工程机械液压油水污染分析与检测研究

黄雅琨　耿以娜　张铁　徐经顾　邹亦璠　刘成强

摘 要：液压传动是以液压油为介质进行动力传动的一种传动方式，在工程机械行业有着广泛的应用。液压油可以传递动力，还能起到对运动部件的润滑和防锈的作用，水侵入液压油会造成运动部件磨损和液压油的污染变质，造成设备的损坏。本文以液压油为研究对象，分析了液压油含水的原因，如何监测和预防，为提高液压系统的可靠性和寿命具有重要的意义。

关键词：液压传动;液压油;水污染;检测

中图分类号：TH137;TH164 文献标识码：A

液压传动是一种重要的机械传动形式，具有布局灵活，功率密度比大、调速方便，控制灵活等特点，在工程机械中得到了广泛的应用。液压传动是以液压油作为传动介质进行的动力传递，液压油是液压系统能够正常工作的重要组成部分。

液压油是液压系统实现能量从液压泵传动到执行元件的传动介质，液压油对液压系统的作用类似于人体血液对人体健康的作用，对维持液压系统的功能和保证液压设备健康运行具有重要的作用和意义。由于工作环境恶劣和外界的干扰，液压系统的液压油在工作过程中会产生外界的污染，会有固体颗粒物、水等其它介质的侵入，造成液压油的污染和产生液压系统及设备的损坏。本文分析了液压油含水污染的途径和检测与排除方法，为提高液压系统的可靠性和液压油的寿命提供理论指导。

1 液压油中水分的侵入形式

随着经济与科技的发展，液压系统被广泛地应用到工程机械，建筑机械和机床等设备上，大大地提高了工作效率。液压系统使用不当时，容易受外界污染物污染使其失效或出现故障。据调查统计发现，液压系统的故障80%是由于液压油的污染造成的。液压油污染物主要包含空气、固体颗粒物、水等。水分侵入液压系统也会造成液压油的严重污染，水分可通过多种形式侵入液压油中造成液压油污染，导致液压系统故障。[1，2]

（1）一般开式液压油箱盖上都设有通孔，大气压力作用在液压油面，以便能够使油泵吸油，某些时候空气中的水分冷热交替后通过通孔进入油箱。

（2）液压系统在使用过程中，如果在潮湿的环境中或者下雨天工作，空气中的水分有可能会冷热交替凝结成水珠进入液压油中，或者在油箱中存在温差使空气中水气冷凝，从油箱壁面落入油箱的液压油中;而这样的外界因素无法避免。

（3）另外，液压系统使用时间过长，而检修的周期过大，一些零件的损坏不容易被发现进行替换，也比较容易使液压油中掺进去杂质。水分可能通过已损坏的液压缸缸体与活塞杆密封处进入油中;或者液压装置的某些零件焊接、联接部位等密封不严紧，油箱上的雨水也会渗入油箱。液压油在保存过程中，如果桶盖上的橡胶圈密封不紧实，水就可能渗漏进去，造成液压油污染。

（4）水冷系统的渗漏以及液压系统结构自身的缺陷也都有可能会使会使液压油中水分的侵入。

（5）日常保养，清洗、换油未被彻底放尽，维修过程中带入水分，有些液压设备维修后用金属清洗剂清洗液压系统，系统内的水分未被完全清理干净，也会使得液压油中掺杂水分，对液压系统造成一定恶劣的影响。

（6）有些液压油自身含水量比较大，需要进行多次过滤才能投入使用，但并不能保证过滤后的液压油完全不含有水分，所以这也成为了液压油中含有水分的潜在因素。

2 液压油中含水的危害及表现形式

液压油在保管、运输、储存、抽注和使用过程中，水分会侵入到液压油中，所以当液压油中掺杂水分时，不可避免的会对液压系统、液压装置造成一定有损害的影响。水在液压油中存在溶解水、游离水和乳化水3种形式。其中游离水、乳化水的危害较为严重，导致液压油提前报废、老化失效，液压系统故障。

工程机械在使用过程中，受到外界因素的影响，水分很容易侵入液压油。水的存在能使液压油对金属的腐蚀作用加剧，氧化作用加大。一旦油中含有过量水分并被分解成大量游离水，这些游离水会大大加快液压油的氧化，恶化配合表面的润滑，使润滑油膜的形成不易，形成的油膜质量变差，支撑能力降低，表现为油膜强度性能和厚度降低，使运动表面产生接触，造成磨损、粘着和发热，以及对金属部件的保护不够，容易生锈或受到腐蚀。[3，4]

水进入油中可能会使液压油乳化，生成极难破坏的乳化液，使得液压油变质，减少了液压油的使用寿命。这种白浊状态乳化油会使液压元件生锈，乳化液生成油垢，会堵塞滤油器、油泵和控制阀，加剧机械装置的磨损，引起系统工作的各种故障。

水进入液压油中，使液压装置中的铁质零件生锈以后，油箱内的水蒸气可能会造成油箱油面以上部位出现严重锈蚀，铁锈掉落到液压油中后，脱落的铁锈形成油泥在油路中流动，导致液压元件堵塞卡死，使液压阀系动作失灵，也可能造成过滤器堵塞，降低精过滤效果，这样增加了过滤成本，更会造成液压系统的故障和机械装置的加速磨损。

水进入油中后，会使液壓油粘度降低，导致液压系统内部漏油严重，噪声增大，温度升高，液压执行元件运动速度降低、动作缓慢无力，液压系统工作效率降低。

水会与液压油中的某些添加剂产生反应，使得添加剂被损耗，降低了液压油的使用性能，并且会产生沉淀、胶质等污染物，加速油的恶化。

存在于液压油中的水分，在低温时容易凝结成冰，一定程度上降低液压油的流动性，堵塞液压元件的间隙和死口，在较高的工作温度下会与液压油发生氧化反应，增加了油的酸性，对液压元件造成腐蚀，降低了金属部件的使用寿命。

一旦液压油中含有大量水分，微生物的繁殖速度会变的极快，大大恶化了液压油的物理性能和使用性能，加大了换油成本和液压系统的清洗成本。

当水分和空气同时侵入液压油时，空气的侵入更增加了液压油生成气泡的可能性，降低了液压油的弹性模量，使液压油的润滑性下降，磨损增大，执行元件运动不平稳，产生爬行和冲击现象，更进一步增大了磨损。

3 液压油含水的检测方法

水分侵入液压油时液压油的特性或水本身的特性，如密度、粘度、介电穿透性、参加化学反应的能力以及对各种射线能量的吸收程度都会发生变化，液压油含水分的测定原理就是利用这些变化与纯净的液压油进行特性对比。[5]

液压油是否含水分的简单判断，可以通过爆裂试验、试管声音试验、棉球试验等，在一定程度上直观判断液压油是否含有水分，但并不能精确地得出液压油含水分的多少，只能作为辅助的参考。为了精确的检测液压油有的水分需要设计专门的实验方法。根据监测的时效性和空间性可分为在线检测和实验室检测。在线检测可以采用电容阀和红外线法等，实验室检测可以有卡尔费休法和蒸馏法。

3.1 实验室检测

蒸馏法是采用一定量的试样与无水溶剂混合，通过蒸馏过程将液压油中的水分进行蒸发和凝结，实现油水分离，测试液压油中的含水量，测试原理和装置简单，但是测定的精确度较低且测试时间长，易受环境条件影响。

卡尔费休法是利用化学原理进行的一种检测，类似于滴定方法。将标准卡尔试剂的油液滴定到静电计的最终点，就可以测出一定油液容积中的游离水和溶解水的含量，然后与指标对比，以判断是否超出标准。该方法检测精度高且速度快，但是操作复杂，对实验人员的技术和知识要求较高，需要从液压油中采集出来一定量的液压油，产生液压油的浪费，而且无法实现在线检测。

3.2 在线检测

水和油对红外线的吸收波段是不一样的，近红外线法是利用水分对特定波长的近红外线的吸收来测定油液中的含水量，该方法能够实现非接触式测量，具有检测速度快，非接触式测量的优点，缺点是会受到液压油中固态颗粒物的干扰，以及混入的其它吸收红外线物质的影响，测量范围较小。

电容法根据电容大小与介电常数有关的原理，将被检测的液压油当做介电介质。液压油的含水量的大小之间决定了介电常数的大小，检测电容的大小就知道液压油中含水量的大小。其工作原理简单易理解，设计的传感器结构简单、工作可靠、可实现对液压油的无损、无干扰的测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。

目前国内对于液压油含水量的主要研究方向就是基于电容法，融合各个学科研究新进展，相互促进。孙衍山等人采用聚酰亚胺水分子选择性覆膜，设计了一种新型连续曲率双螺旋电容水污染传感器，利用介电常数的变化对油液含水率检测的原理，同时为提高精度和避免干扰。滕怀波等研究的基于介电常数原理设计制作的一种电容式微流控检测芯片，将介电常数法与微流控芯片技术相 结合，设计并制作了微流控电容检测芯片。电容法检测利用了油液油含水时产生的介电常数的变化原理，设计专用的传感器可以实现监测的智能化、微型化和模块化。[6]

4 液压油中水分的去除方法

据实验研究表明，水在液压油中存在的形式一般分为有3种形式：

（1）溶解水：理论上水和油是无法混合在一起的，因为分子结构和化学键性质决定的，实际上，液压油中总是含有少量以分子水平存在的水分，即液压油和水具有一定程度的相融性，会有少量水可以溶解到液压油中，形成稳定的混合物，这种少量的水以完全溶解的状态稳定存在于液压油中。

（2）乳化液：水的分子比液压油的分子小，分子间的内力小，在高压和液压阀口等部位剪切力的作用下，会产生微细的水颗粒，与液压油混合在一起产生了油水混合物，无法与油进行分离，充分的混合产生的外在表现是液压油变成了乳白色。

（3）游离水：游离水是水分和液压油基本是独立的状态，在液压油箱里面或者大的容腔里面，当长时间静置时会出现游离态的水。小水滴聚集成大水滴和水块，这时候由于液压油和水的密度和重力不不同，水会沉积在液压油的底部。[7]

由于液压系统中的液压油混入水分之后产生的乳化或者游离的水会对液压系统造成巨大的危害，因此我们对液压油的水分含量需要进行严格的控制。

（1）聚结法。聚结法是重力脱水法的一种，油水乳化液通过凝聚层打破液压油的乳化状态，实现静置的分层，促进水分的聚集，微小水滴聚结在过滤元件的底部，由于水的密度大于液压油的密度，水分就会在底部沉集，液压油通过斥水层，水分被阻隔，将液压油中的水分去除。

（2）使用特种滤清器过滤水分。液压系统中的滤清器是必须的液压辅助元件，可以过滤液压系统中的固体颗粒物的污染，保持液压油的清洁，一般对水分没有过滤功能。特种的过滤器是专门设计的一种可以过滤水分的过滤器，工作原理可以是利用重力将油和水进行分离。一般这种过滤器设计的更长，让水分与油的分离重力差更大。这种过滤方法一般独立安装在油箱的外部，通过将液压油不断的循环，然后将水分不断的从液压油中去除。

（3）吸附法。吸附法的主要原理是依据吸附现象，利用某些拥有吸附作用的物质能够将水分子截留在自身活性表面的特点进行去除水分处理，这种方式能够去除游离水以及部分已经融入液压油的水。高分子吸水性树脂是一种交联密度很低的、不溶于水的高水膨胀性高分子化合物，具有相当于自身数十倍甚至数百倍的吸水性能。高分子吸水性树脂具有很高的吸水性能，并且能够具有一定压力下的保水能力，还可以重复利用，制造成本低，因此可以在工程机械中得到广泛应用，可以在工程机械的液压油箱底部放置吸水材料，定期的取出吸水材料进行排水。

5 结论

工程机械的工作环境恶劣，长期工作在户外，经常经历风吹雨淋霜雪天气，液压系统被水污染的概率更大，水侵入液压油的途径更多，因此对工程机械液压油水污染途径的控制需要更加严格。水对液压油的危害表现为液压油的寿命变短，对工程机械液压系统的危害是元件的故障率提高，寿命下降，甚至动作失效。考虑到工程机械是户外移动中工作等特点，需要采用更加先进的在线监测方法，即时监测液压油水污染的情况，采用在线的排除方法提高工作效率，提高工程机械液压系统的智能性和可靠性。

参考文献：

[1]曾如文，万登攀，李玉忠.液压油固体颗粒污染度检测误差分析及控制[J].液压气动与密封，2015，35（07）：66-69.

[2]楊翠青.液压系统的油液污染控制与管理相关问题探讨[J].科技资讯，2013（11）：100+102.

[3]罗洪波.集装箱场地搬运设备液压油更换标准的研究[J].大众科技，2012，14（10）：96-97.

[4]刘广平.自动颗粒计数器在液压油污染度检测中的应用[J].机电信息，2010（12）：220-221.

[5]董彩云.液压油污染度的检测[J].流体传动与控制，2009（04）：50-52+58.

[6]滕怀波，张洪朋，刘恩辰，曾霖，陈海泉，薄昭.船舶液压油水分含量检测新方法[J].船舶工程，2017，39（04）：83-87.

[7]孙衍山，邓可，王钧.液压油水污染在线连续检测传感器研究[J].润滑与密封，2015，40（07）：102-105+132.

基金项目：江苏省高等学校自然科学研究项目19KJB460026;19KJA140002，大学生创新创业项目（2018058;xcx2019127;xcx2019126）

作者简介：黄雅琨（1998-），男，汉族，河南焦作人，徐州工程学院，本科在读，机械设计制造及其自动化专业。