环境管理_液压系统污染控制技术培训教材

液压系统污染控制技术培训 目录 1 液压系统简述2 液压系统的污染物3 液压系统污染物检测分析4 液压系统污染控制5 过滤原理与过滤介质6 污染控制元件的主要性能指标7 污染控制元件介绍8 污染控制元件的选用9 液压系统的污染控制与预防 1 液压系统简述 1 1液压系统的基本组成1 2液压系统的传动介质2 液压系统的污染物2 1污染物的定义2 2污染物的来源2 3污染物的危害2 4污染物特征描述2 4 1固体颗粒2 4 2水2 4 3空气 1 1液压系统的基本组成 液压系统一般由动力元件 控制元件 执行元件 液压介质和辅助元件组成 动力元件将电动机或内燃机所输出的机械能转化为液压介质的液压能 控制元件对液压介质的压力 流量和方向进行控制 执行元件将液压能再转变为机械能 驱动负载实现需要的运动 液压介质是能量转化 传递和控制的媒体 辅助元件为实现液压系统热量平衡 污染平衡 能量储存与释放 介质流通与密封等功能而使用的元件 使液压系统能够正常 安全 可靠地工作 表1 1液压系统组成部分及其作用 液压系统示意图 1 2液压系统的传动介质 在液压系统中 液压介质是系统实现能量转换 传递 控制的媒体 也是系统散热 元件润滑的媒体 同时也是污染物携带 传输和清除的载体 因此 液压系统对液压介质有比较高的性能要求 表1 2给出了液压系统对液压介质的性能要求 表1 3常用液压介质的种类 表1 2液压系统对液压介质的性能要求 2020 2 19 2 液压系统的污染物 2 1污染物的定义2 2污染物的来源2 3污染物的危害2 4污染物特征描述2 4 1固体颗粒2 4 2水2 4 3空气 2 1污染物的定义 液压系统的污染物是指液压介质中存在的一切对系统有危害作用的物质和能量 它包括固体颗粒 水 1 空气 化学物质 微生物 静电 热能 磁场和辐射等 1 对于含水液压液来说 水不是其污染物 为便于叙述 以下所说液压介质主要指液压油 2 2污染物的来源 污染物的来源各不相同 主要是在系统装配 运行 故障维修等过程中产生的 根据其产生的原因总体来说 可分为系统内部残留 内部生成和外部侵入三种 表2 1污染物的常见来源 2 3污染物的危害 污染物对液压系统的危害是十分巨大的 据统计 液压系统75 以上的故障是由于油液及其污染造成的 固体颗粒是液压系统中最主要的污染物 液压系统污染故障中的三分之二都是由固体颗粒引起的 表2 2给出了各种污染物的危害 表2 2污染物的危害 影响设备使用寿命的因素 2 4污染物特征的描述粒 2 4 1固体颗粒述描述固体颗粒污染特征的参数主要有颗粒的密度 堆积松散度 沉降性 分散性 迁移性 成块性 硬度 破碎性 尺寸 尺寸分布 浓度 形状等 污染控制经常使用的特征主要有尺寸 尺寸分布和浓度等 图 颗粒尺寸定义 2 4 2水 水的污染特征描述主要有水的存在形式及其含量 油液中的水有三种存在形式 溶解水 乳化水及自由水 2 4 3空气 与水类似 空气的污染特征描述主要有空气的存在形式及其含量 油液中的空气也有三种存在形式 溶解态 乳化态及自由态 3 液压系统污染物检测分析 污染物成分及其含量的分析3 1 1光谱分析3 1 2铁谱分析3 1 3红外光谱分析3 2固体颗粒分析3 2 1油液污染度的表示方法3 2 2油液污染度的测定3 3水分分析 3 1污染物成分及其含量的分析 光谱分析 铁谱分析 红外光谱分析是油液污染成分与含量分析的三种常见方法 光谱分析可以检测油液中的元素及其含量 铁谱分析可以检测油液中铁磁性颗粒污染物的成分 大小和数量 红外光谱分析可以对油液中的化合物进行定性和定量分析 3 1 1光谱分析3 1 2铁谱分析3 1 3红外光谱分析 3 1 1光谱分析 每种元素的原子具有在受到一定能量激发时发射和吸收特定波长光的特性 利用这一原理 人们发明了原子发射光谱仪和原子吸收光谱仪 图 3 1 2铁谱分析 铁谱分析是利用高梯度强磁场将油液中的铁磁性颗粒分离出来 然后进行颗粒含量测定和形貌分析 铁谱仪主要有分析式和直读式两种类型 图 分析式铁谱仪制谱仪工作原理 图 3 1 3红外光谱分析 红外光谱分析的原理是 通过检测各种化合物在红外光谱区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 表3 1矿物油的红外光谱 3 2固体颗粒分析 3 2 1油液污染度的表示方法通常意义下的油液污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量 油液污染度的表示方法很多 常见的有质量污染度和颗粒污染度两种表示方法 表3 2ISO4406污染度等级代码 表3 3NAS1638污染度等级 100mL油液中的颗粒数 例如 100ml样液的颗粒计数结果如下 表3 4SAE749D污染度等级 100mL油液中的颗粒数 3 2 2油液污染度的测定 质量污染度的测定是利用微孔滤膜将一定体积的油液过滤 称取微孔滤膜过滤前后的质量 滤膜的质量差与过滤油液的体积之比便为油液的质量污染度 国际标准ISO4405规定了油液质量污染度的测定方法和步骤 表3 5污染度各种测试方法的比较 3 3水分的测定 蒸馏法与卡尔 费休法是油液中水分测量的两种主要方法 此外还有红外光谱法等 4 液压系统污染控制 4 1液压系统污染控制要求4 1 1油液中固体颗粒污染控制要求4 1 2油液中水分控制要求4 2液压系统污染控制方法4 2 1油液中固体颗粒的控制方法4 2 2油液中水分的控制方法 4 1液压系统污染控制要求 4 1 1油液中固体颗粒污染控制要求有研究资料表明 机械设备的功能失效50 归于磨损 而磨损主要是由于系统内的固体颗粒污染物造成的 另有统计资料表明 液压及润滑元件失效70 85 归因于油液污染 美国Massachusetts技术学院的一项统计资料表明 修理机械磨损的费用约占全美国总产值的6 7 2700亿美元 而液压及润滑系统的故障有75 以上是由于油液中固体颗粒的污染造成的 经常看到因杂质颗粒卡死阀芯 堵塞节流孔 破损密封件引起外漏 从而导致停产维修的报道 表4 1典型元件的工作间隙 表4 2液压元件的污染控制要求 表4 3液压系统的污染控制要求 4 1 2油液中水分控制要求 油液中水分的污染主要来源于热交换器泄漏 密封失效 潮湿空气的冷凝 油箱顶盖的配置不当 温度降低 溶解水析出变为游离水 图4 1 4 2液压系统污染控制方法 4 2 1油液中固体颗粒的控制方法液压系统 包括润滑系统 由于外界不断侵入系统 内部又不断产生固体颗粒污染物 因此说液压系统的污染是不可避免的 但污染是可以控制的 这种控制最主要的是采用过滤器净化系统的油液 使油液的清洁度控制到系统可允许的程度 表4 4 4 2 2油液中水分的控制方法 沉降法 使用沉降槽 使水分和杂质在静止状态下慢慢沉入槽底 然后用浮动吸入管从上部将油吸出 主要除去油中的游离水 离心法 利用油和水以及油中杂质的比重不同 靠机械的高速离心力使它们进行分离 主要去除油中的游离水和机械杂质 吸附法 主要是指利用一种少孔质的表面水凝胶化的丙烯纤维作为吸水剂 做成筒状滤芯安装于油液系统中 由于该材料有比较强的亲水作用 所以随着过滤时间的增加 本身体积逐渐膨胀 逐渐堵塞油路 此时需要及时更换吸水滤芯 本方法主要去处游离水 真空法 主要指真空蒸馏 通过扩散分离过程来去除油中水分 先将脏油输入到加热箱内预热 然后将加热后的热油引入到一个真空箱内进行蒸发 这样 水 气体和易溶物被蒸发掉 得到脱水后的洁净油 主要去除油液中的游离水和溶解水 聚结分离法 聚结原理就是使脏油先通过一级滤芯 在那里利用纤维的亲水性进行破乳聚结 使不易沉淀和分离的悬浮水聚结成易于沉淀和分离的游离水 并在层流条件下沉降下来 在流动过程中未被沉降的水 可再经过疏水的第二级分离网 以达到油水分离的目的 本方法对汽油 煤油 柴油等燃料有使用效果最佳 并可在炼油厂的精炼设备中 代替真空脱水装置使用 表4 5各种污染控制方法的优缺点 5 过滤原理与过滤介质 过滤就是利用多孔隙的可透性的介质滤除悬浮在油液中的固体颗粒污染物 5 1过滤原理5 2过滤介质 5 1过滤原理 过滤介质对液流中颗粒污染物的滤除作用可归纳为两种主要机制 即直接阻截和吸附作用 直接阻截的特点是液流中的颗粒不偏离流束 直接被阻挡在过滤介质表面孔口或介质内部通道缩口处 吸附作用的特点是油液中的颗粒在流经过滤介质时由于各种力的作用偏离流束 并在表面力 静电力或分子吸附力等 的作用下吸附在通道内壁 对于纤维介质即吸附在纤维表面 5 2过滤介质 按照结构和过滤原理 过滤介质可分为表面型和深度型两大类 6 污染控制元件的主要性能指标 6 1过滤精度 过滤效率 6 2纳污容量6 3压差 流量特性6 4相关标准的介绍 6 1过滤精度 过滤器的作用是滤除油液中的颗粒污染物 过滤精度是指过滤器 滤芯 能够有效滤除的最小颗粒污染物的尺寸 它反映了过滤器对某些尺寸颗粒污染物控制的有效性 具有过滤效率与颗粒尺寸两方面的含义 是过滤器的重要性能参数之一 表6 1过滤精度的表示方法 6 2压差 流量特性 油液通过过滤器时 由于过滤介质对油液的阻力而产生一定的压力损失 因而在过滤器的进出油口之间产生一定的压差 表6 2过滤比与过滤效率 图6 1过滤器压差 流量特性曲线 6 3纳污容量 在过滤器使用过程中 随着滤芯不断滤除油液中的污染物 过滤器的压差越来越大 当过滤器压差达到其极限值时 该值由过滤器制造商给定 需要更换滤芯 过滤器在压差达到极限值时 滤芯所捕获的污染物重量 称为滤芯的纳污容量 6 4相关标准的介绍 为了评定一个过滤元件的技术性能 国际上通用ISO16889等其中标准 分别对过滤芯和滤器的过滤精度 纳污容量 压差 流量特性 结构完整性 相容性 耐压强度 轴向强度 疲劳强度等特性提出了评定方法和检验标准 详见表6 3 表6 3 表6 4国家与国际标准的对应关系 图6 3 图6 4 图6 4 图6 5 图6 5 图6 6 7 污染控制元件介绍 7 1滤芯7 2过滤器7 3过滤设备7 3 1过滤车7 3 2体外循环过滤系统 污染控制元件介绍 7 1滤芯 滤芯分为过滤滤芯 吸水滤芯 聚结滤芯和分离滤芯等 油液污染控制中使用最多的滤芯为过滤滤芯与聚结分离滤芯 下面对其进行较为详细的介绍 吸水滤芯 吸水滤芯依靠吸水材料对水的吸附能力 将油液中的水分去除 随着吸水量的增加 吸水滤芯的压降上升 当压降达到一定值时 滤芯需要更换 聚结滤芯与分离滤芯 聚结滤芯与分离滤芯是配合使用的 聚结滤芯利用自身的聚结材料将油中乳化的小水珠聚结成大的水珠 分离滤芯利用分离材料的憎水亲油特性将聚结滤芯聚结成的大水珠阻挡在分离滤芯的外面 而油可以顺畅地通过 两者配合使用实现油水的分离 表7 1 图7 1圆筒折叠式滤芯结构 图7 1圆筒折叠式滤芯结构 a 滤芯外形图 b 滤芯截面图1 端盖2 骨架3 支撑层4 保护层5 过滤层6 密封圈 7 2过滤器 到目前为止 液压系统的过滤器还没有统一的分类方法 一般都是根据过滤器在液压系统中的位置 过滤器的过滤精度 过滤器进出口的连接形式 过滤器的压力等级 过滤器的筒体数量等对过滤器进行分类 表7 2过滤器类型 7 3过滤设备 7 3 1过滤车过滤车由于可自由移动 方便使用 故许多液压系统均配备了各种过滤车 过滤车的主要功能有以下几点 1 油液系统的离线污染控制 体外循环 2 向油液系统注入经过滤的洁净油液 3 排出并净化油液系统中的油液 4 对贮油罐的油液进行循环净化处理 5 收集净化分散的油液 图 过滤车工作原理图 图7 4过滤车工作原理图 图7 4过滤车工作原理图 图7 4过滤车工作原理图 图7 4过滤车工作原理图 7 3过滤设备 7 3 2体外循环过滤系统体外循环装置是指位于液压系统主回路之外 对油箱内油液进行外循环过滤的装置 它主要用于污染严重的液压系统 或变量泵小流量下过滤效率低的情况 体外循环装置与系统主回路滤油器相结合 可以获得很好的过滤效果 主要由泵组 粗滤器 级精过滤 级精过滤 冷却器以及进出油管等组成 图7 5体外循环系统的工作原理图 泵前粗滤器主泵主泵电机溢流阀 泵自带 检测接头 级滤器 级滤器抽油泵抽油泵电机冷却器 8 污染控制元件的选用 8 污染控制元件的选用8 1过滤器安装位置的选择8 2过滤器结构形式的选择8 3过滤器过滤精度的选择8 4过滤器通过能力的选择 8 1过滤器安装位置的选择 过滤器在系统中的位置对油液的污染控制效果有着很大的影响 在液压系统中过滤器根据需要可以安装在吸油管路 压力油管路 回油管路中 也可以安装在系统之外的旁路过滤系统中 见图8 1 吸油过滤器压力管路过滤器回油管路过滤器旁路过滤系统 图8 1过滤器安装位 表8 1 表8 2 8 2过滤器结构形式的选择 滤材种类选择表面型滤材 如网式 线隙式 片式等 用于低压差 低过滤精度 纳污能力小场合 如吸油管路和做深度型滤器前置过滤 深度型滤材 如复合滤材 纤维纸 毡等 用于过滤精度要求高的压力管路 回油管路 纳污能力强 材料相容性选择普通液压油用 一般碳钢类滤器材料 有良好的抗氧化能力 水乙二醇用 不锈钢材料或非金属材料 包括衬网和粘胶都要注意相容性 碳钢经镀锌的材料不适宜在水乙二醇中使用 密封材料的选择 一般有丁晴橡胶及氟化橡胶 特殊情况下还有尼龙和聚四氟乙烯等 连接方式的选择 螺纹连接 法兰连接 板式连接 辅助功能选择 带发讯指示器 可提示操作者更换滤芯 带安全溢流阀 防止滤芯击穿 更换滤芯的可拆卸方便性选择 尽量选用更换滤芯方便的结构型式 型式选择 连续工作制的可选双联 可停机更换滤芯的可选用单联过滤器 另外根据空间位置决定是否选用落地式或支架固定式结构 8 3过滤器过滤精度的选择 过滤精度是指滤芯能够捕捉到的油液中颗粒尺寸的大小 常用um表示 过滤精度的选择应该以系统中各元件所能承受的油液颗粒污染度等级来确定 一般而言 系统压力越高 各运动副之间的机械间隙就越小 工作时的工作间隙也就越小 对过滤精度的要求也就越高 对于润滑系统 位于主油路中的过滤器的过滤精度宜选择 15 100 对于旁路循环的润滑系统应要求 10 100 过滤精度与所保护的元件对污染的敏感性有关 元件间隙越小 对污染越敏感 过滤精度与执行元件速度也有关 低速运行的执行元件颗粒度宜不超过间隙的1 3 运动速度快的元件 颗粒度最好控制在间隙的2 3以内 过滤精度还与系统压力有关 一般来说 压力高的系统 过滤精度也高 工作压力与过滤精度关系大致如表8 1 8 4过滤器通过能力的选择 通过能力是指滤芯允许通过的公称流量大小 在确定通过能力时 要留有足够的余量以补充污物颗粒被拦截所占去的面积 延长使用寿命 例如对吸油过滤器 为降低吸空现象 过滤器通过能力应为泵的3倍以上 所以有效过滤面积一般应为吸油管路的60 80倍 对于压力管路 通过能力一般选在系统实际使用量的1 2 2倍之间 对于回油过滤器 要考虑系统的最大瞬时流量有可能超过泵的流量 如单杆油缸等设备 所以应考虑取为最大瞬时流量的1 5 2倍左右 8 5过滤器选型方法 以上详细列举了过滤器选择中所需考虑的问题 在实际选型时 可参考以下方法 确定以下参数 最大工作流量Q 最高工作压力P 油液可达到的最大粘度 油液的比重 需要达到的过滤精度 连接方式 通径DN 目标初始压降 P 推荐 P 0 5bar 计算滤壳实际压降值 根据流量Q和通径DN 查壳体压降曲线 得出滤壳标准压降 P0 9 用公式 P P0 9 0 9计算得出滤壳实际压降 确定滤器 滤芯长