固體顆粒污染物對液壓傳動系統的危害

李杰峰，鄭建紅

唐山職業技術學院機電工程系，河北 唐山 064002

液壓傳動系統的工作可靠性和使用壽命與液壓系統的污染狀況有著極為密切的關系。根據國內外統計資料，液壓傳動系統的故障大約有80%是由于液壓系統的污染引起的，在各種污染物中，固體顆粒分布最廣，危害最大，是引起系統故障、可靠性降低和元件壽命縮短的最重要根源，由固體顆粒污染物引起的液壓系統故障占總故障的60%～70%[1]。

在液壓系統中，油液中的固體顆粒污染物是引起磨損的最主要原因，顆粒起著研磨劑中的磨料的作用，它同元件表面長期相互作用，產生各種形式的磨損，造成元件表面逐漸損壞，配合間隙逐漸增大，內漏逐漸加大，導致性能衰降直至失效，縮短使用壽命；同時可促成顆粒淤積、堵塞和卡滯，導致突發性故障[2][3]。在液壓系統里，無論是金屬件還是非金屬件，都極易受到這種磨損，特別是配合精度較高的滑閥式或柱塞式等機構，更易遭到顆粒的磨損。

1 固體顆粒的磨損

固體顆粒污染主要取決于顆粒污染物的磨損性以及顆粒尺寸與關鍵運動副間隙尺寸的相對關系。尺寸小于運動副間隙的顆粒污染物隨著泄漏油液通過間隙，一般不引起磨損或只引起很輕微的磨擦，尺寸大于運動副間隙的顆粒不能進入間隙內，因而對運動副表面不產生磨損作用，而只有尺寸與運動副間隙相等或稍大的顆粒污染物在液流作用下可能進入間隙，引起運動副表面的磨損。這一顆粒尺寸是對液壓元件運動副污染磨損最敏感的尺寸，稱為臨界尺寸。臨界顆粒尺寸不僅是評定液壓元件的污染敏感性和耐污染能力的一個重要參數，而且是確定液壓系統過濾要求的一個重要指標。由于臨界顆粒尺寸與液壓元件運動副的間隙相對應，當嚴重磨損導致運動副的間隙增大時，就會有更大的顆粒污染物進入間隙參與磨損，從而使運動副磨損加劇，造成污染磨損的鏈式反應。

顆粒污染的磨損機理主要有切削磨損、疲勞磨損、粘著磨損和沖蝕磨損等形式。

1.1 切削磨損

進入元件運動副間隙內的堅硬固體顆粒，嵌入到材料較軟的元件表面，在相對運動過程中將另一元件表面材料切削下來。這種磨損，因較軟的表面易嵌入顆粒，故較硬的表面常常反而磨損較嚴重，切削磨損表面常有明顯的劃紋和劃傷。

1.2 疲勞磨損

固體顆粒進入運動副間隙后，在碾壓和滾動下將使元件表面出現溝槽（塑性變形）并產生應力；然后，在表面出現初始裂紋；反復作用引起裂紋擴展，并形成空洞；最后，表面材料剝離而損壞。

1.3 粘著磨損

固體顆粒與元件表面相互作用使元件表面材料發生塑性變形，產生凸起和洼坑，這些凸起部分破壞了潤滑，使運動副表面產生金屬與金屬的直接接觸，接觸點在負載下造成局部高溫而發生熔合粘著。當運動副作相對運動時發生剪切，材料從屈服強度較小的表面上剝落而形成磨粒，進一步加劇磨損，這是一個粘著一剪切一再粘著一再剪切的惡性循環過程。當熔合點較多時，運動副會發生卡滯甚至卡死現象，導致突發性故障。

1.4 沖蝕磨損

固體顆粒隨著高速流動的液流，不斷向暴露在管道中元件的棱邊和表面噴射沖刷，如此長期反復作用下，可使被沖刷部位受到磨損，稱為沖蝕磨損。顆粒在較高速度下有足夠的能量來破壞被撞擊的金屬表面。一般來說，較軟顆粒使被撞擊處金屬材料變形，在表面產生損傷，類似于加速疲勞破壞；較硬顆粒使被撞擊處金屬材料錯位、滑移、加速疲勞和切削剝離。沖蝕磨損常見于閥芯棱邊和節流孔。

污染磨損過程往往不是一種磨損方式起作用，而是幾種磨損方式并存，并且幾種磨損方式相輔相成，互相促進，例如，上述四種磨損方式皆可在滑閥閥芯磨損過程中同時出現，切削磨損和疲勞磨損可促成粘著磨損等。

2 固體顆粒的沉積

粒度小于配合間隙的固體顆粒隨液流流經運動副時，在縫隙流動的附加作用下，較易進入間隙內，在油膜附面層的吸附和阻滯下被淤積在間隙內，隨著沉積量的加大，縫隙流動可能被大量小顆粒阻斷，造成運動副之間靜摩擦力大大增加，閥芯運動受阻，可導致工作不穩定等突發性故障，如空中飄擺、油壓不穩、壓力跳動、響應瞬時變慢或停滯等；同時可促成磨損、堵塞和卡滯[4]。淤積現象往往是暫時的，當運動副有相對運動后，原來形成的邊界層就會被破壞，淤積的顆粒會被液流帶走，淤積效應隨之消失，運動副又能恢復正常工作。

3 運動副的卡滯現象

卡滯一般發生在滑閥機構的閥芯與閥套配合面，造成配合面出現劃紋和劃傷、閥芯運動受阻甚至卡死，導致突發性故障[5]。當較大的顆粒進入運動副間隙并附著在間隙入口附近，根據液壓流體力學理論可知，此處液流流速變大，壓差變小，上下間隙產生徑向不平衡力，把閥芯壓向顆粒濃度高的一邊，引起液壓卡緊，造成閥芯卡滯和偏磨。當比正常間隙略大的顆粒進入并被阻留在間隙中時，在系統減壓或換向時，大顆粒被壓在間隙中，進入到運動副表層內，造成配合面壓傷和卡滯，嚴重卡滯會造成明顯劃傷甚至卡死。

顆粒的不規則運動，還會對油液起反復剪切作用，降低油液粘度和潤滑性，催化油液氧化變質，縮短其使用壽命需要強調的是，顆粒污染的上述幾種危害方式在系統中不是單一的行為，而是多種方式并存，并且幾種危害方式相輔相成，互相促進。因此，在液壓傳動系統中，嚴格控制固體顆粒污染物是有效減少液壓故障的主要措施。

[1]張蕊，郭智勇.液壓系統油液污染對系統的影響[J].科技資訊，2011(4).

[2]齊億洲，溫佩民.淺析液壓系統污染對液壓系統的影響[J].科技信息，2007(13).

[3]賀培峰，張守波.污染引起液壓元件損害機理的分析[J].港口裝卸，2007(4).

[4]鄧翊，袁作新，彭翾.液壓系統污染原因分析及控制[J].武鋼技術，2010(3).

[5]張培森.挖掘機液壓系統故障診斷及措施[J].科技創新導報，2010(31).