轧机液压润滑系统污染控制分析

王海岩 符乃良

(1：首钢京唐钢铁联合有限责任公司 河北唐山 063200 2：湖北中钢联冶金工程有限公司 湖北武汉 430000)

1 前言

轧机是冶金行业的关键设备之一，润滑是保证轧机安全平稳运转的基础条件，70-80%的设备事故与油品的污染有关系。为减少轧辊磨损，降低轧制压力和改善产品表面质量，安全可靠的润滑是轧制行业发展的必然趋势[1]。

轧机内传动箱齿轮数量比较多，由于载荷变化和恶劣的工作环境，在轧制过程中产生的杂质很容易进入润滑系统，在实际生产中，油膜轴承润滑油进入水和杂质是行业难以解决的技术难题，会造成机械磨损的急剧增加，甚至出现严重生产事故[2]。

在轧机润滑系统中，油品污染的主要污染物是水和固体颗粒，这些污染物的存在严重地影响润滑系统运行的可靠性，降低滚动轴承、油膜轴承、齿轮的使用性能和寿命，因此重点介绍润滑系统中污染物水、固体颗粒产生及危害。

2 液压润滑系统污染来源

液压润滑系统在轧机运行过程中会把设备运转过程中的金属颗粒带回到油箱，工作过程中的渗漏、以及油温的变化也会让空气中微量水分在油中凝结、沉淀，经长时间的搅拌就会乳化，从而影响油品的润滑性能、力学性能甚至稳定性。

水在润滑油中以游离水、乳化水、溶解水三种形式存在，因此不能引出来。若轧机润滑系统中含有水分，则会使轴承或齿面油膜强度减弱、润滑效果降低，而且会加速润滑油的老化变质[3]。

新的润滑油中也可能含有杂质，主要是在润滑油在生产、包装、运输和使用的过程中，以及在新的零部件和辅助部件的制造和装配过程中，残留在部件内的机械杂质；二是内部污染，主要是由于污染颗粒从老化和油液氧化，以及从一个油箱或管道内壁涂层，并使用不同制造商，不同品牌，不同类型的混合油，不及时更换已老化的润滑油，油液会发生化学反应导致污染。另外，电加热棒的使用不当，也会造成润滑油污染，加热棒的热负荷和单位面积的油接触面超过1.5W/cm2，可能导致油液变质，产生过热渣[4-5]。

3 润滑油清洁度的比较与影响

液压润滑系统中，50%以上的是3μm以下的颗粒，绝大部分颗粒物3μm以上颗粒，包括最粘的非溶解性弹性氧化物和最硬的超细小颗粒物，可以毫无阻碍地流经精密过滤器。传统过滤设备只能有效去除大颗粒物，大颗粒物只是立时破坏设备，但却不能去除对长期危害设备的超细小颗粒物。

一般情况下，液压润滑系统的目标清洁度决定于敏感元件的推荐清洁度以及关键运转部件的最小间隙。较小的污染物会造成的堵塞喷嘴造成的伺服阀动作失灵、主阀芯卡死、加速喷嘴的磨损，造成伺服阀的失控等现象，较大颗粒污染物会进入润滑部位加速零件配合面的磨损。

3.1 杂质颗粒的大小

润滑油中颗粒杂质的大小程度为微米级别，直径为5微米和15微米的杂质颗粒对润滑元件的损害最大，相当于人体头发的1/10左右，肉眼很难看到[6]，其中5微米的杂质经常引起液压元件堵塞，大于15微米的杂质会加剧元件的磨损，如图1所示。

图1 直径10μm的颗粒与人头发放大100倍图像

3.2 不同级别润滑油清洁度比较

大多数人认为油桶内的润滑油是干净的，通过显微镜放大显示其实新的油液并不干净，清洁度为ISO4406 22/20/18(NAS12级)，而新安装液压润滑系统内的油液由于安装和磨合作用下其清洁度会更差，清洁度为ISO4406 23/22/20(大于NAS12级)，照片如图2。

图2 显微镜下新油液和新系统的油液

经常规过滤器过滤的润滑油清洁度为ISO4406 20/18/16(NAS9级)，此级别是润滑系统的最低要求，经过精过滤器过滤的油液清洁度为ISO4406 14/13/11(NAS4级)，照片如图3。

图3 显微镜下普通过滤和精过滤的油液

4 污染控制数学模型研究

液压润滑系统污染会影响整个轧机系统的运行可靠性，还会降低液压元件的使用寿命。所以要提高润滑系统的可靠性，就必须研究液压润滑系统的污染控制技术，下面建立液压系统的过滤系统数学模型，液压润滑系统过滤方式主要有四种：吸油过滤、压油过滤、回油过滤和旁路过滤，简化的系统如图4所示。图中Ri为单位时间内外界杂质侵入数量，Re为单位时间内润滑设备系统产生杂质数量，Rp为单位时间内液压泵产生杂质数量，Ct为油箱中瞬时杂质浓度，C0为油箱中初始杂质浓度，β为过滤器的过滤比，V为油箱容积，Q为液压泵流量。

图4 液压润滑系统过滤方式

对于只设置吸油过滤器，在任意时间T内，可以通过下式计算过滤后油液的杂质污染度[7]。

Ct·V=C0·V+

(1)

当时间T趋向于无穷小时，上式可以转化为：

(2)

从式(2)可以看出润滑系统的污染程度与β、Ri，Re，Q和V有直接关系。

同理，考虑压油过滤中存在液压泵磨损产生的杂质，得到只采用压油过滤的油液杂质污染度微分方程如式(3)所示。

(3)

回油过滤的数学模型如式(4)。

(4)

如果系统两个液压泵同时工作，只采用旁路过滤的数学模型如式(5)。

(5)

式中：k为泵2和泵1的流量之比。

四种过滤方式的数学模型可以看出，采用回油和旁路过滤的效果最好，而且可以看出初始杂质浓度会造成最终污染的大幅度增加，所以使用前必须对液压元件严格清洗和采用旁路过滤。另外，油箱容积V也直接影响润滑系统污染程度，从数学模型中可以看出满足要求前提下采用小油箱，散热采取其他方式。

5 液压润滑系统污染控制措施

润滑污染的有效控制可以保证液压润滑系统的正常工作，但造成润滑油污染的因素是多种多样的，使油液杂质颗粒保持在允许的范围内，是保证液压润滑系统和设备正常运转的关键[8-9]。综合以上分析，得出有效保证油液清洁度的建议如下。

5.1 设计过程的控制

在液压润滑系统设计中，必须充分考虑减少油液污染的措施，在合适的位置设置适当精度的过滤器；根据设备的元件选择合适的润滑油种类，合理选用润滑油是保证系统正常工作、减小元件磨损、降低正常条件下工作的污染生成、提高系统经济效益的重要措施；采取合理措施防止杂质和水分进入油箱，以防进入系统；密封件的合理选择，密封表面粗糙度应适当，防止磨损形成的杂质进入系统。

5.2 监测系统设置

轧机的轴承以及齿轮磨损产生的颗粒会进入液压润滑系统，含有杂质的润滑油又加剧了元件的磨损，所以对润滑油液的监测，可以反映液压润滑系统的工作状况。实现对油液的在线监测对轧机润滑系统的状态监测具有重要的意义，而在线监测的关键在于在线监测传感器的选择和监测位置选择。

润滑系统中颗粒污染度和水分含量的实时监测诊断，及时预测和发现润滑系统故障，并自动采取报警，从而可以及时采取相关措施，是设备安全运转和生产连续顺行的切实保障。

5.3 自循环过滤系统设置

在轧机运行过程中会有磨损产生的杂质带入油箱，可以采取图5所示的油箱部位自循环过滤，清除油箱油液中的杂质和水分。

图5 润滑系统系统过滤原理

6 结论

油液的污染是造成液压润滑系统扰动和故障的主要原因。但油液的污染控制绝非单靠一个因素，只有当所有相关企业和人员充分认识到润滑油污染控制的重要性和必要性，并采取切实有效的措施，才能控制油液污染。