冶金機械液壓污染的原因與控制

徐開斌

中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇常州 213011

0 引言

冶金機械液壓系統設備的運行周期長，工作環境復雜，因此其日常維護和保養工作任務艱巨、技術難度大。冶金機械系統一般都是在戶外進行作業，所處的環境較差，且冶金機械常年處于高速運轉中，過高的負荷容易引起高溫、高壓。戶外作業也會導致冶金機械處于高粉塵污染的環境下。當對冶金機械液壓系統進行安裝、調試及運行、保養的時候，冶金機械液壓系統中的油液物質很容易受到污染，進而產生化學變化，引起質變。這樣，在之后的使用中，機械液壓系統會出現很多故障。

圖1影響元件壽命和可靠性的因素

實踐證明，對于精度較高的冶金機械液壓系統，究其產生故障的原因，由于液壓油的污染而導致的占到75%～80%。液壓油液污染對液壓系統造成的危害難以想象。液壓系統污染物的產生主要存在于制造和安裝過程。在該過程中，產生的污染物主要包括隱藏在液壓系統內部的一些污染物和液壓系統在工作過程中產生的污染物。其中，隱藏在液壓系統內部的污染物主要包括切屑、氧化皮、焊渣、銹渣以及纖維等殘留物，對系統危害很大。因此，在對污染物進行控制的時候，對污染物的檢測和控制要貫穿到全過程中。在實際的生產過程中，對冶金機械設備及其液壓系統的維護，都停留在重使用輕保養的層面上。冶金機械液壓系統具有功率大，體積小，操作方便等特點，因而在生產中被廣泛使用。但是，面對液壓系統污染嚴重等問題，如何更好地對液壓系統進行維護與保養，減少液壓設備故障的發生頻率，延長設備的使用壽命，是當前各冶金生產企業普遍面前的一個難題。本文就冶金液壓系統產生污染的原因以及如何有效地對污染進行控制作一些探討。

1 冶金機械液壓污染的產生原因及危害

1.1 液壓污染的主要類別及其危害

在冶金機械的液壓系統中，液壓油不僅是傳遞能量的主要工作介質，同時也承擔著潤滑、密封以及防銹等功能。冶金機械液壓系統的污染主要指液壓油中摻雜了各種雜質，這些雜質包括固體顆粒、變質的水以及微生物等。具體來說，包括以下3個方面：

1）從外界進入的污染物

對于冶金機械來說，在其液壓系統的使用過程中，比如說在活塞的往復運動、向系統注入油液等過程中，常會有很多粉塵顆粒進入機械液壓油中。另外，系統還會因為密封圈的密封不嚴導致水進入油液中。最后，在系統的日常維護和保養中，也會由于機械操作人員的疏忽等原因，將密封件以及閥體等帶進去的棉紗等一系列的污染物掉進油液系統中。這也是導致污染的一個重要原因。

2）系統自身制造過程中遺留的污染物

冶金機械液壓系統的生產過程也是一個復雜的過程，要經歷生產、組裝、運輸、倉儲以及銷售等階段。在這些階段中，系統本身就會產生一些污染物。這些污染物包括毛刺、碎屑子、沙粒、廢料、銹片、噴漆、膠狀物、棉布紗料布以及沖洗液體等等。對于冶金機械而言，

由于其某個零部件的不潔凈，將會導致整個液壓系統的污染，從而導致系統出現故障，影響運行效率。

3）系統生產過程中產生的污染物

冶金機械液壓系統作為冶金機械的重要組成部分，其工作環境復雜。在當今社會，很多冶金機械都是在戶外進行作業，他們長期處于高溫、高壓的環境，又會受到重核載的作用。在這種情況下，機械中的液壓油溫度就會變高，從而產生化學質變，化學質變會導致金屬表面產生腐蝕，出現金屬顆粒、銹滓，潤滑不良等現象，也會產生部分剩料、磨料等物質。另外，高溫、高壓的工作環境以及重載的工作條件會導致液壓油把金屬表面的顆粒剝落，使金屬出現凹凸不平，從而導致被密封的元件加快了老化的速度，被腐蝕，造成顆粒污染等。

1.2 液壓污染的主要危害

液壓油污染會對機械系統造成很大的危害，主要包括以下幾個方面：

1.2.1固體顆粒的危害

固體顆粒污染物的組成主要包括金屬性顆粒、纖維、沙礫、橡膠顆粒、以及積碳等。它們大多數是金屬和硅、鋁等氧化物，硬度通常較高，莫氏硬度約在4～7之間。其中，二氧化硅和三氧化鋁的硬度可以達到莫氏硬度7～9，對液壓系統以及元件的危害比較大。

表1液壓油液污染種類一覽表

在上表所列這些污染物當中，固體性顆粒的分布最廣泛、危害也最大，它是導致液壓系統故障、降低系統可靠性并減少使用壽命的一個最主要的原因。所以，我們認為，液壓系統污染控制的重點應該放在減少固體性顆粒上。

1）固體狀顆粒各種形式的磨損

（1）切削磨損

進入元件內的一些比較堅硬的固體顆粒鑲嵌到較軟的表面時，就會像車刀似的把元件表面的一些材料切割下來，然后形成碎屑。在這種磨損方式中，比較軟的表面很容易有顆粒進入，就會導致較硬的那一面磨損嚴重，切削表面會有顯著的劃痕。

（2）疲勞磨損

當固體狀顆粒到達運動副間隙，在碾壓運動和滾動的作用下在元件表面生成應力，進而裂紋，然后被油壓沖擊后不斷擴展，形成了空洞，導致機械表面材料脫落。

（3）粘著磨損

固體狀顆粒和元件表面的擠壓作用會產生些許的塑性變形，形成了凹凸不平的坑，使潤滑油膜遭到破壞，進而導致金屬表面直接進行接觸，它們接觸的地方在高速、重荷載的作用之下會產生高溫導致金屬粘在一起。運動副之間的相對運動也會發生剪切，導致金屬表層脫落形成磨粒，使磨損加劇。

2）淤積

固體狀顆粒隨著油液流向運動副，在此附加作用之下，如果顆粒的粒度小于配合間隙，就會比較容易進入間隙內。當淤積量增加時，小顆粒會阻斷縫隙的流動，進而造成淤積現象。顆粒淤積會導致機械容易導致飄擺、油壓不夠穩定、壓力上下跳動、響應頓時停頓或者停止等現象。一般而言淤積現象通常是暫時的，如果一旦工作起來，原來已有的邊界層就會被破壞，這樣就會使得淤積著的顆粒就會被液流很快的帶走，這樣一來滑閥就能夠再次正常工作起來。因此，系統突然發生的一些故障就會自動消除的。油液中的小顆粒的濃度也就越來越高，從而使淤積這種現象不容易發生。

3）卡滯

卡滯主要指的是比較大的顆粒到了運動副的間隙并且附在間隙的入口附近，從而導致上下間隙之間發生徑向不穩定的力，進而使得閥芯壓向著濃度比較高的顆粒的一邊，由此就會導致液壓卡緊的現象。然而在高壓的系統中，當出現液壓卡緊的時候，那么閥芯上面受到的不均衡的力以及液壓卡緊力都會很大，這樣就會就會使得閥芯卡滯以及偏磨。

1.2.2水的危害

我們知道，在冶金機械液壓系統中，油液中的水主要是來自于空氣。實踐證明，系統中水引起的污染的危害主要包括:

1）引起腐蝕

油液中含有部分金屬硫化物以及氯化物等，當它們遇到水時，會發生作用，產生酸性介質，使元件表面被腐蝕。

2）引起變質

油液遇到水會發生氧化和乳化，添加劑也會和油液發生化學反應，生成沉淀物等膠質，不僅會破壞油膜強度，還使潤滑性能降低。同時，它也為微生物的生長與繁衍創造合適的條件，引起油液變質。

3）低溫結冰

系統中游離的水在低溫狀態下容易結冰，將小孔等間隙、油濾器等元件堵塞。

1.2.3空氣的危害

空氣常常比水更加容易進入到液壓系統中，它在液壓系統主要有兩種存在方式：溶解狀態、游離狀態。溶解狀態下的空氣常常不會影響到系統的工，產生危害的主要是游離狀態的空氣。危害主要包括：會產生氣蝕；會會降低系統液壓油液的體積彈性模量以及剛性；會產生氣阻等。

2 液壓系統油液及機械污染的控制策略

對于冶金液壓系統，其工作的可靠性及使用壽命在很大程度上取決于液壓系統受污染的程度及類別。很多研究者對它們之間的關系都做了研究，這里就不再一一贅述。當總結起來，要想提高冶金液壓系統的可靠性及使用壽命，最主要的就是要降低系統的污染程度，下面就如何降低系統的污染展開討論。

液壓系統的污染包括內外兩種因素。其中，內因指的是系統使用過程中的一些正常損耗，它只能通過改進技術來進行降低，但時不可能完全被消除。

2.1 設計時要選用適宜的過濾器

在機械的設計階段，要綜合考慮機械的工作環境，選用合適的過濾器。這對于系統今后的運行有著重要的意義，是一項重要的污染減小措施。如果所選用的過濾器它的精度太高了，會造成浪費；但是過低了又會減少器件的使用壽命。要想液壓系統的性能好、工作效率高、穩定性好并切實靠性，就必須要為它設計一個良好的控制污染度的系統。

1）對于一般的冶金機械液壓系統，在設計的時候，它的過濾器的過濾精度為20lm。對電液伺服系統，過濾器采用的是101m；

2）對于液壓系統所采用的過濾器，其精度要比實際流經系統的流量大些。如果所選用的過濾器的流量小于它的額定，那么過濾器所承受的壓力差就會變小，進入系統的很多污染顆粒就能夠被過濾掉，液壓油的清潔程度也就會提高；

3）將液壓系統并聯使用效果更好。將液壓系統并聯后，經過每一個過濾器的液體流量就會變小，這樣，液壓系統的清潔程度就會得到提高；

4）對于液壓系統，要選用性能較高的過濾器，在過濾的時候，可以實行分級過濾。與此同時，為了防止過濾器被堵塞而變形，還需要對它們進行定期更換；

5）選好過濾器后，還要按照要求，在機械上正確安裝過濾器。一般情況下，都會把過濾器安裝在吸油回路上。因為這樣可以更好地清除即將進入但尚未進入到泵中的污染物。如果液壓系統的精度要求較高，還可以通過在吸油回路裝一個粗濾器并且在機械液壓管路上面設置一個精濾器來實現。

2.2 液壓系統制造和安裝階段的污染控制

1）在現代液壓系統中，絕大多數的電液伺服采用的材料是不銹鋼質的無縫式鋼管，它有一個特點，就是鋼管之間不能夠用螺紋來連接。鋼管和彎頭等要放在硝酸和氫氟酸的混合液中清洗，目的是除去管道內壁上的贓物。

表2管道酸洗鈍化配方

管道用鋸割而不用砂輪切割，目的是減少砂輪粉末的產生。焊接的時候，在不銹鋼管端處打好坡口，去掉毛刺并處理干凈。在焊接的時候，最好使用氬弧旱接，減少熔渣；

2）將液壓油管拆除的時候，要保持接頭的開口朝上。同時還必須用堵頭將接頭開口堵住，目的是為了防止液壓系統中的油液流失，同時也可以有效地也減少污染物的侵入及危害。

2.3 加強對液壓系統使用的護理與保養

1）對新油液的污染加以控制。對新油的檢測表明，一般的污染度都會在NAS10級以下，而電液伺服系統的要求是必須達到NAS6級以上。因此，在加注油液之前，要用精細的過濾車對燃油進行三層過濾，使新油的污染程度能夠達到電液伺服閥NAS6級的標準。這可以大大降低電液伺服閥更換和清洗的頻率，使設備穩定運行；

2）在對系統進行清洗的時候，采用離線循環沖洗的方式。將循環沖洗離線的時候，要斷開電液伺服閥等部件，直接連通軟管和硬管。打開泵，將新油進行過濾。大概運行24h～72h后，將液壓油的溫度控制在50℃～60℃左右，將壓力控制在2MPa左右。與此同時，可以采用橡膠錘等工具，通過敲打接頭和焊接縫隙等部位來清除污染物；

3）將油溫在適宜的一個溫度。如果液壓系統油液的溫度過高時話，油液會發生氧化變質，且速度很快，這樣就會導致金屬的磨損加劇，同時會使密封件發生物理變化，產生老化和變形，引起泄漏和污染。一般情況下，工作油的溫度應該保持在55℃以下。

3 結論

冶金機械液壓系統的污染與控制過程復雜，任務龐大，技術難度大。為了使冶金機械液壓系統正常運行，提高設備運行的可靠性，減少系統故障。對于系統的設計和安裝要做到合理，要加大對各個環節的檢測力度，減少污染物，提高系統的使用壽命，降低設備的維護成本，進而提高效益。

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