工程機械油液污染控制探討

豐 蘭，金 濤

（航空工業（新鄉）計測科技有限公司，河南新鄉 453019）

0 引言

在工程機械工業領域，液壓操縱系統、滑油潤滑系統、燃油動力系統是機械裝備產品的主要組成部分，包括泵源、各類閥門、油箱、過濾器、散熱器、傳感器、密封、緩沖、節流裝置和管件接頭等元器件構成了油液系統的執行與控制機構，利用液壓傳動原理，通過控制機構操縱油液系統的執行機構從而實現機械裝備產品的起降、伸縮、挖掘、供油等功能性應用。

油液系統及元器件性能的優劣將直接影響機械裝備的工作可靠性和使用壽命，元器件的性能和功能又在很大程度上依賴于油液的品質與質量，一旦油液發生污染將會蔓延到每個元器件，是系統性的最大的“慢性”危害。所以，為了提高機械裝備的性能、壽命和可靠性，研究并運用油液系統的污染控制技術越來越受到人們的普遍重視。

如何做好油液污染控制[1]，不僅僅是在系統中安裝幾個過濾器[2]這么簡單，這將涉及到技術問題、認識問題、實驗問題和管理問題，是一門較為復雜的元件與系統相匹配、材料與工藝相結合、測量與驗證相關聯、投入與管理相統籌等等一系列的學問。本文圍繞油液污染控制的目的、實現這些目的的路徑及其邏輯關系，解析了油液污染控制的根本意義，有助于工程技術人員在從事油液污染防控的相關工作中，樹立科學理念、開拓創新思路。

1 油液污染控制的目的

油液污染控制的目標如下：（1）油液污染對系統會產生危害；（2）油液污染使設備不能正常工作；（3）油液污染會引起噴嘴堵塞；（4）油液污染將加速油液品質的劣化；（5）油液污染使系統的執行機構出現卡滯；（6）油液污染增加設備的維修成本；（7）油液污染會發生機毀人亡的事故；（8）油液污染將導致油泵加速的磨損；（9）油液污染會影響裝備的使用壽命等。

以上所列均符合實際，但并不局限于上述。立足于不同的崗位、從事不同的行業，其選項可能是不同的。

（1）污染測試人員對油品的檢測結果負責，通常關心的是被測油樣是否干凈，對固體顆粒污染度[3]、含水量等檢測數據出具報告，為設備維護和質量管理人員提供后續相應工作的依據。

（2）設備維護人員職責就是排除故障、解決隱患，保持設備正常的運行和工作。維護的方式一般分為故障維修、定期保養、視情維護、主動維護等等。設備維修的投入是在使用過程中必須發生的費用，少量的維修投入將會換來更大的成本節約。

（3）過濾器設計人員根據主機的技術要求設計出高性價比的過濾器產品，以滿足裝備總成的配套要求，或者供相應主機廠家便于選用。一個好的、高性價比的過濾器，在研發試制過程中要經過反復的試驗驗證和試用才會批量地配套使用。生產出過濾器并不難，但是，生產出好的過濾器很難。

（4）過濾器測試人員根據客戶要求的方法、標準，按照規定的程序把過濾器的有關性能指標檢測出來，并對測試結果的準確性負責。測試結果有助于指導正確實施過濾器的研發，令用戶放心選用，讓系統最佳匹配。

（5）總成（系統）設計師根據裝備配套要求完成油液系統的方案、原理和詳細設計，結合性能、費用、質量、售后、進度等因素合理選配元器件，通過安裝、調試、驗證、試用、改進等試制過程不斷提高系統性能以滿足裝備總成的配套要求，制定全壽命周期內的使用維護作業指導書，使產品擁有良好的市場口碑。

（6）裝備的用戶堅持油液污染控制，及時更換廢油和濾芯是提高裝備使用壽命的關鍵。

針對裝備的重要程度、故障后果和昂貴高低的不同，對油液系統污染控制的目的會有不同的側重和差異。對于汽車、內燃機、工程機械等普通裝備，需要開展油液污染控制以盡量降低故障率；對于冶金、電力等行業的大型、關鍵裝備，需要加強油液污染控制以減少由于油液系統故障而停產所造成的重大損失；對于航空、航天、艦船、核能等國防重點型號與國家專項設備，必須全過程、全方位、全要素、全員和全面加強油液污染控制，以追求絕對的安全、可靠，確保萬無一失。

綜上所述的有關油液污染控制的目的，總結歸納為3個主要方面：（1）保證裝備正常、安全、可靠的運行；（2）降低裝備維護頻次和費用；（3）提高裝備使用壽命。

2 油液污染控制的路徑

實現油液污染控制的目的路徑概括起來有3個：如何確定污染的控制目標；如何設計污染的控制方案；如何維持污染的控制水平。解決了這3個根本問題，就找到了正確的、全面的、經濟地實現油液污染控制目的的路徑和措施。

2.1 確定控制目標

需要說明的是，液壓、滑油、燃油這3種流體系統對油液污染控制的要求是有差異的，本文著重以液壓系統為例進行論述。

2.1.1 技術指標

油液污染的控制目標是針對如何保證高端裝備油液系統的性能與可靠性提出來的技術指標，通常分為油液系統污染度的驗收水平、控制水平和安全水平等指標。

（1）驗收水平[4]。指裝備交付出廠時油液系統污染度的極限水平。即裝備交付（合格入庫）前，由質量控制人員或用戶代表根據檢驗規則要求，抽檢流體系統油液的污染度不能超過所允許的最高等級。簡單的說，驗收水平就是內廠的控制目標。

（2）控制水平[5]。指裝備交付出廠在使用期間油液系統污染度的極限水平。即在裝備正常使用的壽命周期內，由維護人員根據使用維護手冊要求，抽檢流體系統油液的污染度不能超過所允許的最高等級。簡單的說，控制水平就是外場的控制目標。

（3）安全水平。指裝備油液系統污染度達到了威脅裝備安全的極限水平。即在裝備正常使用的壽命周期內，由維護人員根據使用維護手冊要求，抽檢流體系統油液的污染度所允許的威脅裝備安全的最高等級。安全水平是一個新指標，是與污染敏感度相對應的全新概念。簡單的說，安全水平就是指導設備必須采取停機、大修等維護措施的控制目標。

2.1.2 控制目標的確定

油液系統污染度的驗收水平和控制水平是由設備的主機單位根據其裝備的流體系統污染控制要求而確定的，污染度的驗收水平一般比控制水平低1～2級（以下同GJB420[6]或NAS1638[7]），例如具體目標是：驗收水平7級，控制水平一般確定為8～9級。正確地確定污染控制目標主要應從以下幾個方面進行研究：

（1）國內外同類裝備的流體系統污染控制要求；

（2）流體系統的壓力、流量、溫度、壽命、環境、可靠性及維修性等要求；

（3）精密元器件的配合間隙、有相對滑動或轉動的摩擦副；

（4）系統油液介質的要求，全面評估油液污染引起故障、停機的后果及成本；

（5）針對泵源、精密閥門、作動筒等污染敏感的元器件進行耐污染驗證試驗。

確定了油液污染控制目標的思路和方法，具體的目標應該是多少，需要大量的研究工作，最終用數據和試驗驗證做技術支撐。

2.2 設計控制方案

確定好油液污染的控制目標后，需要解決如何設計油液污染的控制方案，即解決在設計油液管路系統時如何布局過濾器、如何選擇過濾器的問題，以可靠、經濟的實現油液污染的控制目標。

2.2.1 過濾器的選擇

根據油液污染控制的驗收水平和控制水平及流體系統的相關技術指標，明確過濾器的性能指標：過濾比/過濾精度/過濾效率[8]、流量壓降[9]、納污容量[10]、工作介質、工作壓力、工作溫度、振動、沖擊、沙塵、煙霧、濕熱、霉菌等要求。這些技術要求中的核心指標是過濾比、流量壓降。在同樣情況下，納污容量越大越好，該指標一般是經過實驗驗證后才能確認的技術參數，是制定濾芯元件清洗或更換周期時間的依據。根據工作介質和溫度可確定相容性要求，相容性、結構完整性屬內廠控制的技術要求，結構完整性的高低將直接影響到過濾精度。根據工作壓力可確定總成密封性及濾芯元件的抗壓扁及流量疲勞要求，這是檢驗過濾器與濾芯元件設計強度的不可或缺試驗。振動、沖擊、沙塵、煙霧、濕熱、霉菌等這些要求，根據實際使用環境和成本要求，可以視情減裁。

過濾器有兩種選擇方法：一是通過媒體在市場上選擇名牌產品；二是尋求有質保能力，知名度、信譽度、售后服務都好的廠商進行研發制造。

為了確保被選過濾器性能指標滿足技術要求，需要提供擁有資質實驗室出具的第三方檢測報告。如果被選過濾器的批量比較大，可選擇多家廠商滿足配套，根據第三方檢測報告結果的優劣，并在相同價格條件下每年動態的分配各個廠商的配套份額。

被選過濾器除了技術性能滿足要求外，還要考慮維修性與可靠性。維修性體現在便于拆裝、便于更換、便于觀察，在更換濾芯元件時系統油液不易外泄、大氣灰塵又不能進入管道。與可清洗的濾芯元件相比，采用不可清洗的一次使用的濾芯元件在維護時最為方便。過濾器在使用過程中要有較高的可靠性，除了正常的維護外，不能出現連接松動、滲油漏油、變形破裂等故障和缺陷。

被選過濾器視情可帶有輔助裝置[11]，比如：污染壓差指示器（機械或電訊式）、旁通活門、自封裝置、放油（放水）開關、防錯裝置、防漏裝裝置、壓差傳感器、系統安全閥、采樣閥等等。結合流體系統的整體設計可把有關功能性的閥門組件組合到過濾器上，以減少系統網路中的管接頭零件。

2.2.2 過濾器的布局

在流體系統中，如何布局過濾器的問題就是要設計確定過濾器的種類、數量和安裝位置，下面仍以液壓系統為例進行討論。

在液壓系統中常見的過濾器有這樣幾種：高壓過濾器（主濾）、回油過濾器（輔濾）、泵殼體過濾器、吸油過濾器、專用保護過濾器等等。

典型的液壓系統設置有3個過濾器：即高壓過濾器、回油過濾器和泵殼體回油過濾器。高壓過濾器安裝在泵源出口與執行元器件進口之間，回油過濾器安裝在執行元器件出口與油箱之間，高壓與回油過濾器的設計流量相同，一般是系統流量的3倍左右；泵殼體回油過濾器安裝在油泵殼體回油出口與油箱之間，由于該油路的流量（遠小于泵出口流量的95%）和壓力（小于0.1 MPa）都很小，所以泵殼體回油過濾器的流量一般設計為10～20 L/min。關于過濾比指標的設計，我國與歐美西方國家體系一致，高壓過濾器、回油過濾器和泵殼體回油過濾器都選擇高過濾比的高精度過濾器。

在工程機械領域除了設置上述3個過濾器外，還會在泵源的進口安裝吸油過濾器。當然，油箱上還會有呼吸（空氣）過濾器、加油/回油濾等等，這些過濾器只是油液系統污染控制的輔助裝置。在工程機械領域選擇的高壓過濾器的過濾比要高于其他幾種過濾器，尤其是吸油過濾器的過濾精度不能太高，以免影響油泵的吸油能力。

對于一般的機械設備，當回油過濾器的進口壓力不高于泵殼體回油壓力時，可不設置泵殼體回油過濾器，將該回油管路接到回油過濾器的進口即可。對于特殊的執行元件，須在其管路的進口設置一個專用的保護過濾器，該過濾器一般流量及體積不大，但是其過濾比很高，以滿足特殊污染控制的需要。

在所有的過濾器中，高壓過濾器始終是油液系統污染控制的“主力軍”。有關更多的過濾器的設置與布局設計，可以通過查閱相關的手冊、標準而獲得。

2.2.3 實驗驗證

主要的典型的實驗驗證有下列各項：（1）單項過濾器的性能[12]；（2）過濾器的布局+泵源；（3）過濾器的布局+泵源+執行元件；（4）特殊污染控制方案的試驗驗證；（5）在（2）、（3）或（4）的基礎上添加粉塵。

（1）方案a：單項過濾器性能的實驗驗證

選擇的過濾器應分別按照相應的方法及標準進行試驗，以驗證其過濾比/過濾精度/過濾效率、納污容量、流量壓降、耐溫度和壓力等性能是否滿足設計技術的要求，這是為了實現油液污染控制目標所必需開展的最起碼的試驗內容。

（2）方案b：過濾器的布局+泵源的實驗驗證

液壓泵、滑油泵與燃油泵等泵源分別是液壓、滑油和燃油系統的“心臟”，也是油液系統內部生成污染的主要來源，設計的油液污染控制方案是否可行、有效，用選配的過濾器+泵源組成的回路安裝在特定的試驗臺臺架上進行試驗驗證則是最好的實證方法。

向系統內加入滿足污染控制目標——驗收水平的油液，在泵源額定工作狀態下進行試驗，隨著試驗時間的延長可能會出現3種結果：第一種是初始油液污染度直接逐漸升高，當達到一定程度后基本維持在某一水平不再變化，維持不變的污染度等級并沒有超過污染控制目標設定的控制水平；第二種是初始油液污染度先增高后降低或沒有增高而直接逐漸降低，當達到一定程度后基本維持在某一水平不再變化，維持不變的污染度等級略高于或低于（優于）污染控制目標設定的驗收水平；第三種是初始油液污染度直接逐漸升高，當達到一定程度后基本維持在某一水平不再變化，維持不變的污染度等級卻超過了污染控制目標設定的控制水平。

上述三種結果的結論：第一種合格；第二種優秀；第三種不合格。關于不合格的方案如何改進提高，可在不改變泵源的情況下，繼續優選過濾器，提高過濾器的相關性能要求。然后再重復必要的試驗驗證，直到合格為止。

（3）方案c：過濾器的布局+泵源+執行元件的實驗驗證

為了進一步證實油液污染控制方案的有效性，可在上述方案b的基礎上加上執行機構中的某一元器件進行試驗，這就是所說的“過濾器的布局+泵源+執行元件的實驗驗證”。

該試驗的方法與方案b類同，不同的是在試驗過程中將執行元件按照操縱程序增加有效的動作，這樣就會出現同樣的試驗結果、同樣的判定結論，以及同樣的改進方向。

（4）方案d：特殊污染控制方案的實驗驗證

液壓系統中的電液伺服控制閥、燃油系統中的供油壓力調節器等精密元器件，其油路的進口通常會設置一個高精度的過濾器，起到對關鍵元件的專門保護，以防止油液污染帶來的事故。

該試驗驗證的方法與方案b、c類同，結果、結論和出現后續的改進方向也大同小異。

（5）方案e：添加粉塵[13]的實驗驗證

既能夠驗證油液污染控制方案的有效性，又能檢驗油液系統關鍵元件的抗污染能力，同時，還可以準確地找到油液系統污染的“敏感點”——污染敏感性，那最好的方法就是在上述方案b、c、d實驗驗證方法的基礎上添加粉塵進行試驗研究。這是更高層次的實驗方法。

這類實驗對油液污染控制方案而言：一是考核污染控制方案的有效性、可行性；二是檢驗污染控制的控制效率，即將人為的高污染度油液到底能用多長時間達到預定的控制水平的速率。對油液系統而言：一是檢驗系統的污染耐受度；二是尋找關鍵元器件的污染敏感點；三是為系統故障診斷與分析提供依據。

成都、沈陽某單位分別對某液壓系統的污染控制方案進行了成功的試驗驗證，圓滿完成了確定過濾器的性能指標和布局的設計任務；西安某單位對某液壓泵源進行了成功的污染耐受度的試驗驗證，準確找到了影響泵源性能的污染敏感點，為確定過濾器的性能要求提供了技術支撐；南京某單位對某電液伺服閥進行了成功的污染耐受度試驗驗證，準確找到了影響電液伺服閥性能的污染敏感點，為該工程剎車系統故障的排除與后續改進指明了方向；無錫某單位對某燃油調節器進行了成功的污染耐受度的試驗驗證，證明了某國產化項目滿足驗收要求；北京某單位對某作動筒進行了成功的污染耐受度試驗驗證，順利找到了某執行機構的故障再現原因，為故障診斷和排除提供了可靠依據；閻良和成都某單位分別對某大型裝備和無人駕駛設備的起落架、剎車及液壓操縱系統的油液污染的事故癥候開展故障再現性試驗研究。

以上所述，都是本文作者實驗室經歷的典型試驗驗證的案例。可見，油液系統污染的控制方案及關鍵元器件的耐污染實驗驗證工作已經擺在很重要的位置，隨著人們對污染危害認識的進一步加深，該項實驗驗證技術研究將會得到更多的認可和重視。

2.3 維持控制水平

油液系統的污染控制目標的問題得到解決，實現這個目標的污染控制方案被設計確認，目標的可達性、方案的可行性及有效性也通過了必要的試驗驗證，但并不意味著可以大膽、放心地使用這個裝備。雖然油液系統的污染控制工作得到了重視，但各類裝備流體系統在實際使用過程中還有多達70%以上的故障是起因于油液污染。這個問題就是使用過程中的維護問題。

2.3.1 使用維護的必要性

在裝備使用過程中，為了減少油液污染帶來的危害，持續地使油液污染控制目標維持在一定的控制水平，加強裝備的使用維護非常必要。

關于使用維護的問題，故障維護、定期維護、視情維護等是常規操作。故障維護是針對出現的故障進行維護修理的一系列操作，停機停車、更換器材、停工停產、維修周期等等，顯然是成本昂貴、代價太大；定期維護是在人為規定的維修周期內進行維護修理的一系列操作，較為主觀，會帶來浪費和故障的風險；視情維護是通過必要的檢測而發現事故癥候后進行維護修理的一系列操作，當發現溫度、壓差、振動或噪聲時，故障事故就在眼前了，這同樣會發生較大的費用成本。可見，故障維護、定期維護、視情維護一般都帶有一定的滯后性、被動性、延遲性、誤工性，發生的費用較高，隱性的故障風險不利于裝備的長期安全使用。

2.3.2 主動+精準維護

眾所周知，對油液系統的維護保養通常關注的重點是：一是油液的分析；二是濾芯元件的清洗或更換。

主動+精準維護：就是“主動+精準”的分析油液并“主動+及時”的清洗或更換濾芯元件，在裝備出現故障前排除掉影響因素，也就是把“被動的修理”轉變為“主動的、精準的維護”。這就好比對人的“主動體檢、健康預警、早期發現、及時治療”一樣，對裝備也要早期診斷、及時維護、排除隱患，主動開展裝備的“健康管理”。可想而知，如果堅持“主動+精準”維護，油液污染的控制目標就可以長期地保持在理想的控制水平；裝備油液系統就可以長期地正常、安全、可靠運行；可以降低裝備維護的頻次和費用；最終就可以提高裝備的使用壽命。具體要做到以下幾點。

（1）必要的投入

設備用戶必須投入相應的費用，配備液體自動顆粒計數器、微水分析儀等必要的儀器。

（2）定期開展儀器的計量檢定

儀器管理中重要的一項工作就是定期開展儀器的計量檢定，只有這樣才保證測試結果的準確可靠，才能實現“精準”分析。

（3）針對濾芯元件實際使用壽命進行及時維護

設備用戶要求過濾器廠商提供準確的濾芯元件的實際使用壽命[14]，以實現濾芯元件的“及時”更換或清洗。如果不能知道使用壽命的實際準確值，那就讓廠商在裝備壽命周期內無償提供足數的全新濾芯備件，以便備足更換濾芯元件的時間空間。

（4）制定相關的管理制度

從“人、機、料、環、法、測”等方面制定相應的規章管理制度和激勵機制，制定裝備、儀器等設備的使用操作指導書。

（5）加強人員的培訓

針對裝備、儀器的使用管理和方法標準，堅強培訓、持證上崗、定期考核，尤其是新上崗人員的培訓更為重要。

（6）積極參加能力驗證

積極參加行業內的能力驗證或實驗室間的比對實驗活動，以持續保持維護隊伍的能力。

3 實施路徑的陷阱和關系

為了實現油液系統污染控制的目的，只有從“確定控制目標、設計控制方案、維持控制水平”這3個實施路徑出發，才能做好流體系統全壽命周期內的污染防控工作。否則，將會步入陷阱，產生故障和浪費。

3.1 實施路徑的陷阱

在開展流體系統污染控制工作中，常見的典型“陷阱”有：沒有目標的污染控制、未經驗證的控制方案、無法維持的控制水平。

3.1.1 沒有目標的污染控制

沒有目標的污染控制，目前仍是一個突出的“陷阱”之一，這種陷阱的主要表現是從油液系統的頂層設計上沒有明確的污染控制指標。究其原因，針對油液污染控制的原理，存在以下的模糊認識。

（1）在系統中安裝過濾器就認為可以了。然而，這個過濾器是否好用，是否與系統污染控制要求相匹配，就沒人再去追究了。

（2）對油液污染的來源、危害和防控的重要性認識不全面、不深入；對油液污染的系統性、蔓延性、隱蔽性、漸變性認識不夠；當元器件表面磨損產生故障時，認為是正常“老化”現象，根本沒想到是油液污染造成的。

（3）認為油液會定期更換的，更換的油液是“新油”，新油實際并不是干凈的油。

隨著改革開放與國家經濟的騰飛，流體系統污染控制和過濾、分離、凈化技術也迅猛的發展進步，現在無論是國防軍工、還是民用機械，有流體系統即存在污染控制；有污染控制即存在過濾器；有油液過濾凈化，即存在油液污染分析。

3.1.2 未經驗證的控制方案

控制方案未經驗證就貿然投入使用，這類“陷阱”引起的損失和浪費很多。出現這種陷阱的原因是：

（1）設計人員憑經驗知識，沒有或缺乏試驗驗證的意識；

（2）用少量的試驗或局部的試驗代替系統性的驗證；

（3）不知道如何驗證，找不到相應的方法或標準；

（4）受制于費用成本的制約，沒有考慮到未經驗證對裝備在使用過程中可能不斷出現的“停機、修理”所產生的后果。

總之，污染控制方案沒有通過有效的實驗驗證就投入使用，要想邁過這個“陷阱”是需付出昂貴代價的。

3.1.3 無法維持的控制水平

在油液污染控制的實踐中，還有種“陷阱”就是系統污染控制的目標是“無法維持”的。這就是忽略了使用維護對油液污染控制的重要性了。避免了“沒有目標的污染控制”和“未經驗證的控制方案”這兩個陷阱，但是，如果沒有對應的有效的維護保障措施，照樣使油液污染防控步入無法實現目的的“陷阱”。

所以，為了躲避這個陷阱，本文提出了“主動+精準維護”的理念。

3.2 實施路徑的關系

確定控制目標、設計控制方案、維持控制水平，三者互相關聯、互為依存，要同等重視、不可偏廢。

確定控制目標是設計控制方案和維持控制水平的方向和目的；設計控制方案和維持控制水平是達到控制目標的手段和措施；成功的設計控制方案是維持控制水平賴于持續的基礎和保障；長期維持控制水平是設計控制方案潛能的發揮和延續。

只有將這三個實施路徑齊抓共管、有機結合、閉環互動、長效實施，才能全面、圓滿地實現油液污染控制的目的。齊抓共管是讓油液污染控制的好處、重要性得到污染控制產業鏈（濾材、油品、濾器、儀器、設備、使用、檢測等）參與各方的普遍認同與重視。有機結合是讓污染控制產業鏈參與各方實現利益共享（經濟或使用）。閉環互動是開展各項技術、質量、市場、經驗、教訓等信息交流（工藝或認為保密的除外）。長效實施是結合質量、體系、認可管理開展人員培訓。

如果確定的控制目標、設計的控制方案和維持的控制水平不能達到上述良性的邏輯關系，那就不能全面、圓滿地實現污染控制的目的，那就會事故頻發、浪費重復、新技術、新方法、新材料、新產品得不到及時有效的利用和推廣。

4 結束語

本文圍繞工程機械液壓、潤滑等流體系統中油液污染控制的目的和目標，提出了控制目的、控制目標、控制方案、驗收水平、控制水平、實驗驗證、主動+精準維護等新的理念，深刻詮釋了流體系統污染控制的根本意義。通過本文的闡述，能夠使流體系統設備在全壽命運行周期內，為油液污染控制技術的最優化提供解決思路，有助于工程技術人員在從事油液污染防控的相關工作中，樹立科學理念、開拓創新思路。