在用液压油固体污染检测技术及污染控制研究

2020-08-14刘享明李洋刘威易少强刘龙

润滑油 2020年4期

刘享明，李洋，刘威，易少强，刘龙

(1.中国人民解放军91315部队，辽宁大连 116041；2.中国人民解放军91998部队，辽宁大连 116041)

0 引言

液压油广泛应用于机械加工、车辆、船舶、航空航天和军事等设施设备上，其主要作用是液压传动，即在设备的液压系统中实现能量的传递。同时，对于液压系统来说，它还起着润滑、防腐、防锈及冷却等作用[1]。数据表明，大约70%～80%的液压系统故障都是由于油液污染造成的[2]，其中，固体污染是液压系统中最普遍、危害最大的污染物，液压系统中由于固体污染物导致的故障占总污染故障的60%～70%[3]。如果在设备使用过程中对液压油固体污染进行定期或不定期地检测，及早发现污染程度，及时采取相应控制措施，就可以减少设备故障率，避免设备出现严重故障，甚至能够避免一些无法弥补的事故，进而延长液压油及设备的使用寿命、节约设备维修成本。因此，在用液压油的固体污染物检测技术至关重要。

1 在用液压油固体污染的来源

在用液压油固体污染物主要是以不同形状、尺寸的颗粒形式存在于液压油中，其主要有四方面的来源：一是油品污染，二是固体残留污染，三是生成污染，四是外部侵入污染。

(1)油品污染

主要指液压油在生产、存储、运输及加油过程中产生的污染。例如供应给厂家的新油油桶在装油前本身已经被污染(桶内混入颗粒物质)；液压油在存储、运输过程中密封不严甚至密封破损，进入灰尘或沙粒造成污染；在给设备加油过程中使用的一些工具(如加油漏斗、油管、抹布、手套等)不干净或加油操作不严谨，会造成污染。

(2)固体残留污染

主要指液压系统各零部件在加工、运输、安装及维修维护过程中对混入零件内部的金属屑、焊渣、磨屑、锈渣、油垢、沙粒、尘埃、棉纱和碎抹布等杂物没有清理干净，导致这些固体污染物残留在零件内部，最后进入液压油中形成污染。

(3)生成污染

主要指液压系统在运行过程中由于自身的运转生成一些固体颗粒或附加产物，主要包括液压系统摩擦副间的磨损颗粒(金属碎屑)；液压设备运转过程金属零件、密封材料、橡胶软管、过滤材料等部件间振动、摩擦产生的固体颗粒(如密封橡胶垫碎屑、金属管剥落的油漆皮)；液压油在高温环境下发生一些化学变化(如氧化反应)而生成一些黏滞物、浸漆物及产生的油泥、油垢、沉淀[2]。

(4)外部侵入污染

主要指液压系统所处的周围环境产生的污染，例如粉尘较大的环境中，灰尘或其他杂物会通过油箱通气孔、设备加油孔等外露部位进入液压油形成污染；另外，设备检修时也有可能将外界固体杂物带入液压系统中。

2 在用液压油固体污染的危害

液压系统主要功能是能量转换，不同的液压系统其工作原理及功能结构大同小异，如图1。液压油固体污染直接影响液压系统工作状态，甚至能够使液压系统突然停止工作，危害较大。

图1 液压系统功能结构示意

(1)堵塞管路

由图1可看出，液压系统包含很多输油管道、阀门(压力阀、方向阀、流量阀等)及过滤装置(滤油器)。固体污染颗粒不断地沉降在管道中，随着时间推移，输油管路会变窄，形成阻塞，影响液压系统能量转换效能；微小颗粒在各阀门间隙内淤积，会逐渐使得阀芯卡紧甚至卡死，导致控制系统失灵；微小颗粒在过滤装置中的滤网上不断堆积，逐渐堵塞过滤网，极易造成油路中断。

(2)使设备突然失效

图1中动力设备主要是各种液压泵，如齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、螺杆泵等[1]，它们的作用就是将机械能转换为液压能，是液压系统中的核心部件。较大颗粒污染物会进入这些部件使得这些设备突然失效，进而使得整个液压系统停摆，如大颗粒污染物会将叶片泵的叶片打变形甚至打断或卡死整个叶片；较大颗粒污染物会迅速堵塞阀门、滤网使得这些部件迅速功能失效，导致整个液压系统停止工作。

(3)加速设备磨损

液压油中的污染颗粒会进入各部件相对运动表面(摩擦副表面)之间，形成黏着磨损、疲劳磨损及磨粒磨损，加速设备磨损；当含有颗粒的液压油高流速在整个管路循环时，这些颗粒会对管内壁、阀口及元件表面等部位产生冲击，形成冲蚀磨损，其破坏力与液压油流速平方成正比[2]，颗粒越坚硬、形状越尖锐、体积越大，破坏性更强。

3 在用液压油固体污染物检测技术

在用液压油固体污染物检测一个重要目的是实现对液压系统早期故障的预测或预警及故障诊断，及时采取污染控制措施，减少系统故障率。液压油固体污染物的检测一般分两大步，第一步是检测在用液压油污染度，第二步是鉴别污染物材质，为查清污染来源提供参考依据。

3.1 在用液压油污染度检测技术

油液污染度一般指单位容积油液中固体颗粒污染物的含量，即油液中所含固体颗粒污染物的浓度[3]。污染度检测技术比较多，有称重法、颗粒计数法、电测法、库尔特法、机械缝隙法、超声波法、光测法及淤积法等[2]，较常用的是称重法及颗粒计数法，其中颗粒计数法又有显微镜计数法和自动颗粒计数法。

(1)称重法

称重法[3-4](如图2)原理和操作都比较简单，简而言之就是对液压油样品进行过滤，称出过滤后的颗粒重量，进而计算污染度，实际操作时分如下几步：

①将两片(代号A、B)烘干后的0.2 μm孔径滤膜分别用精密天平称重，得到重量分别为mA、mB；

②将A、B滤膜上下重叠，在滤膜夹持器内夹紧；

③将100 mL经石油醚稀释的样液在真空装置的作用下缓慢地流过A、B滤膜，实现过滤，从而样液中的颗粒就会聚集在两片滤膜上,得到过滤后样液容积V(mL)；

④烘干A、B滤膜；

⑤分别用精密天平称重两片滤膜，得到重量MA、MB；

⑥计算油液污染度W(mg/L)，公式如下：

一般来说，称重时天平精度至少应控制在0.05 mg。称重法虽然方法、原理简单，但称重法存在两个局限性：

a)可靠性不高。主要是因为滤膜烘干的程度难以精确控制，所以计算后的污染度结果有时差异很大，可靠性不高，只能粗略反应油液的污染度。

b)反映的污染度指标单一。称重法检测的结果只能反映出油液颗粒污染物的一个总量，并不能反映颗粒尺寸大小及其分布。

所以称重法主要应用于要求快速、精度要求不高、经济性的检测场合。

(2)颗粒计数法

颗粒计数法是测定样液单位容积中各种尺寸范围颗粒污染物的颗粒数[4]，主要有视场扫描方法和液流扫描方法，具体分类[4]如表1。

由表1中可以看出遮光型自动颗粒计数器测量尺寸为1～9000 μm，测量范围比较广，因此遮光型自动颗粒计数器应用比较广泛。

表1 颗粒计数法分类

遮光型自动颗粒计数器原理是根据样液中污染颗粒的尺寸和数量以污染度等级的方式定量描述样液中的污染状态，其原理[5]如图3。

图3 遮光法示意

平行光束垂直穿过截面积为S1的样品检测区，照射到光电接收器上，液体流过检测区，当液体中没有颗粒时，电路输出电压为E1，当液体中有一个投影面积为S2的颗粒通过时，阻挡了部分平行光，此时，电路输出电压为E2：

E2=(S2/S1)×E1

S1、E1值是确定值，可见S2与E2成正比，即颗粒投影面积与输出电压成线性关系。

在国内，目前广泛采用的污染度等级标准是美国国家宇航学会在1964年提出的NAS 1638标准及GB/T 14039-2002标准。NAS 1638标准是划分出5个颗粒尺寸对应的数量区间，按照100 mL样液中所处颗粒区间的允许最大颗粒数量分14个污染等级；GB/T 14039-2002是对GB/T 14039-1993(等效ISO 4406)的修订版，采用两个斜线分隔的三个数字表示污染等级，前一个数字表示1 mL样液中大于等于4 μm颗粒数的代码，中间数字表示1 mL样液中大于等于6 μm颗粒数的代码，后一个表示1 mL样液中大于等于14 μm颗粒的代码[4]。

用遮光法测定液压油污染度等级要确保准确性，在检测过程中需要注意以下几方面：

a)颗粒计数器要清洗干净。检测前如果颗粒计数器管道内残留上次检测的样液会造成本次样液二次污染，导致污染度检测不准。

b)分散沉降或结块。有些放置久了的样液中有颗粒沉降或结块，这会导致颗粒分布不均匀，不能反应在用油真实污染状况，导致污染度检测不准，可以采用手工摇伴或超声槽进行分散。

c)样液脱气。取样或分散摇拌时样液中会有气泡，在通过颗粒计数器时这些气泡会当做固体颗粒计数，可以通过超声波槽除泡。

3.2 在用液压油固体油污染物材质鉴别

对于在用的液压系统来说，检测其液压油的污染度是否超标是一项重要性日常监测工作，对于污染度超标的在用液压油，还应查明污染来源，这就需要对固体污染物的材质进行鉴别。用于液压油固体污染物材料分析的技术主要有：原子发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线荧光能谱法及分析式铁谱法，从操作方便性、安全性、经济性、日常维护及检测效率等综合因素考虑，当前较常用的是原子发射光谱法，其次是分析式铁谱法。四种方法优缺点[3,5]如表2所示。