液压系统污染控制技术（中上）

　　液压系统污染控制是一项系统工程，首先要求液压系统的使用与维护人员对污染控制的重要性有足够的认识，其次要求其对如何控制，从哪几个环节入手，如何选择过滤器有一定的专业知识。只有充分有效的做好液压系统的污染控制工作，才能保证系统的可靠的运行。尤其在当前高压、大流量、大功率、高精度、高可靠性、自动控制、集成化、节能降噪、低成本是已经成为液压系统的发展趋势。但由于大量污染物的存在，影响了液压系统的可靠运行，所以液压系统的污染控制显得尤为迫切和重要。

3.液压系统的污染物分析

　　3.1 污染物成分及其含量的分析

　　光谱分析、铁谱分析、红外光谱分析是油液污染成分与含量分析的三种常见方法。

　　光谱分析可以检测油液中的元素及其含量;铁谱分析可以检测油液中铁磁性颗粒污染物的成分、大小和数量;红外光谱分析可以对油液中的化合物进行定性和定量分析。

　　3.1.1 光谱分析

　　每种元素的原子具有在受到一定能量激发时发射和吸收特定波长光的特性。利用这一原理，人们发明了原子发射光谱仪和原子吸收光谱仪。在油液污染分析领域中，使用较为普遍的是转盘电极式原子发射光谱仪，图3-1为其工作原理。

　　石墨圆盘2在盛有油液的油样容器1内旋转，油液被带到石墨圆盘2和石墨棒3两电极之间，并被电火花激发。油液中的污染物被激发后发射的光经入口狭缝4射向光栅5，经折射后按不同的波长分开并形成各种谱线。各元素的特定谱线经过出口狭缝6被各个相应的光电倍增管7接收，并转为电流信号。

　　在配置较多数量的光电倍增管时，光谱仪可同时检测多达20种元素的含量(百万分之几)。常用的光谱仪一般只能检测10微米以下的颗粒。近年来检测大颗粒的光谱技术取得一定进展，检测的颗粒尺寸可以提高至30微米以下。

　　3.1.2 铁谱分析

　　铁谱分析是利用高梯度强磁场将油液中的铁磁性颗粒分离出来，然后进行颗粒含量测定和形貌分析。铁谱仪主要有分析式和直读式两种类型。

　　分析式铁谱仪由制谱仪、铁谱显微镜和光密度计三部分组成。图3-2为制谱仪的工作原理图。油样容器1中的油液被微量泵2吸出，经细管流至倾斜放置的玻璃基片3的上端，油液沿玻璃基片缓慢流动，从玻璃基片下端经导油管5流入废油容器6内。在玻璃基片下面装有一个高磁场强度和梯度的磁铁4。油液沿倾斜的玻璃基片向下流动时，其中的金属颗粒在磁场力作用下按颗粒大小和磁性强弱分别沉积在基片的各个部位，于是制成铁谱片。

　　利用铁谱显微镜可对铁谱片上沉积的颗粒进行观察。借助于标准铁谱 图册，可以鉴别颗粒的种类，如金属、非金属或氧化物等。

　　通过光密度计可以在显微镜下读出铁谱片上某一部位的光密度衰减值，它定量地表示检测部位颗粒覆盖面积的百分数，读数越大表示颗粒数量越多。

　　直读式铁谱仪的工作原理如图3-3所示。油样容器1内的油液被虹吸泵7吸出，经细管2和位于永久磁铁10上方的玻璃沉积管6流入废油容器11。油液中的铁磁性颗粒在磁场作用下沉积在沉积管内壁的不同位置上。由光源9发出的光，经光导纤维束8传输到沉积管的两个固定测点，并由两个光电检测器5测定透过沉积管的光密度，并转换为反映颗粒沉积数量的读数。

　　3.1.3 红外光谱分析

　　红外光谱分析的原理是，通过检测各种化合物在红外光谱区的特征吸收峰及吸收的特定波长光线的能量，从而对油液中的化合物进行定性和定量分析。

　　在油液红外分析中，广泛采用傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)，它由红外光源、干涉仪和检测器三部分组成。油样池内油液中的化合物选择性地吸收与其化学键能量相当的特定波长的红外光线，透过油样池的红外光线用红外检测器进行测量，检测数据由计算机系统完成数据存贮和傅立叶变换。

　　在油液红外分析中，与油液劣化和污染有关的油液性质常用以下参数表征：氧化、硝化、硫酸盐、羧酸盐、抗磨剂水平、抗氧剂水平、多元醇酯降解、燃料稀释、水污染、乙二醇污染和积碳污染等。表6-3为矿物油红外光谱分析的表征参数与相应的特征吸收峰的峰位(波数)。

　　表3-1 矿物油的红外光谱

      3.2 固体颗粒分析

　　3.2.1 油液污染度的表示方法

　　通常意义下的油液污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量。油液污染度的表示方法很多，常见的有质量污染度和颗粒污染度两种表示方法。

　　质量污染度是指单位体积油液中所含的固体颗粒污染物质量，单位一般为mg/L。

　　颗粒污染度是指单位体积油液中所含的各种尺寸固体颗粒污染物数量。ISO 4406、NAS 1638、SAE 749D等三项国际、国外标准分别规定了油液颗粒污染度等级。

　　(1)ISO 4406固体颗粒污染等级代号法 ISO 4406国际标准采用三个代码表示油液固体颗粒污染度等级，三个代码间用斜线隔开。从左向右的三个代码依次表示每毫升油液中尺寸大于等于4、6、 14μm(c)的颗粒数范围。

　　例如，颗粒污染度等级22/18/13表示，在每毫升油液中，尺寸大于等于4μm(c)的颗粒数为(20000，40000)个，尺寸大于等于6μm(c)的颗粒数为(1300，2500)个，尺寸大于等于14μm(c)的颗粒数为(40，80)个。代码所代表的颗粒浓度见表3-2。

　　我国等同采用ISO 4406的国家标准为GB/T 14039。

　　表3-2 ISO 4406污染度等级代码

　　(2)NAS 1638油液固体颗粒污染度等级 NAS1638污染度标准是美国航天学会在1964年提出的，在我国NAS1638标准得到了广泛的应用。它将油液中的颗粒分为5~15、15~25、25~50、50~100和大于100μm等5个尺寸段，按100 mL油液中上述尺寸段中颗粒数的多少确定油液的污染度等级。标准给出了14个污染度等级，见表3-3。各污染度等级间具有倍数的关系，按此规律可以将污染度等级外延。

　　表3-3 NAS 1638污染度等级(100mL油液中的颗粒数)

　　例如，100ml样液的颗粒计数结果如下：

　　以上样液的污染度定为NAS8级

　　(3)SAE 749D油液固体颗粒污染度等级 SAE 749D标准在我国电力行业等工业部门得到了广泛的应用。它将油液中的颗粒分为5~10、10~25、25~50、50~100和大于100μm等5个尺寸段，按100 mL油液中上述尺寸段中颗粒数的多少确定油液的污染度等级，见表3-4。标准给出了7个污染度等级。

　　表3-4 SAE 749D污染度等级(100mL油液中的颗粒数)

　　3.2.2 油液污染度的测定

　　质量污染度的测定是利用微孔滤膜将一定体积的油液过滤，称取微孔滤膜过滤前后的质量，滤膜的质量差与过滤油液的体积之比便为油液的质量污染度。国际标准ISO 4405规定了油液质量污染度的测定方法和步骤。

　　颗粒污染度的测定有显微镜计数法、自动颗粒计数器计数法两种定量方法，此外还有显微镜比较法、滤网堵塞法两种半定量方法。

　　(1)显微镜计数法 显微镜计数法是利用微孔滤膜将一定体积的油液过滤，油液中的颗粒收集于滤膜的表面上，然后将滤膜制成试片，在光学显微镜下对试片上的颗粒进行人工计数，从而计算出油液的颗粒污染度。ISO 4407规定了显微镜计数法的操作方法与步骤。

　　(2)自动颗粒计数器计数法 采用遮光原理和激光光源的自动颗粒计数器是油液颗粒污染度测定的主要仪器。其工作原理是让被测试油液通过一面积狭小的透明传感区，激光光源发出的激光沿与油液流向垂直的方向透过传感区，透过传感区的光信号由光电二极管转换为电信号。若油液中有一个颗粒通过，则光源发出的激光有一部分被该颗粒遮挡，使光电二极管接收到的光量减弱，于是产生一个电脉冲。电脉冲的幅度与颗粒的投影面积成正比，即与颗粒的大小成正比，电脉冲的数量即为颗粒的数量。

　　自动颗粒计数器必须经过标定后才能使用。ISO 11171详细规定了自动颗粒计数器的标定方法和步骤。

　　需要注意的是，油液中的水分与气泡会影响自动颗粒计数器固体颗粒计数的准确性，计数时需注意消除二者的影响。

　　目前，中国市场上出现的自动颗粒计数器主要有在线式、便携式和实验室使用等三种类型，国外生产厂家主要有美国太平洋科学仪器公司、Klotz、Vikcers、Pall、Hydac公司等。

　　(3)显微镜比较法 显微镜比较法也是先将油液进行过滤，再将过滤油液的滤膜制成能在显微镜下观察的试片，然后在显微镜同一视场下对试片与不同污染度等级的标准样片分别进行比较。当试片与标准样片上的颗粒分布基本一致时，标准样片的污染度等级即为被试油液的污染度等级。

　　(4)滤网堵塞法 滤网堵塞法是将污染油液通过一标准滤网，随着颗粒在滤网上的不断堵塞，通过滤网油液的流量-压降关系将发生相应的变化。当滤网上、下游的压差一定时，通过滤网的流量将减小;当通过滤网的流量一定时，通过滤网的压降将增大。通过滤网油液的流量-压降关系与油液的污染度之间存在着一定的关系，据此可以测定出油液的污染度等级。

　　上述各种测试方法的主要优、缺点见表3-5。

　　表3-5 污染度各种测试方法的比较

　　3.3 水分的测定

　　蒸馏法与卡尔-费休法是油液中水分测量的两种主要方法。此外还有红外光谱法等。

　　蒸馏法是在一定体积的油液中加入一定体积的溶剂。混合均匀后在一定的温度下蒸馏。油液中的非溶解水(包括乳化水和自由水)随溶剂一起被蒸馏出来，再经冷却形成水滴被收集起来，根据收集水的体积计算出油液中水的含量。蒸馏法测水仪器简单，测量灵敏度较低，一般能测定300ppmv以上的含水量。GB/T 260给出了蒸馏法测水的详细步骤。

　　卡尔-费休法分为滴定法与电量法两种。这两种方法都需要使用卡氏试剂。卡氏试剂中含有碘和二氧化硫，在水的作用下，碘和二氧化硫发生氧化反应，并产生电流。卡氏滴定法根据卡氏试剂的消耗量计算出油液中水的含量。卡氏电量法根据氧化反应过程中产生电流的多少测定油液中水的含量。

　　卡尔-费休法测定的水为油液中的总水(包括溶解水、乳化水和自由水)。测量灵敏度较高，一般在油液中含有微量水分的情况下使用。

　　红外光谱法是利用水对红外光谱的吸收原理而进行含水量测定的，其测定的是油液中的总水。爆声测量法是利用油液中的水在高温下汽化爆裂产生的声响大小测定油液中的含水量，其测定的是油液中的非溶解水。

4 液压系统污染控制

　　4.1 液压系统污染控制要求

　　4.1.1 油液中固体颗粒污染控制要求

　　有研究资料表明，机械设备的功能失效50%归于磨损，而磨损主要是由于系统内的固体颗粒污染物造成的。另有统计资料表明，液压及润滑元件失效70%～85%归因于油液污染，美国Massachusetts技术学院的一项统计资料表明，修理机械磨损的费用约占全美国总产值的6%～7%(2700亿美元)，而液压及润滑系统的故障有75%以上是由于油液中固体颗粒的污染造成的，经常看到因杂质颗粒卡死阀芯、堵塞节流孔、破损密封件引起外漏，从而导致停产维修的报道。5μm左右的颗粒是卡死阀芯、堵塞节流孔(既使是局部堵塞)，在系统内产生沉积的主要原因，而15μm以上的颗粒将导致堵塞节流孔和加速元件磨损。因此，要想维持系统的正常运行，必须严格控制系统的油液污染程度，特别是要严格控制油液中所含固体颗粒污染物的浓度。

　　导致阀芯和柱塞卡死的最大威胁被认为是接近阀芯和柱塞径向间隙尺寸的固体颗粒。要想最大限度地延长元件和流体的寿命就必须滤除与间隙尺寸相近的颗粒，把磨损降低到最低点。表4-1列出了典型元件的工作间隙。

　　表4-1典型元件的工作间隙

　　注意，工作间隙不等于机械间隙，工作间隙随负荷、速度、粘度而变化。

　　液压系统的污染控制要求主要是依据系统中液压元件对固体颗粒污染的敏感性，工作可靠性和系统寿命及性能来决定。这些控制规范是对实际液压系统的污染状况和使用情况作广泛调查和测试分析的基础上作出的。美太平洋科仪公司H/AC分部在七十年代对液压元件和系统的污染度进行了广泛的调研，总结了各工业部门液压装置与系统的污染度等级参考指南，其主要内容如下：

　　表4.2 液压元件的污染控制要求

　　表4.3液压系统的污染控制要求

　　4.1.2 油液中水分控制要求

　　油液中水分的污染主要来源于热交换器泄漏、密封失效、潮湿空气的冷凝、油箱顶盖的配置不当、温度降低，溶解水析出变为游离水。水分在油液中的存在形式主要有游离水(乳化或水滴)、溶解水、悬乳水。温度对油液中水分存在形式有影响，当系统温度降低时，溶解水会析出变为游离水，为了降低游离水对系统的危害，要尽可能的把油液含水量控制在饱和曲线以下，见图4-1。

　　几种常用油的含水饱和度:

　　液压油：200~400ppm 润滑油：200~750ppm

　　变压器油：30~50ppm

　　4.2 液压系统污染控制方法

　　4.2.1 油液中固体颗粒的控制方法

　　液压系统(包括润滑系统)，由于外界不断侵入系统，内部又不断产生固体颗粒污染物。因此说液压系统的污染是不可避免的，但污染是可以控制的，这种控制最主要的是采用过滤器净化系统的油液，使油液的清洁度控制到系统可允许的程度。虽然，净化油液的方法除过滤外，还有离心、聚结、静电、磁性吸附等，但过滤仍是当前最广泛的油液净化方法。

　　根据液压系统污染物的来源不同，可采取不同的控制措施：

　　污染物对液压系统的危害是十分巨大的。据统计，液压系统75% 以上的故障是由于油液及其污染造成的。固体颗粒是液压系统中最主要的污染物，液压系统污染故障中的三分之二都是由固体颗粒引起的。表2-2给出了各种污染物的危害。

　　表4-4

　　过滤器的工作原理是通过过滤材料将液流中的污物颗粒直接阻截在过滤材料中，其特点是液流中的颗粒不偏离流束，而是被阻挡在滤材表面或内部通道缩口处。

　　过滤器承担污染控制的任务主要有三个方面：(1)在系统 投入使用前，用它来清洗整个液压系统(俗称系统串油);(2)在系统投运中，用它来滤除系统油液中污物，以维持系统的油液清洁度在允许的污染等级之内;(3)在系统换油和补充油液时，用它来对注入新油进行过滤。

　　4.2.2 油液中水分的控制方法

　　液压系统中常用的除水方法有：沉降法、离心法、吸附法、真空法、聚结分离法。

　　沉降法：使用沉降槽，使水分和杂质在静止状态下慢慢沉入槽底，然后用浮动吸入管从上部将油吸出，主要除去油中的游离水。

　　离心法：利用油和水以及油中杂质的比重不同，靠机械的高速离心力使它们进行分离。主要去除油中的游离水和机械杂质。

　　吸附法：主要是指利用一种少孔质的表面水凝胶化的丙烯纤维作为吸水剂，做成筒状滤芯安装于油液系统中。由于该材料有比较强的亲水作用，所以随着过滤时间的增加，本身体积逐渐膨胀，逐渐堵塞油路，此时需要及时更换吸水滤芯。本方法主要去处游离水。

　　真空法：主要指真空蒸馏，通过扩散分离过程来去除油中水分。先将脏油输入到加热箱内预热，然后将加热后的热油引入到一个真空箱内进行蒸发，这样，水、气体和易溶物被蒸发掉，得到脱水后的洁净油。主要去除油液中的游离水和溶解水。

　　聚结分离法：聚结原理就是使脏油先通过一级滤芯，在那里利用纤维的亲水性进行破乳聚结，使不易沉淀和分离的悬浮水聚结成易于沉淀和分离的游离水，并在层流条件下沉降下来。在流动过程中未被沉降的水，可再经过疏水的第二级分离网，以达到油水分离的目的。本方法对汽油、煤油、柴油等燃料有使用效果最佳，并可在炼油厂的精炼设备中，代替真空脱水装置使用。

　　表4-5 各种污染控制方法的优缺点