第七章工作介质与污染控制.ppt

液压理论与维护课程 第七章工作介质与污染控制 第一节工作介质第二节污染控制 主讲 和中灏 液压理论与维护课程 第一节工作介质 一 液压系统对工作介质的要求1 粘度粘度是选择工作介质的首选因素 在相同工作压力下 粘度过高 各部件运动阻力增加 温升快 泵的自吸能力下降 同时 管道压力降和功率损失增大 反之 粘度过低会增加泵的容积损失 并使油膜支撑能力下降 而导致摩擦副间产生干摩擦 所以在给定的运动条件下 工作介质对不同的液压元件和装置要具有合适的粘度范围 同时在温度 压力变化和剪切力作用下 油的粘度变化均要小 2 润滑性为了提高功率和容积效率 液压系统和元件发展趋势是高压 高转速 在这种情况下 液压元件内部摩擦副 液压理论与维护课程 第一节工作介质 一 液压系统对工作介质的要求2 润滑性在高负荷或其它工作状况下 多数处于边界润滑状态 因此为防止发生粘着磨损 磨粒磨损 疲劳磨损等 以免造成泵或马达性能降低 寿命缩短 系统产生故障 要求工作介质对元件的摩擦副有良好的润滑性和极压抗磨性 3 氧化安定性工作介质与空气接触 特别是在高温 高压下容易氧化 变质 氧化后酸性值增加会增强腐蚀性 氧化生成的粘稠状油泥甚至漆膜会堵塞滤油器 防碍部件的运作及降低系统的效率 液压理论与维护课程 第一节工作介质 一 液压系统对工作介质的要求4 防锈和抗腐蚀性液压元件的各种金属零件 在工作介质中混入的水分和空气的作用下 精加工表面会发生锈蚀 锈蚀颗粒在系统内循环 会产生磨损和引起故障 并因其催化作用促使油液进一步氧化 引起元件腐蚀 5 抗乳化性工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水 混有水分的工作介质在泵和其它元件的长期剧烈搅拌下 易形成乳化液 使工作介质水解变质或生成沉淀物 引起工作系统锈蚀和腐蚀 防碍冷却器的导热 阻滞管道和介质在阀门内的流动 降低润滑性 液压理论与维护课程 第一节工作介质 一 液压系统对工作介质的要求6 抗泡沫性空气混入工作介质后产生气泡 混有气泡的介质在液压系统中循环 不仅使系统的压力和能量传递不稳定 产生滞后现象 失去可靠性和准确性 并使润滑条件恶化 产生异常的噪音 振动和工作不正常 此外 气泡还增加了与空气的接触面积 加速了工作介质的氧化 7 其它要求低温性 难燃性 在工作压力下 具有充分的不可压缩性 比热和热传导率要大 热膨胀系数要小 具有足够的清洁度 无毒性 无臭味等 液压理论与维护课程 第一节工作介质 二 工作介质的种类及其选用1 工作介质的种类1 按油品类型 化学组成和可燃性分类 液压油 矿油型液压油 普通液压油 抗磨液压油 低凝液压油 高粘度指数液压油 专用液压油 机械油 气轮机油 抗燃油 含水型 合成型 水包油型乳化液 油包水型乳化液 水 乙二醇液压油 高水基液压油 磷酸脂液压油 脂肪酸脂液压油 液压理论与维护课程 第一节工作介质 二 工作介质的种类及其选用1 工作介质的种类2 按使用压力和温度分类 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 按 分类 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 按 分类 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 工作介质的选用和更换1 选用原则正确选用工作介质对液压系统适用各种环境条件和工作状况的能力 延长系统和元件的寿命 提高设备运转的可靠性 防止事故发生等方面都有重要影响 原则 液压系统的环境条件 工作条件 工作介质的质量 技术经济性等 按下述三个基本步骤进行 列出液压系统对液压油性能变化范围的要求 粘度 密度 温度范围 压力上限 蒸汽压 难燃性 润滑性 空气溶解率 可压缩性和毒性等 尽可能选出符合或接近上述要求的液压油品种 从液压件的生产厂及产品样本中获得对工作介质的推荐资料 最终综合 权衡 调整各方面的要求和参数 决定所采用的合适工作介质 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 工作介质的选用和更换2 品种选用液压油品种的选用的依据是液压系统所处的工作环境和系统的工况条件 工况条件主要是温度 压力和油泵类型等 1 工作温度系指液压系统液压油在工作时的温度 主要对液压油的粘温性和热安定性提出要求 表一按液压油工作温度选择液压油 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 工作介质的选用和更换2 品种选用环境温度和液压油工作温度 操作温度 一般关系 见表二表二环境温度和操作温度 指没有冷却控温的液压设备 一般关系表 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 品种选用在寒区或严寒区野外工作时 当环境温度在 5 25 时可用HV低温液压油 当环境温度在 5 40 时 可用HS低温液压油 液压油的使用温度对液压系统是相当重要的 液压设备中使用油温度过高 会加速油液氧化变质 长时间在高温下工作 油液的寿命会大大缩短 另外 氧化生成的酸性物质对金属起腐蚀作用 增大磨损 对液压系统不利 液压系统中油液适宜工作温度见表三 表三液压油工作温度范围 液压理论与维护课程 第一节工作介质 2 工作压力主要对液压油的润滑性既抗磨性提出要求 对于高压系统的液压元件 特别是液压泵中处于边界润滑状态的摩擦副 由于正压力加大 速度高 而摩擦磨损条件趋于苛刻 因而必须选择润滑性即抗磨性 极压性优良的HM油 按压力选用油见表四 表四按液压系统和油泵工作压力选择液压油 液压理论与维护课程 第一节工作介质 3 工作环境一方面要考虑液压设备作业的环境是室内 室外 地下 水上 内陆沙漠 还是处于冬夏温差大的寒区等工作环境 另一方面若液压系统靠近有300 以上高温的表面热源和有明火场所 就要选用难燃液压油 4 液压泵类型液压泵类型较多 如叶片泵 柱塞泵 齿轮泵等 同类泵又因功率 转速 压力 流量 金属材质等因素影响 使液压油的选用比较复杂 一般来说低压泵可以选用HL油 对于中 高压泵应选用HM油 通常HL油可优先用于轴向注塞泵 但不适用于叶片泵 高锌HM油适用于各类叶片泵 无灰HM油适用于含有铜和银部件的轴向注塞泵 也适用于中低压叶片泵 但不适用于高压叶片泵 低锌HM油则适用范围较宽 既适用于中 高压叶片泵 也适用于有铜和铜部件的柱塞泵 液压理论与维护课程 第一节工作介质 3 粘度等级选用液压油品种选择确定后 还必须确定粘度等级 即牌号 粘度等级的选用主要取决于液压系统的实际工作温度和冷启动温度 也与所用泵的类型 压力等有关 1 按工作温度选择粘度等级 见表五 液压系统应按实际运行工作温度选择液压油的粘度等级 如表二所示 液压系统的实际工作温度比室内温度高出15 25 在温带室外高出25 35 夏天热带室外能达50 当然工作温度还与油泵类型和大小 连续工作时间长短 油箱容量以及有无冷却系统等有关 为了防止泵的磨损 必须限定运行工作温度下的最低粘度 齿轮泵最低粘度通常为20mm2 s 叶片泵最低粘度为12mm2 s 柱塞泵为8mm2 s 通常在工作温度时的最低粘度在13 16mm2 s为宜 在高压系统 压力大于30MPa 工作温度比低压高10 为减少泵的内泄漏 提高容积效率 减少功率损失 工作粘度最好在25mm2 s 液压理论与维护课程 第一节工作介质 3 粘度等级选用 2 按启动温度选用品种和粘度等级用于寒区和严寒区冬季野外操作的液压设备特别重要 一般选用对低温泵除有要求的HL油和HS油品种见表四 而不能选用HL或HM油 并按实际要求选择各种不同的粘度等级 国外液压泵公司一般规定了液压泵冷启动时液压油的最大粘度见表六 此外 日本规定寒区工程机械启动时要求油的最大粘度为500mm2 s 前苏联规定对于齿轮泵为1400 1600mm2 s 柱塞泵为1000 1200mm2 s 叶片泵为600 800mm2 s 我国对不同液压泵满足运行的最高吸入粘度的参考指标是 齿轮泵是2000mm2 s 柱塞泵为1000mm2 s 叶片泵为500 700mm2 s 液压理论与维护课程 第一节工作介质 4 液压油液的更换 加表 合理选用液压油仅是液压设备正常工作的起点 在系统运行过程中 应即使监测液压油的性能变化 确保及时换油 以延长液压系统的使用寿命 避免因工作介质引起系统故障 甚至发生事故 液压油的使用寿命 即换油期 因液压油品种 工作环境和系统运行工况不同 而有较大差异 当选油合理 油品质量优良 对液压系统和液压油具备良好的维护和管理 则换油期可以大大延长 在长期工作过程中 由于水 空气 杂质和金属磨损物的进入 在温度 压力 剪切作用下 液压油会出现颜色变深 浑浊 有沉淀 酸值增加 抗乳化性和抗泡沫性变差 粘度增加 热安定性和氧化性劣化 出现胶状聚合物或油泥等 为了确保液压系统正常运转 我国已制定了SH T0476 92L HL和SH T0599 94L HL液压油换油指标 当运行中的液压油已超出规定的技术要求 见表七 表八 时则已达到了换油期 应及时更换工作介质 液压理论与维护课程 第二节污染控制 一 油液污染及对液压系统的影响1 污染物种类与来源液压系统介质中存在着各种各样的污染物 其中最主要的是固体颗粒物 此外还有水 空气 以及有害化学物质等 污染物的来源主要有以下几个方面 系统内原来残留的 如元件加工和系统组装过程中残留的金属切屑 沙粒及清洗溶剂等 从外界侵入的 如通过油箱呼吸孔和液压缸活塞杆密封从外界环境侵入系统的各种污染物 以及注油和维修过程带入的污染物等 系统内部生成的 如系统工作中元件磨损 腐蚀产生的颗粒物 以及油液氧化分解产生的有害化合物等 对于水基工作介质 如水包油乳化液 微生物及其代谢产物也是一种常见的污染物 因为水是微生物生存和繁殖的必要条件 液压理论与维护课程 第二节污染控制 一 油液污染及对液压系统的影响2 油液污染的危害油液污染直接影响液压系统的工作可靠性和元件的使用寿命 国内外资料表明 液压系统的故障大约有70 是油液污染所引起的 油液污染对液压系统的危害主要有以下几个方面 1 元件的污染加剧磨损油液的污染物引起元件各种形式的磨损 固体颗粒进入元件运动副间隙内 对零件表面产生切削磨损和疲劳磨损 高速液流中的固体颗粒对零件表面的冲击引起冲蚀磨损 油液中的水和油液氧化变质的生成物对元件产生腐蚀作用 此外 液压系统油液中的空气引起气蚀 导致元件表面剥蚀和破坏 2 颗粒污物堵塞和淤积 引起元件故障固体颗粒和油液氧化产生的粘稠状物质堵塞液压阀的间隙和孔口 引起阀芯阻滞和卡紧 影响阀的工作性能 甚至导致阀的失灵 造成系统故障 液压理论与维护课程 第二节污染控制 一 油液污染及对液压系统的影响2 油液污染的危害 3 加速油液性能的劣化油液中的水和空气 以及热能是油液氧化的必要条件 而油液中的金属微粒对油液氧化起着重要的催化作用 此外 油液中的水和悬浮气泡显著降低运动副间油膜的强度 使润滑性能下降 二 油液污染分析1 污染物分析目前用于油液中污染物成分分析的方法主要有 光谱分析 铁谱分析和红外光谱分析 光谱分析法的基本原理 每种元素的原子当被一定的能量激发时 具有发射和吸收特定波长的光的特性 通过光谱分析可以检测物质中的各种元素及其含量 液压理论与维护课程 第二节污染控制 二 油液污染分析1 污染物分析铁谱分析的原理 利用高梯度强磁场将油液中的铁磁性颗粒分离出来 然后进行含量测定和形貌分析 红外光谱分析的原理 通过检测各种化合物在红外光谱区 波长2 5 25 m 的特征吸收峰及吸收的特定波长光线的能量 从而对油液中的化合物进行定性和定量分析 2 油液污染度测定 1 油液污染度等级油液污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量 即油液中固体颗粒污染物的浓度 表示方法如下 质量污染度 单位体积油液中所含固体颗粒污染物的质量 一般用mg L表示 液压理论与维护课程 第二节污染控制 二 油液污染分析2 油液污染度测定 1 油液污染度等级表示方法质量污染度 颗粒污染度 单位体积油液中所含各种尺寸的颗粒数 颗粒尺寸范围可用区间表示 如5 15 m 15 25 m等 此外 也可用百万分率 ppm 表示 质量ppm或体积ppm 介绍美国NAS1638油液污染度等级和ISO4406油液污染度等级国际标准 分别见下表所示 表3 2 3 4 液压理论与维护课程 第二节污染控制 二 油液污染分析2 油液污染度测定 2 油液污染度测定方法质量测定法 测定单位体积油液中所含固体颗粒污染物的质量 通常用mg L 或mg 100mL 来表示 显微镜计数法 用光学显微镜测定油液污染物的尺寸分布与浓度 是目前应用比较普遍的一种方法 自动颗粒计数法 有遮光型 光散射型和电阻型 应用广泛 具有计数快 精确度高和操作简便等优点 半定量污染度测定法 显微镜比较法和滤网 膜 堵塞法 液压理论与维护课程 第二节污染控制 三 油液的净化 见下表 1 油液的净化方法 过滤 离心 磁性 静电 真空 聚结和吸附等 2 油液中水的排除 沉积法 真空法 聚结法和吸收法 3 静电净油原理 利用静电场力使油液中的不溶性污染物被吸附在静电场内的集成体上 从而达到净化油液的目的 四 油液的污染控制与管理1 污染源及控制措施液压系统油液中的污染物来源是多方面的 可概括为 系统内部固有的污染物 系统外界侵入的污染物和系统内部生成的污染物 为了有效的控制污染 必须针对一切可能的污染源采取必要的控制措施 归纳列表如下所示 表3 4 1 液压理论与维护课程 第二节污染控制 四 油液的污染控制与管理1 污染源及控制措施2 元件和系统的清洗 1 元件的清洗一般包括铸件的清洗 加工零件的粗洗和精洗等 铸件表面粘结的型砂和氧化物的清洗一般用喷丸或在旋转筒中翻滚等方法 也可用化学方法清洗 零件的粗洗主要是清除加工残留物 腐蚀物和油脂等 根据不同情况可采用洗涤液 溶剂 碱液或酸液对零件进行浸泡 刷洗或冲洗 对于零件清洁度要求极高的零件 则需进行精洗 精洗一般在粗洗后进行 常用方法有超声波清洗和蒸汽浴洗 液压理论与维护课程 第二节污染控制 2 元件和系统的清洗1 元件的清洗2 元件清洁度的评定元件清洁度是反映元件内部残留污染物含量的一项指标 采用以下几种表示方法 元件单位湿面积 与油液接触的内壁面积 的污染物含量 mg m2元件单位湿容积 与油液接触的内腔容积 的污染物含量 mg L元件单位湿容积中大于给定尺寸的颗粒数 以ISO4406固体颗粒污染度等级表示 元件清洁度评定的基本方法是 用超净的试验液清洁元件的内部 将内部残留的污染物基本上全部冲刷到试验台中 通过测定试验液的污染度计算出元件的清洁度 具体步骤包括 样液的采集 样液的分析和数据报告 液压理论与维护课程 第二节污染控制 样液采集的方法 晃动刷洗法 向元件内注入一定容积的清洁试验液 将元件密封 用机械方法强烈晃动元件 是元件内部残留污染物全部冲刷到试验液中 然后收集元件中全部液体 以备污染度测定 压力冲洗法 用具有一定压力的清洁液流冲洗元件的控制表面 指要求清洁度控制的表面 然后收集冲洗液以备进行污染度测定 超声波清洗法 将元件浸泡在盛有清洁液体的槽内 利用超声波使污染物从元件表面脱离 然后收集槽中的液体以备进行污染度测定 流通法 将元件接入预先过滤净化的试验台系统 使试验液循环通过元件 将元件内部污染物全部冲刷到试验液中 然后从系统采集样液以备进行污染度测定 对采集样液进行污染度测定 将测得结果乘以试验液体积与元件湿容积的比值 由此求得元件得清洁度 液压理论与维护课程 第二节污染控制 2 元件和系统的清洗1 元件的清洗2 元件清洁度的评定3 液压系统的清洗液压系统组装完毕后需要进行全面的清洗 以清除在系统组装过程中带入的污染物 组装后的系统采用流通法进行清洗 根据具体情况可以利用液压系统的油箱和液压泵 接入高精度大纳污容量滤油器 也可采用专用的清洗装置 3 油液的更换液压油在使用过程中由于受机械 物理和化学的作用 其性能逐渐劣化 当油液主要性能劣化到对系统有危害作用的程度时 必须更换油液 液压油性能劣化的主要表现及原因见下表 液压理论与维护课程 第二节污染控制 3 油液的更换液压系统油液的更换通常采取以下方式 定期更换 根据经验和对油样的观察确定是否换油 按照规定的换油性能指标 根据油样化验结果确定是否换油 由于液压设备的类型 工作条件和使用的油液种类不同 因而目前还没有统一的换油指标 各个工业部根据实际情况指定的具体换油指标可作为油质管理的参考 如石油化工部制定的液压油换油指标见下表 在采用按换油指标更换油液时需要知道所用新油的性能指标 在使用过程中通过定期进行油液分析监测其性能变化 以确定油液的劣化程度 近年来红外光谱分析已应用与液压和润滑设备在用油的性能状态监测 经验表明 通过污染控制提高油液的清洁度 可以显著延缓油液性能劣化 油液的使用寿命可延长3 5倍 液压理论与维护课程 第二节污染控制 4 液压系统污染控制管理规范基本目的 通过污染控制措施使系统油液的污染度保持在系统内关键元件的污染耐受度以内 以保证液压系统的工作可靠性和元件的使用寿命 污染控制的实施步骤 根据对系统工作可靠性和元件寿命的要求 确定系统油液的目标清洁度等级 即必须控制的污染度等级 为达到系统目标清洁度 采用有效的油液过滤净化和防止污染侵入的措施 定期检测系统油液的污染度 一旦超过容许范围 及时采取纠正和改进措施 在确定液压系统目标清洁度时需要考虑各方面的因素 如系统的类型 元件对污染的敏感性 以及工作条件 压力 速度 温度 等 此外 还应充分考虑延长元件的寿命要求 液压理论与维护课程 第二节污染控制 4 液压系统污染控制管理规范为了制定液压系统污染管理规范 首先必须对各种类型液压系统油液的实际污染状况和使用情况进行广泛的调研和测试分析 美国俄克拉荷马州立大学原流体动力研究中心 曾在1973年对44台不同类型液压设备进行了油液污染度测定分析 各种设备液压系统的平均污染度见表2 英国液压工业界在1980 1983年进行了一次较大规模调研工作 对大约120个各种类型的液压系统进行了污染度测定 结果见表3 美国Pall公司于90年代初总结了25000个从各种液压和润滑系统采集样液的污染度分析数据 表4为液压系统的平均污染度等级 以上不同年代的调研结果可以看出 随着液压技术的发展 大多数液压系统的清洁度水平有明显提高