固體顆粒污染物對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的危害

李杰峰，鄭建紅

唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北 唐山 064002

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命與液壓系統(tǒng)的污染狀況有著極為密切的關(guān)系。根據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的故障大約有80%是由于液壓系統(tǒng)的污染引起的，在各種污染物中，固體顆粒分布最廣，危害最大，是引起系統(tǒng)故障、可靠性降低和元件壽命縮短的最重要根源，由固體顆粒污染物引起的液壓系統(tǒng)故障占總故障的60%～70%[1]。

在液壓系統(tǒng)中，油液中的固體顆粒污染物是引起磨損的最主要原因，顆粒起著研磨劑中的磨料的作用，它同元件表面長(zhǎng)期相互作用，產(chǎn)生各種形式的磨損，造成元件表面逐漸損壞，配合間隙逐漸增大，內(nèi)漏逐漸加大，導(dǎo)致性能衰降直至失效，縮短使用壽命；同時(shí)可促成顆粒淤積、堵塞和卡滯，導(dǎo)致突發(fā)性故障[2][3]。在液壓系統(tǒng)里，無(wú)論是金屬件還是非金屬件，都極易受到這種磨損，特別是配合精度較高的滑閥式或柱塞式等機(jī)構(gòu)，更易遭到顆粒的磨損。

1 固體顆粒的磨損

固體顆粒污染主要取決于顆粒污染物的磨損性以及顆粒尺寸與關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副間隙尺寸的相對(duì)關(guān)系。尺寸小于運(yùn)動(dòng)副間隙的顆粒污染物隨著泄漏油液通過(guò)間隙，一般不引起磨損或只引起很輕微的磨擦，尺寸大于運(yùn)動(dòng)副間隙的顆粒不能進(jìn)入間隙內(nèi)，因而對(duì)運(yùn)動(dòng)副表面不產(chǎn)生磨損作用，而只有尺寸與運(yùn)動(dòng)副間隙相等或稍大的顆粒污染物在液流作用下可能進(jìn)入間隙，引起運(yùn)動(dòng)副表面的磨損。這一顆粒尺寸是對(duì)液壓元件運(yùn)動(dòng)副污染磨損最敏感的尺寸，稱為臨界尺寸。臨界顆粒尺寸不僅是評(píng)定液壓元件的污染敏感性和耐污染能力的一個(gè)重要參數(shù)，而且是確定液壓系統(tǒng)過(guò)濾要求的一個(gè)重要指標(biāo)。由于臨界顆粒尺寸與液壓元件運(yùn)動(dòng)副的間隙相對(duì)應(yīng)，當(dāng)嚴(yán)重磨損導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副的間隙增大時(shí)，就會(huì)有更大的顆粒污染物進(jìn)入間隙參與磨損，從而使運(yùn)動(dòng)副磨損加劇，造成污染磨損的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

顆粒污染的磨損機(jī)理主要有切削磨損、疲勞磨損、粘著磨損和沖蝕磨損等形式。

1.1 切削磨損

進(jìn)入元件運(yùn)動(dòng)副間隙內(nèi)的堅(jiān)硬固體顆粒，嵌入到材料較軟的元件表面，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將另一元件表面材料切削下來(lái)。這種磨損，因較軟的表面易嵌入顆粒，故較硬的表面常常反而磨損較嚴(yán)重，切削磨損表面常有明顯的劃紋和劃傷。

1.2 疲勞磨損

固體顆粒進(jìn)入運(yùn)動(dòng)副間隙后，在碾壓和滾動(dòng)下將使元件表面出現(xiàn)溝槽（塑性變形）并產(chǎn)生應(yīng)力；然后，在表面出現(xiàn)初始裂紋；反復(fù)作用引起裂紋擴(kuò)展，并形成空洞；最后，表面材料剝離而損壞。

1.3 粘著磨損

固體顆粒與元件表面相互作用使元件表面材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生凸起和洼坑，這些凸起部分破壞了潤(rùn)滑，使運(yùn)動(dòng)副表面產(chǎn)生金屬與金屬的直接接觸，接觸點(diǎn)在負(fù)載下造成局部高溫而發(fā)生熔合粘著。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生剪切，材料從屈服強(qiáng)度較小的表面上剝落而形成磨粒，進(jìn)一步加劇磨損，這是一個(gè)粘著一剪切一再粘著一再剪切的惡性循環(huán)過(guò)程。當(dāng)熔合點(diǎn)較多時(shí)，運(yùn)動(dòng)副會(huì)發(fā)生卡滯甚至卡死現(xiàn)象，導(dǎo)致突發(fā)性故障。

1.4 沖蝕磨損

固體顆粒隨著高速流動(dòng)的液流，不斷向暴露在管道中元件的棱邊和表面噴射沖刷，如此長(zhǎng)期反復(fù)作用下，可使被沖刷部位受到磨損，稱為沖蝕磨損。顆粒在較高速度下有足夠的能量來(lái)破壞被撞擊的金屬表面。一般來(lái)說(shuō)，較軟顆粒使被撞擊處金屬材料變形，在表面產(chǎn)生損傷，類似于加速疲勞破壞；較硬顆粒使被撞擊處金屬材料錯(cuò)位、滑移、加速疲勞和切削剝離。沖蝕磨損常見(jiàn)于閥芯棱邊和節(jié)流孔。

污染磨損過(guò)程往往不是一種磨損方式起作用，而是幾種磨損方式并存，并且?guī)追N磨損方式相輔相成，互相促進(jìn)，例如，上述四種磨損方式皆可在滑閥閥芯磨損過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)，切削磨損和疲勞磨損可促成粘著磨損等。

2 固體顆粒的沉積

粒度小于配合間隙的固體顆粒隨液流流經(jīng)運(yùn)動(dòng)副時(shí)，在縫隙流動(dòng)的附加作用下，較易進(jìn)入間隙內(nèi)，在油膜附面層的吸附和阻滯下被淤積在間隙內(nèi)，隨著沉積量的加大，縫隙流動(dòng)可能被大量小顆粒阻斷，造成運(yùn)動(dòng)副之間靜摩擦力大大增加，閥芯運(yùn)動(dòng)受阻，可導(dǎo)致工作不穩(wěn)定等突發(fā)性故障，如空中飄擺、油壓不穩(wěn)、壓力跳動(dòng)、響應(yīng)瞬時(shí)變慢或停滯等；同時(shí)可促成磨損、堵塞和卡滯[4]。淤積現(xiàn)象往往是暫時(shí)的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)副有相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，原來(lái)形成的邊界層就會(huì)被破壞，淤積的顆粒會(huì)被液流帶走，淤積效應(yīng)隨之消失，運(yùn)動(dòng)副又能恢復(fù)正常工作。

3 運(yùn)動(dòng)副的卡滯現(xiàn)象

卡滯一般發(fā)生在滑閥機(jī)構(gòu)的閥芯與閥套配合面，造成配合面出現(xiàn)劃紋和劃傷、閥芯運(yùn)動(dòng)受阻甚至卡死，導(dǎo)致突發(fā)性故障[5]。當(dāng)較大的顆粒進(jìn)入運(yùn)動(dòng)副間隙并附著在間隙入口附近，根據(jù)液壓流體力學(xué)理論可知，此處液流流速變大，壓差變小，上下間隙產(chǎn)生徑向不平衡力，把閥芯壓向顆粒濃度高的一邊，引起液壓卡緊，造成閥芯卡滯和偏磨。當(dāng)比正常間隙略大的顆粒進(jìn)入并被阻留在間隙中時(shí)，在系統(tǒng)減壓或換向時(shí)，大顆粒被壓在間隙中，進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)副表層內(nèi)，造成配合面壓傷和卡滯，嚴(yán)重卡滯會(huì)造成明顯劃傷甚至卡死。

顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，還會(huì)對(duì)油液起反復(fù)剪切作用，降低油液粘度和潤(rùn)滑性，催化油液氧化變質(zhì)，縮短其使用壽命需要強(qiáng)調(diào)的是，顆粒污染的上述幾種危害方式在系統(tǒng)中不是單一的行為，而是多種方式并存，并且?guī)追N危害方式相輔相成，互相促進(jìn)。因此，在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，嚴(yán)格控制固體顆粒污染物是有效減少液壓故障的主要措施。

[1]張蕊，郭智勇.液壓系統(tǒng)油液污染對(duì)系統(tǒng)的影響[J].科技資訊，2011(4).

[2]齊億洲，溫佩民.淺析液壓系統(tǒng)污染對(duì)液壓系統(tǒng)的影響[J].科技信息，2007(13).

[3]賀培峰，張守波.污染引起液壓元件損害機(jī)理的分析[J].港口裝卸，2007(4).

[4]鄧翊，袁作新，彭翾.液壓系統(tǒng)污染原因分析及控制[J].武鋼技術(shù)，2010(3).

[5]張培森.挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷及措施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(31).