液壓伺服控制系統(tǒng)油液污染及控制

宋云清，丁曉強(qiáng)

（1.伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆伊寧 835000；2.伊犁絲路職業(yè)學(xué)院，新疆伊犁 835000）

0 引言

由于液壓油選擇不當(dāng)及油液不清潔引起的故障，約占液壓控制系統(tǒng)總故障率的70%。油液污染是指液壓伺服控制系統(tǒng)的工作介質(zhì)中，混入磨耗粉末、鑄造砂、塵埃、水、空氣等異物，使油液污濁。表示污染程度的量稱為污染度。污染控制是指根據(jù)污染原因，有針對(duì)性地防止污染，并通過過濾器凈化被污染的油液，使油液的清潔度滿足允許使用的要求。

1 油液污染的危害

1.1 控制性能下降，伺服閥失靈

據(jù)統(tǒng)計(jì)，油液污染也是造成伺服閥工作性能被破壞的首要原因。因此，油液污染嚴(yán)重威脅液壓伺服控制系統(tǒng)的正常工作。油液污染物中，主要成分是固體金屬粒子，約占總量的75%，其次是塵埃等雜質(zhì)，約占總量的25%，因此，固體金屬粒子極大地危害液壓伺服控制系統(tǒng)的正常工作。這種堅(jiān)硬的固體粒子被稱為“磨料催化劑”。因?yàn)橛擦Ｄp過程產(chǎn)生碎屑，經(jīng)反復(fù)切壓又會(huì)產(chǎn)生新的更堅(jiān)硬的粒子，這樣進(jìn)行“磨損連鎖反應(yīng)”，使液壓元件的磨損加速，壽命縮短。伺服閥芯徑向間隙只有數(shù)微米，極小的金屬粒子就會(huì)引起閥芯與閥套之間的摩擦，使伺服閥滯后增加，浸損閥的工作棱邊，從而使閥的中間位置流量增加，也可能使閥芯黏著于閥套中，并會(huì)出現(xiàn)阻塞閥內(nèi)部的節(jié)流孔，使閥完全失靈，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)性能慢慢變壞。伺服閥污染敏感性試驗(yàn)表明，每100 mL 油液中含有l(wèi)～5 μm 的顆粒達(dá)到或超過（25～500）萬個(gè)時(shí)，何服閥就會(huì)完全喪失機(jī)能。

總之，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)間歇特性和其他不合理特性以及出現(xiàn)原因不明的故障時(shí)，首先應(yīng)懷疑是油液污染引起的。

1.2 污染對(duì)液壓元件的影響

油液污染物中的金屬顆粒會(huì)使液壓伺服系統(tǒng)中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各元件表面的磨損加劇，引起損傷、咬死，縮短液壓伺服系統(tǒng)中泵和閥的使用壽命。油液污染對(duì)泵的壽命起決定性作用，國(guó)外對(duì)飛機(jī)用柱塞泵的壽命研究報(bào)告中指出：每100 mL 中含污染物質(zhì)量要小于3～35 mg，粒徑10～15 μm 的顆粒小于3 萬個(gè)，而且硬度高于莫氏6 度的顆粒不超過30%，柱塞泵才能達(dá)到50 h。

金屬顆粒會(huì)使液壓伺服系統(tǒng)密封件的破壞加速，拉傷磨損各元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面，導(dǎo)致系統(tǒng)泄漏的增加，直接影響元件和系統(tǒng)的性能。

油液污染物會(huì)黏著、堵塞過濾器濾芯，降低過濾器的通油能力，使液壓泵工作困難。

1.3 油液變質(zhì)

油液的變質(zhì)將引起黏度的變化、酸度的增加，消泡性和低溫流動(dòng)性變差，縮短油液的更換周期，降低液壓系統(tǒng)的抗磨性、防銹性、防腐性及潤(rùn)滑和冷卻性。因此，工程機(jī)械液壓油的主要性能指標(biāo)必須在使用界限內(nèi)變化，否則，就必須更換。主要性能指標(biāo)的使用界限見表1。

表1 油液主要性能指標(biāo)的使用界限 %

2 油液污染的原因

2.1 新購(gòu)油液的污染

從廠商購(gòu)進(jìn)油液就已經(jīng)污染，這是由于大氣中塵埃的混入、大氣和水分的浸入、容器漆料以及鍍層的剝蝕、注油時(shí)橡膠粒脫落等所致。

2.2 新系統(tǒng)的固有污染

液壓元件在裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在液壓系統(tǒng)工作之前，已經(jīng)進(jìn)入液壓系統(tǒng)中的金屬顆粒、粉塵、焊料焊渣、鑄造砂等污染物。

2.3 工作過程中的污染

造成液壓系統(tǒng)污染的主要原因是：在工作過程中，由于運(yùn)動(dòng)副之間的磨損、空氣在油箱中凝結(jié)的水滴、返回油箱的泄漏油液、密封件的磨損、不恰當(dāng)?shù)那逑醇皦m埃都會(huì)造成污染物的混入。

2.4 油液變質(zhì)引起污染

油液變質(zhì)引起金屬腐蝕，油液中產(chǎn)生金屬粒子、銹片。

3 污染控制

3.1 設(shè)計(jì)和儲(chǔ)運(yùn)中要注意污染問題

對(duì)裝有何服閥的液壓裝置，為了減少污染，從設(shè)計(jì)階段就要注意如何減少污染，使配管盡量減少，裝配時(shí)要保證高度清潔，要注意保存時(shí)的包裝、搬運(yùn)及運(yùn)轉(zhuǎn)中作防銹處理等。

3.2 裝配前后

嚴(yán)格檢查各液壓元件，以滿足安裝要求。在運(yùn)管過程中，應(yīng)加蓋密封高壓軟管的所有油口。裝配前（新裝或檢修后重新裝配）使用專業(yè)清洗液對(duì)所有零件必須認(rèn)真進(jìn)行恰當(dāng)?shù)那逑?，鑄件孔道內(nèi)殘砂及氧化皮不易清洗，有效辦法是電化清砂處理或使用專門的清砂機(jī)清洗，還要進(jìn)行高溫、高壓、高效能的清洗。用磁鐵吸出液壓元件內(nèi)腔死角殘存的鐵屑，恰當(dāng)清洗后，并對(duì)油口加蓋封閉。新購(gòu)油液進(jìn)廠取樣檢驗(yàn)合格后，再過濾后方可使用。

3.3 防止污染物浸入

這種預(yù)防主要從裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行控制，采取以下4 點(diǎn)措施：

（1）防止環(huán)境污染。裝配車間充壓及注意關(guān)閉門窗是防止大氣灰塵污染的有效措施。

（2）采用“濕加工、干裝配”。即裝配前，對(duì)所有工序的操作，都采用潤(rùn)滑油和清洗液；裝配時(shí)，將液壓元件吹干。

（3）在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如加載、高壓跑合及清洗等。臺(tái)架試驗(yàn)所用油液要比液壓系統(tǒng)主機(jī)用油液容易污染，會(huì)產(chǎn)生液壓元件的二次污染。因此，要設(shè)置多級(jí)試驗(yàn)臺(tái)過濾系統(tǒng)，過濾器要有足夠大的容垢量，易清洗，濾芯要始終保持清潔。此外加油用具要干凈。

（4）防止新生污染。液壓系統(tǒng)中，元件磨損產(chǎn)生的金屬顆粒、元器件的銹蝕、漆料及鍍層的剝落、高溫及高壓造成的油液變質(zhì)等，都會(huì)生成新生污染物，因此，應(yīng)設(shè)置合適的過濾器防止新生污染。

4 過濾器

過濾器是控制液壓系統(tǒng)油液污染最經(jīng)濟(jì)有效的措施之一，它能保障液壓系統(tǒng)正?？煽康墓ぷ?，提升液壓系統(tǒng)的工作性能，增加液壓元件的使用壽命。因此選擇過濾器必須合理，如果過濾精度選用過高會(huì)造成浪費(fèi)，如果過濾精度過低會(huì)使液壓元件過早損壞。

4.1 過濾器選擇及考慮的主要因素

（1）過濾器耐壓。

（2）過濾器壽命。

（3）高、低壓力和靜態(tài)壓力。

（4）殼體的額定壓力和疲勞極限。

（5）系統(tǒng)液壓元件的敏感度。

（6）過濾精度。

（7）濾芯與油液的相容性。

（8）通流能力。

過濾器應(yīng)根據(jù)過濾精度、通流能力、耐壓等方面要求來選定其型號(hào)和規(guī)格。原則上吸油管過濾器的耐壓不應(yīng)大于1.38×10-2MPa，回油管路過濾器耐壓不應(yīng)大于3.45×10-2MPa。國(guó)外過濾器生產(chǎn)廠家向用戶提供給定流量、油液黏度和所需壽命壓力流量曲線，供用戶選用。過濾器整個(gè)工作壽命期間，在前75%壽命期間，耐壓是穩(wěn)定的，而在后25%壽命期間，由于污垢逐漸聚集，耐壓就會(huì)急劇增大。

4.2 過濾比

過濾器是一種比例控制器，用過濾比β 來表示過濾等級(jí)。它是指過濾器進(jìn)油口一定尺寸范圍內(nèi)的污染粒子數(shù)與過濾器出口同樣尺寸范圍內(nèi)粒子數(shù)的比值，如β10=2，是指過濾器入口粒徑大于10 μm 的粒子數(shù)是出口同樣尺寸范圍內(nèi)粒子的2 倍，即出口仍保留1/2 粒徑大于10 μm 的粒子。

在選擇過濾比β 時(shí)，主要考慮油箱的初始污染度和污染侵入速度，因?yàn)檫@兩個(gè)因素決定過濾器要濾除多少污粒才能達(dá)到實(shí)際系統(tǒng)所需求的污染濃度，這就是選擇過濾器的依據(jù)，應(yīng)使系統(tǒng)污染保持在允許范圍內(nèi)。

油液的污染程度決定液壓元件的使用壽命，且每種液壓元件具有完全不同的抗污染能力，因此，過濾器的等級(jí)必須按照與液壓元件抗污染能力相匹配原則選擇，保障最敏感的元件正常工作進(jìn)行選擇。所以液壓元件廠必須提供液壓元件達(dá)到最長(zhǎng)壽命所需的β 值。

4.3 過濾器特性分析

4.3.1 多次通過試驗(yàn)法

試驗(yàn)開始時(shí)，將實(shí)驗(yàn)用污染物連續(xù)不斷地注入油箱，污染物與容器中的油液混合后用泵注入過濾器入口。污染物只能被迫被過濾器濾除，未能被濾除的污物仍在系統(tǒng)中循環(huán)。在試驗(yàn)過程中，在確定的間隔，定時(shí)的從過濾器入口段和出口段，取出油液試樣進(jìn)行檢測(cè)，分析粒子尺寸和分布規(guī)律。當(dāng)濾芯聚集一定數(shù)量的污染物，過濾器壓降達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。整個(gè)上述試驗(yàn)時(shí)間，就是過濾器壽命。注入油箱污染物總質(zhì)量就是污染量。污染量分三部分：一部分為過濾器捕集的污物；一部分殘留在系統(tǒng)中；還有一部分在提取試樣時(shí)取出。因此，注入油箱的污物量總是大于過濾器上捕集的污物量。多次通過試驗(yàn)法的試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 多次通過試驗(yàn)法系統(tǒng)圖和方框圖

由于多次通過試驗(yàn)法的條件與實(shí)際工作情況相似，因此能正確的模擬過濾器實(shí)際工作狀態(tài)，所以從數(shù)據(jù)上很容易推測(cè)出實(shí)際工作狀況下過濾器的性能。

4.3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

多次通過試驗(yàn)法反映出物質(zhì)（污物）平衡理論關(guān)系，得到污物粒子平衡關(guān)系，即入口段粒子數(shù)=原有顆粒數(shù)+注入顆粒數(shù)-濾除顆粒數(shù)。

這個(gè)平衡關(guān)系，可用數(shù)學(xué)形式描述，即式（1）：

式中：Nu，Nd分別為過濾器入口段和出口段單位體積油液中累計(jì)的大于規(guī)定尺寸的累計(jì)顆粒數(shù)；N0，Ni分別為單位體積油液中，原來積累和注入的流體中積累的大于規(guī)定尺寸的累計(jì)顆粒數(shù)；Q，Qi分別為通過過濾器的流量和注入試驗(yàn)系統(tǒng)的流量；V為在試驗(yàn)系統(tǒng)中循環(huán)的油液體積。

將過濾比βu=Nu/Nd代入式（1）整理后得式（2）：

式中：R=NiQi為單位時(shí)間內(nèi)注入系統(tǒng)內(nèi)大于規(guī)定尺寸顆粒數(shù)，即輸入速度。

對(duì)式（2）微分，得式（3）：

以上公式是過濾器過濾過程的控制關(guān)系式，它完整地描述了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下，一個(gè)系統(tǒng)污染度與參數(shù)R、βu、V 和Q 之間的關(guān)系。

4.3.3 動(dòng)態(tài)特性

過濾器是一種污染控制器，因此可面出污染控制方框圖如圖1b）所示。用此方框圖可以真實(shí)的描述過濾器和過濾過程的控制情況。

再對(duì)式（2）積分，整理后為式（4）：

式（3）稱為污染控制方程。

根據(jù)式（2）可繪制出一般污染方程曲線如圖2a）所示。該曲線可以說明在一個(gè)具體的系統(tǒng)中，任何時(shí)間內(nèi)過濾器出口段污染度與輸入速度大小R 成正比，與通過過濾器的流量Q 和過濾因子βu-1 成反比。當(dāng)Q 和R 確定后，βu＞1 時(shí)，過濾器達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其靜態(tài)值為式（5）：

根據(jù)式（5），由在各種不同數(shù)值條件下輸入速度繪出靜態(tài)值與過濾比的函數(shù)關(guān)系畫線如圖2b）所示。圖中清楚的表示出輸入速度對(duì)出口段污染度的影響。如果不考慮輸入速度增加，而要保持出口段污染度不變，則必須選用過濾比值大的過濾器。

圖2 污染控制方程和過濾比—靜態(tài)值曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

如上所述，研究和探討油液污染的原因并加以控制是十分必要的。采用易于維修的過濾器來控制油液的污染，是液壓系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)組成部分，它可以有效地使污物顆粒大小限制在液壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)，保持油液的清潔度，保護(hù)液壓元件不被堵塞，確保液壓系統(tǒng)的正常工作。