顆粒污染對工程機械可靠性影響分析及應對

劉卜瑜

摘要：本文概括了顆粒物污染對工程機械工作可靠性可能造成的影響，總結了工程機械液壓系統顆粒物可能的來源，提出了建議性的應對措施。

Abstract： This article summarizes the possible impact of particulate pollution on the reliability of construction machineries， summarizes the possible sources of particulates in the hydraulic system of construction machineries， and proposes recommended countermeasures.

關鍵詞：液壓油;清潔度;工程機械;可靠性;顆粒污染

Key words： hydraulic oil;cleanliness;construction machineries;reliability;particulate pollution

0 ?引言

工程機械行業現已成為我國國民經濟建設的重要支柱產業，經過多年發展，我國工程機械的產業結構和產品結構不斷得到優化、發展和完善，我國儼然已經成為全球工程機械產品類別、品種最齊全的國家之一。隨著工程機械工業的發展，設備工作的可靠性和穩定性越來越得到人們重視[1]。以挖掘機為例，據相關資料統計顯示，大約50%的液壓挖掘機常見故障發生在液壓系統，而挖掘機液壓系統故障的75%是由液壓油清潔度問題造成的[2]。因此，總結顆粒物污染對工程機械工作可靠性的影響，分析相關原因并制定相應的應對措施就顯得尤為重要。

1 ?顆粒物污染對工程機械工作可靠性的影響

液壓系統工作的可靠性決定了工程機械的可靠性。工程機械液壓系統的可靠性與液壓系統的清潔度密切相關，顆粒物污染是影響工程機械液壓系統清潔度的直接原因并會對工程機械的可靠性產生一系列影響，主要體現在以下幾方面[3]：

①降低液壓泵的工作效率。一定尺寸顆粒物的侵入，在一定程度上會造成液壓泵的磨損，進而導致液壓泵在工作時內泄漏量增大，繼而導致泵的輸出流量降低、壓力下降、效率下降。

②影響液壓缸的可靠性。顆粒物的侵入，在一定情況下會造成液壓缸密封件的磨損，到一定程度時會導致液壓缸密封件失效，進而導致液壓缸內、外部液壓油的泄漏，最終降低液壓缸工作的可靠性。

③降低液壓閥的可靠性，造成卡閥、閥件控制失效等故障。研究表明，顆粒物污染可以引起溢流閥動作滯后、引起滑閥閥芯粘滯或卡緊、引起伺服閥的輸出平穩性及響應速度降低、引起比例閥比例控制特性的精度降低甚至失去控制特性。

④加速液壓油老化。液壓泵效率下降會導致液壓油工作溫度的升高，液壓泵及閥件磨損產生的金屬顆粒會在較高溫度下成為液壓油氧化的催化劑，加速液壓油老化變質。

⑤引起液壓元件磨損的鏈式反應。液壓系統中的顆粒物導致液壓元件磨損產生磨粒后，如果得不到有效控制，磨損產生的顆粒就會成為新的污染物，甚至有些磨粒會變得比其原材料更堅硬，進而引起更嚴重的磨損，造成惡性循環。

2 ?顆粒物來源分析

工程機械液壓系統中的顆粒物按來源劃分主要可以歸于兩個方向：一是液壓系統相關組件，如各液壓元件包括液壓油等;二是使用維護過程中外界侵入。按顆粒物的獲得時間可大致分為“與生俱來”即新設備出廠就已經獲得和“后天生成”即設備在使用過程中獲得的兩個時間范疇。下面按照時間維度對顆粒物的來源進行分析。

2.1 “與生俱來”的顆粒物

2.1.1 液壓油（新油）清潔度不夠引入顆粒物

液壓油（新油）中的顆粒物來源主要有兩方面：一是由于液壓油生產工藝對清潔度的控制力度不夠造成的;另一方面是液壓油在運輸儲存過程中保存不當造成的。

2.1.2 液壓元件清潔度不夠引入顆粒物[4][5]

液壓元件從原材料到加工制造再到用戶手中，通常要經歷原材料（鑄件）→機械加工→元件裝配→出廠試驗→涂漆和封裝→產品包裝→儲存和運輸等一系列流程，過程中通常需要對材料（鑄件）的毛坯進行清理，在機械加工過程中需開展工序間的清洗，在元件裝配前后分別需對裝配前的零件和裝配后的元件進行清洗以保證達到原件的清潔度要求并加以保持，在涂漆封裝前需要涂裝前的清洗，每個環節都至關重要，清理保持不當便會造成液壓元件的顆粒物污染。另一方面，液壓油箱焊接過程中的焊渣和焊瘤、液壓油管路中的毛刺等均可能成為顆粒物污染的因素。

2.1.3 工程機械設備裝配安裝過程引入顆粒物

對液壓油來講，在工程機械出廠前對設備加注液壓油過程中未對其清潔度進行有效控制是造成顆粒物污染的主要途徑。

對工程機械的裝配過程來講，各部件的組裝過程顆粒物的污染控制不當會造成顆粒物的污染。對組裝過程中的液壓泵、閥件（尤其是高精密的伺服閥、比例控制閥等）、液壓馬達、液壓缸等在裝配前必須保證包裝完好，各元件裝配完成后的管路接頭等部位必須保證嚴格的密封;對于部裝好的零部件，如液壓油的油箱及相關的全部接口法蘭均需保證良好的密封[5]。

2.2 “后天生成”的顆粒物

2.2.1 液壓油老化生成的顆粒物

液壓油在工作時會處于高溫、有氧、與金屬接觸的環境，上述環境具備了液壓油氧化的條件，即高溫、氧氣、金屬催化，因此，液壓油在使用過程中的氧化不可避免。液壓油的氧化通常會導致一些氧化過程產物的聚合反應，最終生成漆膜、油泥，進而對液壓系統產生影響。

2.2.2 設備使用過程中的磨損及維護不當引入顆粒物

設備使用過程中顆粒物的引入通常發生在液壓系統的運動部件，如泵、閥、液壓馬達、液壓缸等部位，主要是由磨損造成的，在液壓缸伸縮工作時也有可能因動靜件之間的密封不當將污染物引入液壓系統。維護不當也會引入污染物，如在設備檢修、換油、零件更換等過程中，工作環境顆粒物較多或在零部件安裝過程中沒有注意對顆粒物污染進行有效控制，液壓系統過濾器失效或未定期更換等情況均有可能引入顆粒物。

3 ?液壓油中顆粒物檢測及注意事項

3.1 液壓油中顆粒物的檢測

目前國際常用的液壓油顆粒物污染等級分類標準是ISO 4406和NAS1638，這兩個標準均采用自動顆粒計數器計數，不同之處在于對污染度進行等級劃分的規則不同。ISO 4406采用3組數字報告顆粒物污染等級，3組數字依次表征1毫升液壓油中顆粒尺寸≥4μm（c）、≥6μm（c）、≥14μm（c）的顆粒數;NAS1638首先按照粒徑尺寸劃分5～15μm、15～25μm、25～50μm、50～100μm、>100μm共5個范圍并分別按照顆粒數的多少對每個范圍制定對應的污染等級，之后對5個范圍分別統計每100毫升油樣中顆粒物的數量，進而得出每個范圍的污染等級，取5個范圍中最差的一個結果作為最終結果。我國也制定了相關標準用于指導液壓油污染物測定及分類定級，其中GB/T14039-2002《液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號》修改采用了ISO 4406：1999《液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號》（英文版）[6-10]。

3.2 客觀監測液壓油中顆粒物污染需注意的事項

客觀開展液壓油中顆粒物的監測工作，是一項細致并具有一定難度的工作，因為諸多因素均可能影響最終的檢測結果從而不能真實反映液壓系統中顆粒物污染程度。為了保證檢測結果的客觀性，需注意如下事項：

①減少取樣環境及取樣過程對測試結果的影響。在液壓油取樣時，要特別注意取樣環境的顆粒物、粉塵情況，盡量選擇相對清潔、無風、無揚塵的環境取樣。同時，在取樣時應首先對放油口及其周邊進行清理，盡量保證無容易脫落的顆粒、灰塵等物質。

②減少取樣工具及容器污染對測試結果的影響。對開展清潔度測試的液壓油來講，其取樣工具及容器需要足夠清潔，條件具備時，可聯系測試方提供專用取樣工具及容器進行取樣。取樣完畢后立即封存并保證取樣容器的密封性。

4 ?避免顆粒物污染的措施

有效避免顆粒物污染對工程機械帶來的負面影響，需要從設備零部件選型、制造部裝、使用維護等多維度共同開展工作。

①在液壓元件、液壓油選型時，選擇具有清潔度保障的供應商，尤其是液壓油的選型，目前國內市場液壓油新油的清潔度參差不齊，盡量選擇知名度較高的液壓油供應商，中國石化長城液壓油產品就具有較好的清潔度，并且可以根據客戶具體需求生產不同等級的高清潔度液壓油產品。除此之外，在液壓油選型時，對用于工程機械的液壓油應盡量選則抗氧化好及氧化壽命較長的液壓油，一方面可以延長液壓油的換油周期，另一方面可以減少因液壓油氧化產生的顆粒物對設備液壓系統產生的影響。

②在設備制造部裝過程中要注意保持液壓元件的清潔，零部件安裝之后，各管路、法蘭等接口要保持清潔及密封，部分零部件如液壓油箱等要注意焊渣、焊瘤的清理;在零部件擦拭過程中，要注意選擇不容易殘留或掉顆粒的擦拭物;在向設備加注液壓油時要保證環境的清潔，液壓油必須經過過濾裝置之后才可加注至設備的液壓油箱，必要時對液壓油開展多輪次的設備體外循環以保證加注液壓油的清潔度。

③在使用過程中維護設備液壓系統的清潔度，比如，及時將老化或到換油期的液壓油進行更換，更換時要將液壓系統進行適當合理的清洗，將油泥、顆粒物等清理干凈，經過濾裝置后加注新的液壓油，同時注意更換設備精濾和粗濾濾芯;注意液壓缸周邊的清理，保證良好的密封，以防止顆粒物隨液壓缸工作時的伸縮動作將顆粒物引入液壓系統;在對設備進維護保養時也要注意對液壓系統及相關液壓元件的清潔度保持有效控制。

5 ?總結

顆粒污染對工程機械工作可靠性的影響巨大，人們已將控制顆粒物污染作為保證工程機械可靠穩定運行最重要的工作之一，然而，控制液壓油的顆粒物污染是一項系統復雜的工作，需要從液壓元件的制造選用、零部件及整機的部裝、設備的使用維護等多維度共同開展工作以最大限度保證工程機械液壓系統的清潔，進而減少因顆粒物污染對工程機械穩定可靠運行帶來的危害。

參考文獻：

[1]中國工程機械工業協會.中國工程機械工業年鑒[M].北京：機械工業出版社，2019：3-15.

[2]李立民，鄧冰松，林通.液壓挖掘機液壓系統清潔度的控制[J].筑路機械與施工機械化，2004（12）：51-52.

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[8]GB/T14039-2002，液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號[S].

[9]ISO 4406-1999，Hydraulic Fluid Power-Fluids-Method for Coding the Level of Contamination by Solid Particles[S].

[10]NAS 1638，Cleanliness Requirement of Hydraulic Fluid System[S].