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船舶液压系统油液污染的预防与控制

  在船舶液压系统中,液压油不仅起动力传动和控制作用,也起着润滑、冷却的作用,同时还对机械的腐蚀和锈蚀起到抑制作用。液压油的品质和清洁度直接影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命。大量统计资料显示,液压系统的故障率70%以上都是由于液压油的污染造成的。增强控制液压油污染的意识,加强对液压油污染的检测,提高液压油管理技术,能有效降低液压系统故障率。因此分析液压油污染的成因,研究有效实用的控制措施,具有非常重要的意义。

  1 液压系统油液污染的来源

  造成系统油液污染的原因主要有两大方面:从外部侵入的污染主要是各种固体颗粒、水、空气等;内部的污染物主要是系统工作时,元件磨损、液压油变质和元件腐蚀的产物,具体可从以下几个方面说明。

  1.1 空气污染

  在液压油中,空气有两种存在方式。一种是空气溶解于液压油中,另一种则以气泡形式夹杂于液压油中。如空气溶解于液压油中,不会影响液压机械系统的工作;但如空气以气泡或气穴形式夹杂于液压油中,则液压机械就会发出噪声,液压系统功率降低,产生气蚀,引起液压油氧化、混浊、润滑性能降低等不良作用。资料表明,油液中混入1%的空气,油液的体积弹性模量即降低到纯油的35%;油液中空气含量超过2%时,液压油变得混浊,润滑性明显降低。

  1.2 水污染

  水分可通过凝结从油箱侵入,或由加油孔、过滤器处侵入。另外液压油冷却器的漏水,也是使水分直接混入液压油造成油乳化的重要原因。

  水对液压油的污染,比大多数人所意识到的要严重得多。在液压系统中,水不是以游离状态存在,就是溶解在液压油中,游离水可以作为沉淀物出现或使液压油成为乳状液。水在系统中会加速油液氧化和产生各种沉淀,它最明显的危害是腐蚀金属表面,从而促使元件表面进一步腐蚀并加剧对整个系统的污染。它还会与油液中的某些添加剂作用产生粘合性物质,造成阀芯粘滞和过滤器滤芯堵塞等故障。

  解决水污染的根本方法是防止水分进入油液中。在船舶液压装置中,通常有以下几种情况会使水分进入油液中:

  (1)存放液压油的油桶露天放置,致使雨水侵入;

  (2)油桶存放处相对湿度过大,当温度降低时,桶内湿空气在桶壁上凝结成水滴进入油液;

  (3)液压油氧化除了生成胶质酸性物质外,还会生成少量水;

  (4)采用水冷却的液压系统,因为水冷却器的不严密而造成水渗入或漏人油液中;

  (5)液压系统中活塞杆在运行中也有可能携带水进入油液中。此外,在液压起货机的液压系统中,应特别注意雨水或凝水顺着管路进入油箱中。

  1.3 固体污染

  固体颗粒是液压系统中最常见的污染物,约占液压油污染引起故障总数的70%以上。其主要来源包括液压油本身不清洁;液压元件在加工和组装过程中未除干净的金属屑、焊渣等;加工时从外界侵入的尘土和杂物;系统在工作过程中产生的磨屑及从油箱等部位侵入的尘土;工作中油液氧化和分解所产生的沉淀物等。

  2 液压油系统污染的危害

  2.1 固体颗粒污染的主要危害

  (1)使阀件卡紧或孔口淤塞,发生故障。阀件的间隙多在7um~20um,5um~15um的固体颗粒最容易使其卡紧;

  (2)使泵和液压马达、液压缸运动副和密封件磨损、擦伤,内外漏泄增加,设备性能下降。

  2.2 水污染

  水在油中的危害:

  (1)使金属元件腐蚀;

  (2)油乳化后润滑能力下降,磨损加快;

  (3)与添加剂作用产生粘性胶质,还会促进油氧化;

  (4)低温会形成坚硬的冰晶;

  (5)低压时会产生“气穴现象”。

  2.3 空气污染

  液压油中空气过多造成的危害是:

  (1)游离状态的气体会形成直径约200um~500um的气泡,使执行机构动作迟滞;

  (2)当低压部分压力低于“空气分离压”时,出现的大量气泡会导致“气穴现象”,产生噪音和振动;

  (3)气体压缩容易发热,会加快油液的氧化速度。

  3 液压系统油污染的等级标准

  为了实施液压油污染控制的需要,制定油液的污染标准是必须的。NAS1638是由美国航天学会早期首先提出来的液压油固体颗粒污染分级标准,它是基于自然污染的颗粒数,按尺寸分布通常呈曲线的情况(尺寸越大的颗粒数越少),将5um以上的颗粒分为5个尺寸范围记数,以各尺寸范围颗粒数同时按等比级数递增来分级。此外,表1给出了NAS1638重量法固体污染等级标准,采用的是总体表示法。

表 1  NAS固体污染等级标准

等级 100 101 102 103 104 105 106 107 108

每100ml油含杂质 mg

0.02 0.05 0.10 0.30 0.50 0.70 1.0 2.0 4.0

  由于过滤后油液污染颗粒的尺寸分布并不呈指数曲线,故国际标准化组织于1978年提出了ISO4406污染度等级标准(表2)。它采用了两个数码表示液压油的污染等级,前面的数码代表100ml油液中尺寸>5um的颗粒数等级,后面的数码代表100ml油液中尺寸>15um的颗粒数等级,两个数码间用一条斜线分隔。如,污染度等级NAS1638 18/13表示油液中>5um的颗粒数等级数码为18,每100ml颗粒数在130×103~250×103之间,>15um的颗粒数等级数码为13,即每100ral颗粒数在4×103~8×103之间。目前ISO4406标准已为各国普遍采用,我国国家标准GB/T14039-93与其相同。

表 2 ISO4406固体污染物颗粒数量等级标准

等级数码 每100ml油液中污染物颗粒数 等级数码

每100ml油液中污染物颗粒数

少于 多于 少于 多于

24

8x10^6 8x10^6 11 1x10 2x10³
23 4x10^6 8x10^6 10 500 1x10³
22 2x10^6

8x10^6

9 250 500
21 1x10^6 8x10^6 8 130 250
20 500x10³ 1x10^6 7 64 130
19 250x10³ 500x10³ 6 32 64
18 130x10³

250x10³

5 16 32
17 64x10³ 130x10³ 4 8 16
16 32x10³

64x10³

3 4 8
15 16x10³

32x10³

2 2 4
14 8x10³ 16x10³ 1 1 2
13 4x10³ 8x10³ 0 0 1
12 2x10³ 4x10³ 0.9 0.9 0.5

 

  4 液压系统污染的测定

  液压系统污染的测定有许多科学、可靠的方法,但船舶上可能没有先进的检测仪器,因而在进行污染测定时,可以采用一些简单、易行的方法。

  固体污染的测定:液压油中污染物的颗粒大小、形状和表面特征,可大体反映污染物的种类及来源,借助光谱分析、X射线能谱和铁谱等分析法,可以鉴别污染物的成分和含量。也可以用称重法、颗粒记数法等方法进行测定。

  含水量的测定:液压油的含水量可用ppm表示。由于水和油的沸点及导电常数不同,可以采用蒸馏法和电量法进行液压油含水量的测定,用电量法测定精度更高,可达1ppm。

  含空气量的测定:工作中的液压油混入不同含量的空气,其油液的浑浊度和体积的弹性模量是不同的,可以采用油液浊度计法和油液的压缩法进行空气含量的测定。

  5 液压系统油液污染控制措施

  为了有效控制液压系统的污染、减少故障、延长寿命,可以采取下列有效预防措施,以防液压油被污染:

  (1)选用合理的过滤器,合理设计过滤和冷却油路,合理选用液压油

  过滤是目前液压系统防止颗粒污染最常见也是最有效的净化装置,在液压系统中除了在吸、排口上和油回路上安装过滤器,最好在重要元件前设置保护性滤器。还应选择合理的过滤器精度,过滤器精度的选择取决于液压元件的耐污染程度和对固体污染物的敏感程度。过高的过滤精度,易使过滤器工作寿命降低,增加系统的阻力与维护工作量,而过低的过滤精度将不能满足液压元件的要求,形同虚设。

  液压系统的油污染与液压油的温度有很大关系,因而系统的主要回路上要设置具有足够冷却能力的冷却器。对于大型液压系统还需设置专门的冷却循环油路。对于连续工作的闭式系统应设置热能释放装置,并配置相应的辅泵为其补油,而且要对主泵进行强制冷却。

  根据不同的系统选择合适的液压油是防止油污染的关键。液压油的选择应根据系统的特点、环境条件来确定,并注意要与系统中所使用的材料、密封件、密封剂相匹配。对船舶甲板起重机械中一般使用粘度指数大于100、在工作温度下粘度不低于40eSt、加抗磨添加剂的矿物油基液压油;对船舶舵机系统应采用专用舵机液压油。

  (2)防止污物在系统安装时侵入

  元件安装前必须进行台架试验或试运转,对元件进行加载、高压跑合和清洗,并采用“干装配”法,即在装配前应先用干燥的压缩空气将其吹干,确认各元件符合污染度要求才可安装。在装配液压系统时,注意清除管道连接部位的焊瘤和焊渣,防止杂质留在系统中。油箱在安装前要彻底清洁干净,油箱内壁要进行特别处理,防止漆皮、铁锈对系统污染,并且油箱要加装有效的防尘装置。

  (3)加强使用维修过程中的污染控制

  船舶使用时严禁随意打开油箱盖,以防异物进入液压系统;注意防尘防水,保持液压系统的封闭性;定期检查液压油,项目见表3。当液压油化验指标降到表4各值时应更换,换油时应将油箱内部的旧油全部放完并冲洗干净;新油加入油箱前,必须进行24h沉淀处理并过滤,过滤精度不得低于系统要求的过滤精度;加油时注意油桶口、油箱口的清洁,将流入油箱的主回油管路拆开,用临时油桶接油,点动油泵,使新油将管道内的浊油置换出来,在系统管路和元件充满油后,油箱油量应保持在规定的油位范围内。

表 3  液压油污染变质外观的判断与处理措施

外表颜色 气味 状态 处理措施
透明无变化 正常 照常使用
透明但色变淡 正常 混有别种油液 检查粘度, 如符合要求, 可继续使用
变混浊 正常 混有空气和水 分离出水, 换一半油或全部
变深发黑 有异味 氧化变质 全部换油
透明但有小黑点 正常 混有杂质 过滤后使用换油
透明而闪光 正常 混有金属粉末 过滤或换油

表 4  液压油污染变质的外观判断与处理措施

序号 液压油图案及颜色 污染程度 处理措施
1 油滴中心呈浅淡色, 外圈不明显, 扩散性很强, 污染物少 纯净油 继续使用
2 油滴中心颜色很淡, 外部有混圈, 扩散性很强, 污染物中等 污染较轻 可继续使用
3 油滴有分布均匀的暗色, 中心、外圈清晰 污染较严重 换油
4 油滴有分布均匀的暗色, 外圈很清晰, 其颜色随污染程度而加深 污染严重 必须换油

 

  在维修过程中,对元件的清洁度应有严格的管理制度,避免带入新的污染物。通过对油液污染的测定及采取的控制措施,可以有效地防止系统中固体颗粒、水分、空气等对油液的污染。实践证明,通过对液压系统油污染的全面控制,可以有效地降低因油污染而造成的故障,稳定液压系统的工作,延长液压元件的使用寿命。

  在液压系统中,液压油的污染与控制已成为厂家和使用者普遍关注的问题。日前液压油的污染已影响到液压技术的普遍推广与使用,特别是船用液压系统管理水平更加滞后。因此,必须引起足够的重视,加强液压油的技术管理,加大科技含量,提高管理水平;同时增强对液压油的污染与控制意识,加强对液压油污染的检测,只有这样才能更大限度地减少船用液压系统的故障率。另外建议在有条件的情况下,对于船用大型液压系统,实行在线检测和故障诊断系统。

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