵入污染

主要指液壓系統所處的周圍環境產生的污染，例如粉塵較大的環境中，灰塵或其他雜物會通過油箱通氣孔、設備加油孔等外露部位進入液壓油形成污染；另外，設備檢修時也有可能將外界固體雜物帶入液壓系統中。

2 在用液壓油固體污染的危害

液壓系統主要功能是能量轉換，不同的液壓系統其工作原理及功能結構大同小異，如圖1。液壓油固體污染直接影響液壓系統工作狀態，甚至能夠使液壓系統突然停止工作，危害較大。

圖1 液壓系統功能結構示意

(1)堵塞管路

由圖1可看出，液壓系統包含很多輸油管道、閥門(壓力閥、方向閥、流量閥等)及過濾裝置(濾油器)。固體污染顆粒不斷地沉降在管道中，隨著時間推移，輸油管路會變窄，形成阻塞，影響液壓系統能量轉換效能；微小顆粒在各閥門間隙內淤積，會逐漸使得閥芯卡緊甚至卡死，導致控制系統失靈；微小顆粒在過濾裝置中的濾網上不斷堆積，逐漸堵塞過濾網，極易造成油路中斷。

(2)使設備突然失效

圖1中動力設備主要是各種液壓泵，如齒輪泵、柱塞泵、葉片泵、螺桿泵等[1]，它們的作用就是將機械能轉換為液壓能，是液壓系統中的核心部件。較大顆粒污染物會進入這些部件使得這些設備突然失效，進而使得整個液壓系統停擺，如大顆粒污染物會將葉片泵的葉片打變形甚至打斷或卡死整個葉片；較大顆粒污染物會迅速堵塞閥門、濾網使得這些部件迅速功能失效，導致整個液壓系統停止工作。

(3)加速設備磨損

液壓油中的污染顆粒會進入各部件相對運動表面(摩擦副表面)之間，形成黏著磨損、疲勞磨損及磨粒磨損，加速設備磨損；當含有顆粒的液壓油高流速在整個管路循環時，這些顆粒會對管內壁、閥口及元件表面等部位產生沖擊，形成沖蝕磨損，其破壞力與液壓油流速平方成正比[2]，顆粒越堅硬、形狀越尖銳、體積越大，破壞性更強。

3 在用液壓油固體污染物檢測技術

在用液壓油固體污染物檢測一個重要目的是實現對液壓系統早期故障的預測或預警及故障診斷，及時采取污染控制措施，減少系統故障率。液壓油固體污染物的檢測一般分兩大步，第一步是檢測在用液壓油污染度，第二步是鑒別污染物材質，為查清污染來源提供參考依據。

3.1 在用液壓油污染度檢測技術

油液污染度一般指單位容積油液中固體顆粒污染物的含量，即油液中所含固體顆粒污染物的濃度[3]。污染度檢測技術比較多，有稱重法、顆粒計數法、電測法、庫爾特法、機械縫隙法、超聲波法、光測法及淤積法等[2]，較常用的是稱重法及顆粒計數法，其中顆粒計數法又有顯微鏡計數法和自動顆粒計數法。

(1)稱重法

稱重法[3-4](如圖2)原理和操作都比較簡單，簡而言之就是對液壓油樣品進行過濾，稱出過濾后的顆粒重量，進而計算污染度，實際操作時分如下幾步：

①將兩片(代號A、B)烘干后的0.2 μm孔徑濾膜分別用精密天平稱重，得到重量分別為mA、mB；

②將A、B濾膜上下重疊，在濾膜夾持器內夾緊；

③將100 mL經石油醚稀釋的樣液在真空裝置的作用下緩慢地流過A、B濾膜，實現過濾，從而樣液中的顆粒就會聚集在兩片濾膜上,得到過濾后樣液容積V(mL)；

④烘干A、B濾膜；

⑤分別用精密天平稱重兩片濾膜，得到重量MA、MB；

⑥計算油液污染度W(mg/L)，公式如下：

一般來說，稱重時天平精度至少應控制在0.05 mg。稱重法雖然方法、原理簡單，但稱重法存在兩個局限性：

a)可靠性不高。主要是因為濾膜烘干的程度難以精確控制，所以計算后的污染度結果有時差異很大，可靠性不高，只能粗略反應油液的污染度。

b)反映的污染度指標單一。稱重法檢測的結果只能反映出油液顆粒污染物的一個總量，并不能反映顆粒尺寸大小及其分布。

所以稱重法主要應用于要求快速、精度要求不高、經濟性的檢測場合。

(2)顆粒計數法

顆粒計數法是測定樣液單位容積中各種尺寸范圍顆粒污染物的顆粒數[4]，主要有視場掃描方法和液流掃描方法，具體分類[4]如表1。

由表1中可以看出遮光型自動顆粒計數器測量尺寸為1～9000 μm，測量范圍比較廣，因此遮光型自動顆粒計數器應用比較廣泛。

表1 顆粒計數法分類

遮光型自動顆粒計數器原理是根據樣液中污染顆粒的尺寸和數量以污染度等級的方式定量描述樣液中的污染狀態，其原理[5]如圖3。

圖3 遮光法示意

平行光束垂直穿過截面積為S1的樣品檢測區，照射到光電接收器上，液體流過檢測區，當液體中沒有顆粒時，電路輸出電壓為E1，當液體中有一個投影面積為S2的顆粒通過時，阻擋了部分平行光，此時，電路輸出電壓為E2：

E2=(S2/S1)×E1

S1、E1值是確定值，可見S2與E2成正比，即顆粒投影面積與輸出電壓成線性關系。

在國內，目前廣泛采用的污染度等級標準是美國國家宇航學會在1964年提出的NAS 1638標準及GB/T 14039-2002標準。NAS 1638標準是劃分出5個顆粒尺寸對應的數量區間，按照100 mL樣液中所處顆粒區間的允許最大顆粒數量分14個污染等級；GB/T 14039-2002是對GB/T 14039-1993(等效ISO 4406)的修訂版，采用兩個斜線分隔的三個數字表示污染等級，前一個數字表示1 mL樣液中大于等于4 μm顆粒數的代碼，中間數字表示1 mL樣液中大于等于6 μm顆粒數的代碼，后一個表示1 mL樣液中大于等于14 μm顆粒的代碼[4]。

用遮光法測定液壓油污染度等級要確保準確性，在檢測過程中需要注意以下幾方面：

a)顆粒計數器要清洗干凈。檢測前如果顆粒計數器管道內殘留上次檢測的樣液會造成本次樣液二次污染，導致污染度檢測不準。

b)分散沉降或結塊。有些放置久了的樣液中有顆粒沉降或結塊，這會導致顆粒分布不均勻，不能反應在用油真實污染狀況，導致污染度檢測不準，可以采用手工搖伴或超聲槽進行分散。

c)樣液脫氣。取樣或分散搖拌時樣液中會有氣泡，在通過顆粒計數器時這些氣泡會當做固體顆粒計數，可以通過超聲波槽除泡。

3.2 在用液壓油固體油污染物材質鑒別

對于在用的液壓系統來說，檢測其液壓油的污染度是否超標是一項重要性日常監測工作，對于污染度超標的在用液壓油，還應查明污染來源，這就需要對固體污染物的材質進行鑒別。用于液壓油固體污染物材料分析的技術主要有：原子發射光譜法、原子吸收光譜法、X射線熒光能譜法及分析式鐵譜法，從操作方便性、安全性、經濟性、日常維護及檢測效率等綜合因素考慮，當前較常用的是原子發射光譜法，其次是分析式鐵譜法。四種方法優缺點[3,5]如表2所示。

表2 四種固體污染物材質鑒別方法優缺點

4 在用液壓油固體污染控制

在用液壓油固體污染控制就是要消除一切能夠使固體物質進入液壓油的因素，從而避免液壓油發生固體污染，可以從液壓設備制造、安裝及維修、新油三方面采取措施進行固體污染控制。

(1)液壓設備制造過程固體污染控制

①液壓部件應設計成易于清洗的結構；設計所要求使用的設備材料間(如油、橡膠密封圈、有關金屬之間)要確保在高溫下不發生化學反應。

②在加工液壓部件時應嚴格加工工藝及質量，避免留有尖銳邊、角或毛刺，避免磨屑、切屑等雜物殘留在部件內部。

③部件加工完成后應封閉包裝，特別是油箱口、各種接頭均應堵塞，并直至運輸到安裝現場安裝時再解封。

(2)安裝及維修過程固體污染控制

①安裝時不應戴手套；不應用纖維織品擦拭；不應強力作用各部件，例如強力敲打。如果確需敲打時，不應用鐵錘，可用木錘、橡皮錘、銅棒等。

②避免裝配不合適的管材管件，應采用氬弧焊；在安裝現場各部件的相關接口要封堵好，且切割、打磨時要做好隔離。

③應選取合適的密封材料，嚴禁采用鉛油麻絲、膠粘劑作為密封材料。

④應加強日常系統維護，避免經常出現故障而頻繁維修。

⑤對于新安裝或大修后安裝設備時，一定要進行管道及部件內部清潔，先進行酸洗，再進行多次油沖洗，直至油品污染度合格。

(3)新油控制污染

①對于新油在運輸和存儲過程中要確保密封，防止灰塵、沙粒落入。

②在加注新油時采用的用具(如漏斗、油管)要確保干凈，周圍環境確保無灰塵。

5 結論

固體污染是在用液壓油一種危害最大的污染，直接影響著液壓系統的工作狀態，及時對在用液壓油固體污染進行檢測和控制能夠有效提高液壓油換油周期，減少液壓系統故障率，節約運行成本。