冶金機(jī)械液壓污染的原因與控制

徐開斌

中天鋼鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇常州 213011

0 引言

冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行周期長(zhǎng)，工作環(huán)境復(fù)雜，因此其日常維護(hù)和保養(yǎng)工作任務(wù)艱巨、技術(shù)難度大。冶金機(jī)械系統(tǒng)一般都是在戶外進(jìn)行作業(yè)，所處的環(huán)境較差，且冶金機(jī)械常年處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，過高的負(fù)荷容易引起高溫、高壓。戶外作業(yè)也會(huì)導(dǎo)致冶金機(jī)械處于高粉塵污染的環(huán)境下。當(dāng)對(duì)冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行安裝、調(diào)試及運(yùn)行、保養(yǎng)的時(shí)候，冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)中的油液物質(zhì)很容易受到污染，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)變化，引起質(zhì)變。這樣，在之后的使用中，機(jī)械液壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很多故障。

圖1影響元件壽命和可靠性的因素

實(shí)踐證明，對(duì)于精度較高的冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)，究其產(chǎn)生故障的原因，由于液壓油的污染而導(dǎo)致的占到75%～80%。液壓油液污染對(duì)液壓系統(tǒng)造成的危害難以想象。液壓系統(tǒng)污染物的產(chǎn)生主要存在于制造和安裝過程。在該過程中，產(chǎn)生的污染物主要包括隱藏在液壓系統(tǒng)內(nèi)部的一些污染物和液壓系統(tǒng)在工作過程中產(chǎn)生的污染物。其中，隱藏在液壓系統(tǒng)內(nèi)部的污染物主要包括切屑、氧化皮、焊渣、銹渣以及纖維等殘留物，對(duì)系統(tǒng)危害很大。因此，在對(duì)污染物進(jìn)行控制的時(shí)候，對(duì)污染物的檢測(cè)和控制要貫穿到全過程中。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，對(duì)冶金機(jī)械設(shè)備及其液壓系統(tǒng)的維護(hù)，都停留在重使用輕保養(yǎng)的層面上。冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)具有功率大，體積小，操作方便等特點(diǎn)，因而在生產(chǎn)中被廣泛使用。但是，面對(duì)液壓系統(tǒng)污染嚴(yán)重等問題，如何更好地對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，減少液壓設(shè)備故障的發(fā)生頻率，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，是當(dāng)前各冶金生產(chǎn)企業(yè)普遍面前的一個(gè)難題。本文就冶金液壓系統(tǒng)產(chǎn)生污染的原因以及如何有效地對(duì)污染進(jìn)行控制作一些探討。

1 冶金機(jī)械液壓污染的產(chǎn)生原因及危害

1.1 液壓污染的主要類別及其危害

在冶金機(jī)械的液壓系統(tǒng)中，液壓油不僅是傳遞能量的主要工作介質(zhì)，同時(shí)也承擔(dān)著潤(rùn)滑、密封以及防銹等功能。冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)的污染主要指液壓油中摻雜了各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括固體顆粒、變質(zhì)的水以及微生物等。具體來說，包括以下3個(gè)方面：

1）從外界進(jìn)入的污染物

對(duì)于冶金機(jī)械來說，在其液壓系統(tǒng)的使用過程中，比如說在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、向系統(tǒng)注入油液等過程中，常會(huì)有很多粉塵顆粒進(jìn)入機(jī)械液壓油中。另外，系統(tǒng)還會(huì)因?yàn)槊芊馊Φ拿芊獠粐?yán)導(dǎo)致水進(jìn)入油液中。最后，在系統(tǒng)的日常維護(hù)和保養(yǎng)中，也會(huì)由于機(jī)械操作人員的疏忽等原因，將密封件以及閥體等帶進(jìn)去的棉紗等一系列的污染物掉進(jìn)油液系統(tǒng)中。這也是導(dǎo)致污染的一個(gè)重要原因。

2）系統(tǒng)自身制造過程中遺留的污染物

冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)的生產(chǎn)過程也是一個(gè)復(fù)雜的過程，要經(jīng)歷生產(chǎn)、組裝、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)以及銷售等階段。在這些階段中，系統(tǒng)本身就會(huì)產(chǎn)生一些污染物。這些污染物包括毛刺、碎屑子、沙粒、廢料、銹片、噴漆、膠狀物、棉布紗料布以及沖洗液體等等。對(duì)于冶金機(jī)械而言，

由于其某個(gè)零部件的不潔凈，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)的污染，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響運(yùn)行效率。

3）系統(tǒng)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物

冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)作為冶金機(jī)械的重要組成部分，其工作環(huán)境復(fù)雜。在當(dāng)今社會(huì)，很多冶金機(jī)械都是在戶外進(jìn)行作業(yè)，他們長(zhǎng)期處于高溫、高壓的環(huán)境，又會(huì)受到重核載的作用。在這種情況下，機(jī)械中的液壓油溫度就會(huì)變高，從而產(chǎn)生化學(xué)質(zhì)變，化學(xué)質(zhì)變會(huì)導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生腐蝕，出現(xiàn)金屬顆粒、銹滓，潤(rùn)滑不良等現(xiàn)象，也會(huì)產(chǎn)生部分剩料、磨料等物質(zhì)。另外，高溫、高壓的工作環(huán)境以及重載的工作條件會(huì)導(dǎo)致液壓油把金屬表面的顆粒剝落，使金屬出現(xiàn)凹凸不平，從而導(dǎo)致被密封的元件加快了老化的速度，被腐蝕，造成顆粒污染等。

1.2 液壓污染的主要危害

液壓油污染會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成很大的危害，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.2.1固體顆粒的危害

固體顆粒污染物的組成主要包括金屬性顆粒、纖維、沙礫、橡膠顆粒、以及積碳等。它們大多數(shù)是金屬和硅、鋁等氧化物，硬度通常較高，莫氏硬度約在4～7之間。其中，二氧化硅和三氧化鋁的硬度可以達(dá)到莫氏硬度7～9，對(duì)液壓系統(tǒng)以及元件的危害比較大。

表1液壓油液污染種類一覽表

在上表所列這些污染物當(dāng)中，固體性顆粒的分布最廣泛、危害也最大，它是導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障、降低系統(tǒng)可靠性并減少使用壽命的一個(gè)最主要的原因。所以，我們認(rèn)為，液壓系統(tǒng)污染控制的重點(diǎn)應(yīng)該放在減少固體性顆粒上。

1）固體狀顆粒各種形式的磨損

（1）切削磨損

進(jìn)入元件內(nèi)的一些比較堅(jiān)硬的固體顆粒鑲嵌到較軟的表面時(shí)，就會(huì)像車刀似的把元件表面的一些材料切割下來，然后形成碎屑。在這種磨損方式中，比較軟的表面很容易有顆粒進(jìn)入，就會(huì)導(dǎo)致較硬的那一面磨損嚴(yán)重，切削表面會(huì)有顯著的劃痕。

（2）疲勞磨損

當(dāng)固體狀顆粒到達(dá)運(yùn)動(dòng)副間隙，在碾壓運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)的作用下在元件表面生成應(yīng)力，進(jìn)而裂紋，然后被油壓沖擊后不斷擴(kuò)展，形成了空洞，導(dǎo)致機(jī)械表面材料脫落。

（3）粘著磨損

固體狀顆粒和元件表面的擠壓作用會(huì)產(chǎn)生些許的塑性變形，形成了凹凸不平的坑，使?jié)櫥湍ぴ獾狡茐?，進(jìn)而導(dǎo)致金屬表面直接進(jìn)行接觸，它們接觸的地方在高速、重荷載的作用之下會(huì)產(chǎn)生高溫導(dǎo)致金屬粘在一起。運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生剪切，導(dǎo)致金屬表層脫落形成磨粒，使磨損加劇。

2）淤積

固體狀顆粒隨著油液流向運(yùn)動(dòng)副，在此附加作用之下，如果顆粒的粒度小于配合間隙，就會(huì)比較容易進(jìn)入間隙內(nèi)。當(dāng)淤積量增加時(shí)，小顆粒會(huì)阻斷縫隙的流動(dòng)，進(jìn)而造成淤積現(xiàn)象。顆粒淤積會(huì)導(dǎo)致機(jī)械容易導(dǎo)致飄擺、油壓不夠穩(wěn)定、壓力上下跳動(dòng)、響應(yīng)頓時(shí)停頓或者停止等現(xiàn)象。一般而言淤積現(xiàn)象通常是暫時(shí)的，如果一旦工作起來，原來已有的邊界層就會(huì)被破壞，這樣就會(huì)使得淤積著的顆粒就會(huì)被液流很快的帶走，這樣一來滑閥就能夠再次正常工作起來。因此，系統(tǒng)突然發(fā)生的一些故障就會(huì)自動(dòng)消除的。油液中的小顆粒的濃度也就越來越高，從而使淤積這種現(xiàn)象不容易發(fā)生。

3）卡滯

卡滯主要指的是比較大的顆粒到了運(yùn)動(dòng)副的間隙并且附在間隙的入口附近，從而導(dǎo)致上下間隙之間發(fā)生徑向不穩(wěn)定的力，進(jìn)而使得閥芯壓向著濃度比較高的顆粒的一邊，由此就會(huì)導(dǎo)致液壓卡緊的現(xiàn)象。然而在高壓的系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)液壓卡緊的時(shí)候，那么閥芯上面受到的不均衡的力以及液壓卡緊力都會(huì)很大，這樣就會(huì)就會(huì)使得閥芯卡滯以及偏磨。

1.2.2水的危害

我們知道，在冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)中，油液中的水主要是來自于空氣。實(shí)踐證明，系統(tǒng)中水引起的污染的危害主要包括:

1）引起腐蝕

油液中含有部分金屬硫化物以及氯化物等，當(dāng)它們遇到水時(shí)，會(huì)發(fā)生作用，產(chǎn)生酸性介質(zhì)，使元件表面被腐蝕。

2）引起變質(zhì)

油液遇到水會(huì)發(fā)生氧化和乳化，添加劑也會(huì)和油液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀物等膠質(zhì)，不僅會(huì)破壞油膜強(qiáng)度，還使?jié)櫥阅芙档?。同時(shí)，它也為微生物的生長(zhǎng)與繁衍創(chuàng)造合適的條件，引起油液變質(zhì)。

3）低溫結(jié)冰

系統(tǒng)中游離的水在低溫狀態(tài)下容易結(jié)冰，將小孔等間隙、油濾器等元件堵塞。

1.2.3空氣的危害

空氣常常比水更加容易進(jìn)入到液壓系統(tǒng)中，它在液壓系統(tǒng)主要有兩種存在方式：溶解狀態(tài)、游離狀態(tài)。溶解狀態(tài)下的空氣常常不會(huì)影響到系統(tǒng)的工，產(chǎn)生危害的主要是游離狀態(tài)的空氣。危害主要包括：會(huì)產(chǎn)生氣蝕；會(huì)會(huì)降低系統(tǒng)液壓油液的體積彈性模量以及剛性；會(huì)產(chǎn)生氣阻等。

2 液壓系統(tǒng)油液及機(jī)械污染的控制策略

對(duì)于冶金液壓系統(tǒng)，其工作的可靠性及使用壽命在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)受污染的程度及類別。很多研究者對(duì)它們之間的關(guān)系都做了研究，這里就不再一一贅述。當(dāng)總結(jié)起來，要想提高冶金液壓系統(tǒng)的可靠性及使用壽命，最主要的就是要降低系統(tǒng)的污染程度，下面就如何降低系統(tǒng)的污染展開討論。

液壓系統(tǒng)的污染包括內(nèi)外兩種因素。其中，內(nèi)因指的是系統(tǒng)使用過程中的一些正常損耗，它只能通過改進(jìn)技術(shù)來進(jìn)行降低，但時(shí)不可能完全被消除。

2.1 設(shè)計(jì)時(shí)要選用適宜的過濾器

在機(jī)械的設(shè)計(jì)階段，要綜合考慮機(jī)械的工作環(huán)境，選用合適的過濾器。這對(duì)于系統(tǒng)今后的運(yùn)行有著重要的意義，是一項(xiàng)重要的污染減小措施。如果所選用的過濾器它的精度太高了，會(huì)造成浪費(fèi)；但是過低了又會(huì)減少器件的使用壽命。要想液壓系統(tǒng)的性能好、工作效率高、穩(wěn)定性好并切實(shí)靠性，就必須要為它設(shè)計(jì)一個(gè)良好的控制污染度的系統(tǒng)。

1）對(duì)于一般的冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，它的過濾器的過濾精度為20lm。對(duì)電液伺服系統(tǒng)，過濾器采用的是101m；

2）對(duì)于液壓系統(tǒng)所采用的過濾器，其精度要比實(shí)際流經(jīng)系統(tǒng)的流量大些。如果所選用的過濾器的流量小于它的額定，那么過濾器所承受的壓力差就會(huì)變小，進(jìn)入系統(tǒng)的很多污染顆粒就能夠被過濾掉，液壓油的清潔程度也就會(huì)提高；

3）將液壓系統(tǒng)并聯(lián)使用效果更好。將液壓系統(tǒng)并聯(lián)后，經(jīng)過每一個(gè)過濾器的液體流量就會(huì)變小，這樣，液壓系統(tǒng)的清潔程度就會(huì)得到提高；

4）對(duì)于液壓系統(tǒng)，要選用性能較高的過濾器，在過濾的時(shí)候，可以實(shí)行分級(jí)過濾。與此同時(shí)，為了防止過濾器被堵塞而變形，還需要對(duì)它們進(jìn)行定期更換；

5）選好過濾器后，還要按照要求，在機(jī)械上正確安裝過濾器。一般情況下，都會(huì)把過濾器安裝在吸油回路上。因?yàn)檫@樣可以更好地清除即將進(jìn)入但尚未進(jìn)入到泵中的污染物。如果液壓系統(tǒng)的精度要求較高，還可以通過在吸油回路裝一個(gè)粗濾器并且在機(jī)械液壓管路上面設(shè)置一個(gè)精濾器來實(shí)現(xiàn)。

2.2 液壓系統(tǒng)制造和安裝階段的污染控制

1）在現(xiàn)代液壓系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的電液伺服采用的材料是不銹鋼質(zhì)的無縫式鋼管，它有一個(gè)特點(diǎn)，就是鋼管之間不能夠用螺紋來連接。鋼管和彎頭等要放在硝酸和氫氟酸的混合液中清洗，目的是除去管道內(nèi)壁上的贓物。

表2管道酸洗鈍化配方

管道用鋸割而不用砂輪切割，目的是減少砂輪粉末的產(chǎn)生。焊接的時(shí)候，在不銹鋼管端處打好坡口，去掉毛刺并處理干凈。在焊接的時(shí)候，最好使用氬弧旱接，減少熔渣；

2）將液壓油管拆除的時(shí)候，要保持接頭的開口朝上。同時(shí)還必須用堵頭將接頭開口堵住，目的是為了防止液壓系統(tǒng)中的油液流失，同時(shí)也可以有效地也減少污染物的侵入及危害。

2.3 加強(qiáng)對(duì)液壓系統(tǒng)使用的護(hù)理與保養(yǎng)

1）對(duì)新油液的污染加以控制。對(duì)新油的檢測(cè)表明，一般的污染度都會(huì)在NAS10級(jí)以下，而電液伺服系統(tǒng)的要求是必須達(dá)到NAS6級(jí)以上。因此，在加注油液之前，要用精細(xì)的過濾車對(duì)燃油進(jìn)行三層過濾，使新油的污染程度能夠達(dá)到電液伺服閥NAS6級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。這可以大大降低電液伺服閥更換和清洗的頻率，使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；

2）在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗的時(shí)候，采用離線循環(huán)沖洗的方式。將循環(huán)沖洗離線的時(shí)候，要斷開電液伺服閥等部件，直接連通軟管和硬管。打開泵，將新油進(jìn)行過濾。大概運(yùn)行24h～72h后，將液壓油的溫度控制在50℃～60℃左右，將壓力控制在2MPa左右。與此同時(shí)，可以采用橡膠錘等工具，通過敲打接頭和焊接縫隙等部位來清除污染物；

3）將油溫在適宜的一個(gè)溫度。如果液壓系統(tǒng)油液的溫度過高時(shí)話，油液會(huì)發(fā)生氧化變質(zhì)，且速度很快，這樣就會(huì)導(dǎo)致金屬的磨損加劇，同時(shí)會(huì)使密封件發(fā)生物理變化，產(chǎn)生老化和變形，引起泄漏和污染。一般情況下，工作油的溫度應(yīng)該保持在55℃以下。

3 結(jié)論

冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)的污染與控制過程復(fù)雜，任務(wù)龐大，技術(shù)難度大。為了使冶金機(jī)械液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，減少系統(tǒng)故障。對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝要做到合理，要加大對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)力度，減少污染物，提高系統(tǒng)的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本，進(jìn)而提高效益。

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