軋機液壓潤滑系統污染控制分析

王海巖 符乃良

(1：首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司 河北唐山 063200 2：湖北中鋼聯冶金工程有限公司 湖北武漢 430000)

1 前言

軋機是冶金行業的關鍵設備之一，潤滑是保證軋機安全平穩運轉的基礎條件，70-80%的設備事故與油品的污染有關系。為減少軋輥磨損，降低軋制壓力和改善產品表面質量，安全可靠的潤滑是軋制行業發展的必然趨勢[1]。

軋機內傳動箱齒輪數量比較多，由于載荷變化和惡劣的工作環境，在軋制過程中產生的雜質很容易進入潤滑系統，在實際生產中，油膜軸承潤滑油進入水和雜質是行業難以解決的技術難題，會造成機械磨損的急劇增加，甚至出現嚴重生產事故[2]。

在軋機潤滑系統中，油品污染的主要污染物是水和固體顆粒，這些污染物的存在嚴重地影響潤滑系統運行的可靠性，降低滾動軸承、油膜軸承、齒輪的使用性能和壽命，因此重點介紹潤滑系統中污染物水、固體顆粒產生及危害。

2 液壓潤滑系統污染來源

液壓潤滑系統在軋機運行過程中會把設備運轉過程中的金屬顆粒帶回到油箱，工作過程中的滲漏、以及油溫的變化也會讓空氣中微量水分在油中凝結、沉淀，經長時間的攪拌就會乳化，從而影響油品的潤滑性能、力學性能甚至穩定性。

水在潤滑油中以游離水、乳化水、溶解水三種形式存在，因此不能引出來。若軋機潤滑系統中含有水分，則會使軸承或齒面油膜強度減弱、潤滑效果降低，而且會加速潤滑油的老化變質[3]。

新的潤滑油中也可能含有雜質，主要是在潤滑油在生產、包裝、運輸和使用的過程中，以及在新的零部件和輔助部件的制造和裝配過程中，殘留在部件內的機械雜質；二是內部污染，主要是由于污染顆粒從老化和油液氧化，以及從一個油箱或管道內壁涂層，并使用不同制造商，不同品牌，不同類型的混合油，不及時更換已老化的潤滑油，油液會發生化學反應導致污染。另外，電加熱棒的使用不當，也會造成潤滑油污染，加熱棒的熱負荷和單位面積的油接觸面超過1.5W/cm2，可能導致油液變質，產生過熱渣[4-5]。

3 潤滑油清潔度的比較與影響

液壓潤滑系統中，50%以上的是3μm以下的顆粒，絕大部分顆粒物3μm以上顆粒，包括最粘的非溶解性彈性氧化物和最硬的超細小顆粒物，可以毫無阻礙地流經精密過濾器。傳統過濾設備只能有效去除大顆粒物，大顆粒物只是立時破壞設備，但卻不能去除對長期危害設備的超細小顆粒物。

一般情況下，液壓潤滑系統的目標清潔度決定于敏感元件的推薦清潔度以及關鍵運轉部件的最小間隙。較小的污染物會造成的堵塞噴嘴造成的伺服閥動作失靈、主閥芯卡死、加速噴嘴的磨損，造成伺服閥的失控等現象，較大顆粒污染物會進入潤滑部位加速零件配合面的磨損。

3.1 雜質顆粒的大小

潤滑油中顆粒雜質的大小程度為微米級別，直徑為5微米和15微米的雜質顆粒對潤滑元件的損害最大，相當于人體頭發的1/10左右，肉眼很難看到[6]，其中5微米的雜質經常引起液壓元件堵塞，大于15微米的雜質會加劇元件的磨損，如圖1所示。

圖1 直徑10μm的顆粒與人頭發放大100倍圖像

3.2 不同級別潤滑油清潔度比較

大多數人認為油桶內的潤滑油是干凈的，通過顯微鏡放大顯示其實新的油液并不干凈，清潔度為ISO4406 22/20/18(NAS12級)，而新安裝液壓潤滑系統內的油液由于安裝和磨合作用下其清潔度會更差，清潔度為ISO4406 23/22/20(大于NAS12級)，照片如圖2。

圖2 顯微鏡下新油液和新系統的油液

經常規過濾器過濾的潤滑油清潔度為ISO4406 20/18/16(NAS9級)，此級別是潤滑系統的最低要求，經過精過濾器過濾的油液清潔度為ISO4406 14/13/11(NAS4級)，照片如圖3。

圖3 顯微鏡下普通過濾和精過濾的油液

4 污染控制數學模型研究

液壓潤滑系統污染會影響整個軋機系統的運行可靠性，還會降低液壓元件的使用壽命。所以要提高潤滑系統的可靠性，就必須研究液壓潤滑系統的污染控制技術，下面建立液壓系統的過濾系統數學模型，液壓潤滑系統過濾方式主要有四種：吸油過濾、壓油過濾、回油過濾和旁路過濾，簡化的系統如圖4所示。圖中Ri為單位時間內外界雜質侵入數量，Re為單位時間內潤滑設備系統產生雜質數量，Rp為單位時間內液壓泵產生雜質數量，Ct為油箱中瞬時雜質濃度，C0為油箱中初始雜質濃度，β為過濾器的過濾比，V為油箱容積，Q為液壓泵流量。

圖4 液壓潤滑系統過濾方式

對于只設置吸油過濾器，在任意時間T內，可以通過下式計算過濾后油液的雜質污染度[7]。

Ct·V=C0·V+

(1)

當時間T趨向于無窮小時，上式可以轉化為：

(2)

從式(2)可以看出潤滑系統的污染程度與β、Ri，Re，Q和V有直接關系。

同理，考慮壓油過濾中存在液壓泵磨損產生的雜質，得到只采用壓油過濾的油液雜質污染度微分方程如式(3)所示。

(3)

回油過濾的數學模型如式(4)。

(4)

如果系統兩個液壓泵同時工作，只采用旁路過濾的數學模型如式(5)。

(5)

式中：k為泵2和泵1的流量之比。

四種過濾方式的數學模型可以看出，采用回油和旁路過濾的效果最好，而且可以看出初始雜質濃度會造成最終污染的大幅度增加，所以使用前必須對液壓元件嚴格清洗和采用旁路過濾。另外，油箱容積V也直接影響潤滑系統污染程度，從數學模型中可以看出滿足要求前提下采用小油箱，散熱采取其他方式。

5 液壓潤滑系統污染控制措施

潤滑污染的有效控制可以保證液壓潤滑系統的正常工作，但造成潤滑油污染的因素是多種多樣的，使油液雜質顆粒保持在允許的范圍內，是保證液壓潤滑系統和設備正常運轉的關鍵[8-9]。綜合以上分析，得出有效保證油液清潔度的建議如下。

5.1 設計過程的控制

在液壓潤滑系統設計中，必須充分考慮減少油液污染的措施，在合適的位置設置適當精度的過濾器；根據設備的元件選擇合適的潤滑油種類，合理選用潤滑油是保證系統正常工作、減小元件磨損、降低正常條件下工作的污染生成、提高系統經濟效益的重要措施；采取合理措施防止雜質和水分進入油箱，以防進入系統；密封件的合理選擇，密封表面粗糙度應適當，防止磨損形成的雜質進入系統。

5.2 監測系統設置

軋機的軸承以及齒輪磨損產生的顆粒會進入液壓潤滑系統，含有雜質的潤滑油又加劇了元件的磨損，所以對潤滑油液的監測，可以反映液壓潤滑系統的工作狀況。實現對油液的在線監測對軋機潤滑系統的狀態監測具有重要的意義，而在線監測的關鍵在于在線監測傳感器的選擇和監測位置選擇。

潤滑系統中顆粒污染度和水分含量的實時監測診斷，及時預測和發現潤滑系統故障，并自動采取報警，從而可以及時采取相關措施，是設備安全運轉和生產連續順行的切實保障。

5.3 自循環過濾系統設置

在軋機運行過程中會有磨損產生的雜質帶入油箱，可以采取圖5所示的油箱部位自循環過濾，清除油箱油液中的雜質和水分。

圖5 潤滑系統系統過濾原理

6 結論

油液的污染是造成液壓潤滑系統擾動和故障的主要原因。但油液的污染控制絕非單靠一個因素，只有當所有相關企業和人員充分認識到潤滑油污染控制的重要性和必要性，并采取切實有效的措施，才能控制油液污染。