高清潔度液壓油產(chǎn)品的工藝技術(shù)及測試研究

孫國強(qiáng)

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展，液壓設(shè)備制造精度提高、壓力增加、控制精度提高，工作速度加快，為了確保液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)操作和提高液壓元件的使用壽命，對液壓油性能的要求更加苛刻。但由于污染的原因，液壓元件的實(shí)際使用壽命卻往往比設(shè)計(jì)壽命短的多。60年代中期，美國國家流體動(dòng)力協(xié)會(huì)(NFPA)就得出了“液壓系統(tǒng)故障至少有75%是由于液壓油污染造成的”的結(jié)論。所以，液壓油的清潔度對液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。目前，我國的液壓油品種較為齊全，但與國外各大石油公司相比還有一定差距，主要表現(xiàn)在國內(nèi)潤滑油生產(chǎn)廠家?guī)缀鯖]有高清潔度液壓油產(chǎn)品，出廠的液壓油清潔度NAS等級達(dá)不到高精度液壓系統(tǒng)對油液清潔度的要求。因此，滿足需要的高清潔度液壓油產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)具有重要意義。

1 液壓油清潔度測定標(biāo)準(zhǔn)及循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的建立

液壓油清潔度是液壓油使用過程中的一個(gè)重要指標(biāo)，目前在國際上普遍采用的清潔度標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)和ISO 4406(1999)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)

NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)是由美國航空航天局(NASA)1964年提出的、以油液清潔度NAS等級來表示的，測試標(biāo)準(zhǔn)是采用累計(jì)顆粒清潔度計(jì)數(shù)。NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)清潔度分級見表1[1]。

表1 NAS 1638液壓油清潔度分級 (100 mL油液中的顆粒數(shù))

表1(續(xù))

該標(biāo)準(zhǔn)按照每100 mL油樣中，在給定的5個(gè)顆粒尺寸范圍內(nèi)的最大允許顆粒數(shù)劃分了14個(gè)等級(00級～12 級)。測試時(shí)是從測定的5個(gè)顆粒尺寸范圍的清潔等級中，取最大的一級作為油液的清潔度等級。如NAS 7，代表油液清潔度綜合評價(jià)為NAS 7級。

本項(xiàng)目研究采用的清潔度等級標(biāo)準(zhǔn)為NAS 1638。

1.2 液壓系統(tǒng)對液壓油的清潔度要求

液壓油清潔度的高低將直接影響到液壓系統(tǒng)在工作中的可靠性和穩(wěn)定性。在帶有電液伺服機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)中，伺服閥的結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，控制閥的閥芯其精細(xì)的刃邊很容易被液壓油中所含有的固體顆粒所損傷，導(dǎo)致控制精度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生液壓系統(tǒng)控制失靈甚至造成嚴(yán)重故障。隨著液壓系統(tǒng)控制精度的提高，對液壓油的清潔度要求也越來越高(一般要求清潔度NAS等級≯7)，幾種液壓系統(tǒng)對液壓油的清潔度要求見表2[2]。

表2 液壓系統(tǒng)對液壓油的清潔度要求

從表2可以看出，采用有效措施減少液壓油中所含的固體顆粒數(shù)，是提高液壓油使用性能，滿足高清潔度液壓系統(tǒng)要求的一項(xiàng)重要工作。

1.3 高清潔度液壓油循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及建立

高精度液壓油循環(huán)處理技術(shù)是現(xiàn)代液壓技術(shù)發(fā)展的需要，采用高精度處理技術(shù)可以提高液壓油的清潔度，通過液壓油循環(huán)處理裝置生產(chǎn)的高清潔度液壓油產(chǎn)品，可以滿足特殊液壓設(shè)備對液壓油清潔度的要求，減少液壓系統(tǒng)的故障，有效地提高液壓系統(tǒng)工作的可靠性和使用壽命。

1.3.1 循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的流程設(shè)計(jì)

流程設(shè)計(jì)的宗旨是為了考察液壓油經(jīng)循環(huán)試驗(yàn)裝置處理后所能達(dá)到的效果，為批量生產(chǎn)高清潔度液壓油產(chǎn)品的工藝提供技術(shù)支撐。

清潔度測定顆粒物尺寸的計(jì)數(shù)起點(diǎn)為5 μm，在考慮方案時(shí)，設(shè)計(jì)的循環(huán)處理裝置的處理精度要高于5 μm，另外，流程設(shè)計(jì)還要保證循環(huán)系統(tǒng)中的油液不被外部環(huán)境污染。

整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)油罐、電機(jī)、循環(huán)油泵、處理器、油閥等部件組成。油罐底部的出口與循環(huán)油泵的入口相連接，并設(shè)有放油閥，泵的出口與處理器的入口相連，其間設(shè)有壓力表和連接油泵出口與入口的側(cè)線，側(cè)線具有分流調(diào)壓的作用，處理器的出口與油罐的入口相連接，使循環(huán)處理后的油液回到油罐中進(jìn)行再循環(huán)，油罐的中部設(shè)有清潔度在線測試點(diǎn)，此外，還為循環(huán)油罐配備了加油泵，循環(huán)處理系統(tǒng)流程，見圖1。

1.循環(huán)油泵；2.壓力表；3.處理器；4.循環(huán)油罐；5.液位計(jì)；6.溫度計(jì)；7.加油泵

圖1液壓油循環(huán)處理試驗(yàn)裝置流程

1.3.2 循環(huán)處理試驗(yàn)裝置主要部件的確定

(1)循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的核心部件就是處理器，循環(huán)處理系統(tǒng)要想達(dá)到預(yù)期的處理效果，就必須選擇高性能、高質(zhì)量的處理器。國產(chǎn)處理器的制作精度多數(shù)達(dá)不到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)定的精度在實(shí)際使用中很難達(dá)到，處理的容量少，使用壽命短。設(shè)計(jì)的循環(huán)處理裝置的處理器組件采用世界知名公司的產(chǎn)品， 處理精度高、具有大的納垢容量、組件的工作溫度范圍廣(-43～120 ℃)。

(2)循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的循環(huán)油泵是采用國內(nèi)引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的液壓油泵,排量為48～158 mL/r，最高轉(zhuǎn)速為2500 r/min,最大壓力為24.0 MPa。通過在高壓液壓油評定設(shè)備上的使用證明，選擇的液壓油泵性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠，完全滿足循環(huán)處理裝置的設(shè)計(jì)要求。

1.3.3 循環(huán)處理試驗(yàn)裝置的建立和完善

嚴(yán)格按照流程設(shè)計(jì)的要求，組建液壓油循環(huán)處理試驗(yàn)裝置。循環(huán)油泵的出口壓力表，用耐壓軟管與系統(tǒng)連接，避免了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)對壓力表讀數(shù)的影響。油罐及循環(huán)管線均采用不銹鋼材料，以減少系統(tǒng)部件對循環(huán)油液的污染。油罐的設(shè)計(jì)容量是0.5 t，底部采用錐形設(shè)計(jì)，回油管的出口連接著開口保持水平方向的彎頭，并盡量靠近油罐內(nèi)壁，使回到油罐的高速油液沖擊油罐內(nèi)的油液，起到了攪動(dòng)的作用，減少在罐壁上顆粒物的附著。油罐還設(shè)有加熱盤管、液位計(jì)和溫度計(jì)等，使整個(gè)循環(huán)處理裝置基本上滿足了設(shè)計(jì)要求。

2 測試的影響因素分析及循環(huán)處理試驗(yàn)裝置效果的考察

液壓油清潔度的測試非常重要，正確的測試方法能夠準(zhǔn)確地反映油液的清潔度。

2．1 液壓油清潔度測試設(shè)備

目前國外普遍采用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器來測試液壓油的清潔度，它具有分析迅速、準(zhǔn)確度高和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。大連潤滑油研究開發(fā)中心擁有先進(jìn)的液壓油清潔度測試儀,為德國Klotz公司生產(chǎn)的ABAKUS顆粒度分析儀，是高精度的顆粒測量分析系統(tǒng)，可滿足NAS 1638、ISO 4406(1991)和ISO 4406(1999)標(biāo)準(zhǔn)的測試要求，能對普通液壓系統(tǒng)的液壓油實(shí)現(xiàn)離線樣瓶取樣測試，也能對油液要求高的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測試。使用這臺測試儀對液壓油的清潔度進(jìn)行測試，要求在采樣測試時(shí)，油液黏度一般不應(yīng)大于100 mm2/s(40 ℃),高壓在線測試時(shí)，可測油液黏度應(yīng)不大于500 mm2/s(40 ℃)。

2．2 清潔度測試的要求及影響因素分析

對液壓油進(jìn)行清潔度測試，是一項(xiàng)技術(shù)性要求很高的工作，諸多的因素對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，測試過程中應(yīng)按正確的方法進(jìn)行操作，可以減少不利因素對測試結(jié)果的影響。

2.2.1 測試環(huán)境的影響

油液的清潔度測試，對測試環(huán)境清潔性的要求非常高。采取瓶取樣方式進(jìn)行測試時(shí)，要求測試房間必須密閉潔凈。

2.2.2 取樣容器的影響

取樣容器是進(jìn)行清潔度測試的必備品，對它的要求不同于其它液體的取樣容器。通過對多個(gè)瓶裝油樣進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，不清潔的取樣容器本身含有的顆粒，在測試過程中被吸入到測試儀器內(nèi)，造成顆粒數(shù)異常增多從而影響了測試結(jié)果。因此，要采用滿足清潔度要求的取樣容器。要求現(xiàn)場采樣時(shí)，不管采用何種樣瓶，首先要在系統(tǒng)取樣口處放掉一定量的油液后(確保采集到的油液是待測油液)，再用取樣容器裝入1/3的油液，用力搖晃沖洗容器二次，倒掉沖洗油液后取樣。

2.2.3 油樣中含有的氣泡對測試結(jié)果的影響

從系統(tǒng)中采集的油樣在容器中含有大量的氣泡，用顆粒分析儀進(jìn)行測試時(shí)，雖然有一些大氣泡消失了，但大量的小氣泡還在油樣中，氣泡的尺寸一般大于100 μm，這樣就使測試結(jié)果中大顆粒數(shù)異常增多，用ABAKUS顆粒測試儀進(jìn)行測試時(shí)，由于該儀器是便攜式測試儀，本身不具有消泡功能，因此，測試過程中氣泡對測試結(jié)果影響很大。

通過多次的油樣測試，總結(jié)出以下的方法可以消除油液中的氣泡對測試結(jié)果的影響。

(1)靜置消泡

為了最大限度地避免氣泡的影響，要求從系統(tǒng)上采集的油樣，靜置20 min后進(jìn)行測試，清潔度NAS等級不變，靜置前后測試結(jié)果比較見表3。

表3 靜置前后測試結(jié)果比較(油樣編號:03-10)

(2)超聲波消泡

超聲波儀消泡可以很快地消除油液中的大氣泡，用眼觀察油液能夠達(dá)到可測試狀態(tài)，但是在測試過程中發(fā)現(xiàn)，油液中大的顆粒數(shù)減少了，小的顆粒數(shù)卻增加了，油樣靜置20 min后測試，油液清潔度NAS等級穩(wěn)定不變，超聲波消泡油樣靜置清潔度測試見表4。

表4 超聲波消泡油樣靜置清潔度測試(油樣編號03-11)

(3)抽真空消泡

采取抽真空消泡的方法能很快消除油液中的大小氣泡，能有效地避免氣泡對油液清潔度測試結(jié)果的影響。

2．2．4 連續(xù)多次的測試

ABAKUS測試儀在進(jìn)行清潔度測試時(shí)，吸入油管中會(huì)存有一定量的顆粒和氣泡，造成前幾次的測試結(jié)果不穩(wěn)定，清潔度NAS等級變化相差很大，必須進(jìn)行連續(xù)多次測試。隨著測試次數(shù)的增加，顆粒數(shù)的變化會(huì)在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有出現(xiàn)異常增多，測試結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最終的清潔度NAS等級維持不變。

2.3 循環(huán)處理系統(tǒng)的在線測試

ABAKUS顆粒測試儀具有在線測試功能，這一功能的最大好處是能夠避免測試油樣在取樣環(huán)節(jié)中的污染，以及在測試油樣時(shí)周圍環(huán)境的污染，也避免來自取樣容器污染的影響，但要求測試系統(tǒng)中的油液不能存有氣泡，否則氣泡會(huì)影響測試結(jié)果。在線測試采取不間斷地測試、打印結(jié)果的方法，并排除了影響測試結(jié)果的因素，具體測試過程如下：

(1)系統(tǒng)運(yùn)行幾分鐘后，在線測試結(jié)果顯示，大小顆粒數(shù)不斷增加，NAS等級變大，發(fā)現(xiàn)有連續(xù)不斷的氣泡進(jìn)入測試儀，從而進(jìn)一步證明了氣泡對測試結(jié)果的影響。

(2) 停止運(yùn)行系統(tǒng)，隨著油液中氣泡的消除，測試結(jié)果中顯示的顆粒數(shù)也在減少，并逐漸趨于穩(wěn)定，30 min后測試結(jié)果清潔度NAS等級穩(wěn)定不變。

(3) 將取樣點(diǎn)設(shè)在油罐底部的管線上，運(yùn)行系統(tǒng)，觀察在線測試結(jié)果，氣泡的存在對測試結(jié)果影響很大。停止運(yùn)行系統(tǒng)后進(jìn)行測試，隨著氣泡數(shù)的減少顆粒數(shù)趨于穩(wěn)定，但氣泡依然存在并不斷地對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，底部取樣點(diǎn)不能作為在線測試點(diǎn)，油罐中部的取樣點(diǎn)可以作為在線測試點(diǎn)。

通過以上的操作最終確定，以油罐中部的取樣點(diǎn)作為在線測試點(diǎn)，系統(tǒng)停止運(yùn)行30 min后進(jìn)行清潔度測試，其結(jié)果真實(shí)的反映了系統(tǒng)油液的清潔度。

2.4 循環(huán)處理系統(tǒng)的操作條件

泵的轉(zhuǎn)速為1470 r/min,在此轉(zhuǎn)速下泵的流量為200 L/min,油溫在20～30 ℃，滿足處理器允許的溫度范圍，油溫過高會(huì)改變循環(huán)油液的性能，縮短油液的使用壽命，油溫過低，黏度增加，油液流動(dòng)性變差，操作條件見表5。

表5 循環(huán)處理系統(tǒng)操作條件

2.5 循環(huán)處理系統(tǒng)試運(yùn)行考察

用清潔度NAS等級為7的HM46液壓油(170 kg)加入循環(huán)系統(tǒng)中，在給定的操作條件下，進(jìn)行循環(huán)處理30 min,清潔度測試NAS等級為4，油液清潔度顯著提高，試運(yùn)行處理前后油液清潔度NAS等級見表6。

表6 試運(yùn)行處理前后油液清潔度NAS等級

2.6 全容量循環(huán)處理及油液清潔度測試

在對170 kg油液進(jìn)行循環(huán)處理試運(yùn)行的基礎(chǔ)上，考察測試全容量油液循環(huán)處理效果。將NAS等級為7的HM46液壓油0.5 t加入油罐中進(jìn)行循環(huán)處理，油溫20～30 ℃，壓力0.3 MPa。循環(huán)處理階段油液清潔度測試結(jié)果見表7。

表7 循環(huán)處理時(shí)間及清潔度NAS等級

循環(huán)處理60 min后測試油液清潔度NAS等級為4，其顆粒數(shù)與循環(huán)處理45 min的顆粒數(shù)相比變化不大，說明該循環(huán)處理系統(tǒng)所能達(dá)到的最高清潔度為NAS 4級，效果非常明顯，完全滿足生產(chǎn)高清潔度液壓油產(chǎn)品的要求。

3 確定高清潔度液壓油產(chǎn)品的包裝物

包裝物的確定對高清潔度液壓油產(chǎn)品的批量生產(chǎn)非常重要，不清潔的包裝物將使高清潔度液壓油產(chǎn)品遭到二次污染。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金屬制桶廠的工作環(huán)境不理想，粉塵很多，對桶內(nèi)的清潔度影響很大,用這樣的金屬桶作為包裝物會(huì)對高清潔度液壓油產(chǎn)生嚴(yán)重污染。塑料制桶廠的生產(chǎn)環(huán)境條件較好，設(shè)備是引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)線，整個(gè)制桶過程不易受到污染，空氣過濾后用于吹塑,整個(gè)桶一次吹塑成型。初步選定的包裝物為220 L全塑鋼性桶。

3．1 220 L全塑鋼性桶內(nèi)清潔度的測試

桶內(nèi)部的清潔度測試是用清潔度NAS等級為4的高清潔度液壓油作為測試介質(zhì)，按不同條件進(jìn)行裝桶，并對油液進(jìn)行清潔度測試。

(1)裝桶前對油罐中的液壓油清潔度做一次清潔度測試。

(2)將高清潔度液壓油直接裝滿桶，擰緊桶蓋并扣上有一定防塵作用的防盜蓋，在場地上來回滾動(dòng)十多分鐘，放置6 h消泡后，用ABAKUS測試儀直接從桶內(nèi)取樣，測試結(jié)果顯示，清潔度NAS等級與裝桶前的測試結(jié)果一致。封桶放置72 h后測試結(jié)果與裝桶前的測試結(jié)果一致，清潔度測試結(jié)果見表8。

(3)用高清潔度液壓油加入桶內(nèi)1/3處，封蓋滾動(dòng)十多分鐘后放置0.5 h，用ABAKUS測試儀直接從桶內(nèi)取樣測試，清潔度NAS等級與裝桶前的一致。封桶放置72 h測試后，結(jié)果與裝桶前的測試結(jié)果一致，清潔度測試結(jié)果見表8。

表8 220 L全塑鋼性桶清潔度測試結(jié)果

以上測試結(jié)果說明，220 L全塑鋼性桶內(nèi)部清潔度對高清潔度液壓油的NAS等級沒有影響，從而確定該桶作為高清潔度液壓油產(chǎn)品的包裝物。

3．2 不同規(guī)格的包裝物桶內(nèi)清潔度的測試

按市場要求對其他規(guī)格全塑鋼性桶(120 L)進(jìn)行了包裝物清潔度測試，結(jié)果表明該包裝物對高清潔度液壓油產(chǎn)品的清潔度NAS等級沒有影響，可作為高清潔液度壓油產(chǎn)品不同規(guī)格的包裝物。

4 結(jié)論

(1)介紹了國際上普遍采用的液壓油清潔度標(biāo)準(zhǔn)。

(2)高清潔度液壓油循環(huán)處理試驗(yàn)裝置，在一定的條件下運(yùn)行，使液壓油產(chǎn)品的清潔度得到了顯著的提高，清潔度NAS等級達(dá)到4，滿足了生產(chǎn)高清潔度液壓油產(chǎn)品的要求。

(3)闡述了清潔度測試過程中影響測試結(jié)果的因素分析及相應(yīng)的解決辦法。

(4)經(jīng)嚴(yán)格的清潔度測試，確定了兩種規(guī)格高清潔度液壓油產(chǎn)品的包裝物。