液压系统颗粒杂质污染的形成及原因
1、颗粒杂质的形态
颗粒杂质的尺寸一般为0.5 ~ 200μm。最关键的颗粒杂质尺寸为5 ~ 15μm。肉眼无法看到的这些微粒对液压系统的性能影响极大。人体视力可观察到40μm的颗粒。
颗粒杂质可分为软质颗粒和硬质颗粒。
软质颗粒-凝聚物、聚合物、棉绒纤维等。
硬质颗粒-切屑、外界侵入的微粒、系统内部的磨损产物及氧化物等。 硬质颗粒危害最大。
2、颗粒杂质引起的失效模式
• 突发失效-尺寸较大的颗粒进入了运动间隙或流道,妨碍了元件表面间的相对运动,造成卡死。
• 渐发失效-小尺寸的颗粒进入运动副间隙或流道,充当磨料,产生链式反应,引起材料表面的磨损,使运动间隙增大或密封面破坏,造成元件的内部泄漏。
磨损是机械设备运行中一个普遍存在的严重问题,渐发失效是液压元件失效的主要模式。
3、颗粒杂质污染的磨损机理
颗粒污染物参与元件表面磨损过程的主要方式是磨粒磨损和冲蚀磨损。
• 磨粒磨损-进入元件运动副间隙内的坚硬颗粒物嵌入其中较软的材料表面,在相对运动中对另一表面产生切削作用。
磨粒磨损是颗粒污染磨损最主要的磨损机理, 尺寸等于或略大于运动间隙的颗粒危害最大。
• 冲蚀磨损-高速液流所夹带的颗粒污染物对元件表面或边缘的冲击造成的磨损。
颗粒杂质污染的危害
1、颗粒杂质的尺寸与元件间隙之间的关系
大尺寸颗粒物不能进入元件间隙。尺寸与间隙相当的颗粒污染物进入元件间隙,并淤积于间隙中卡死、阻塞间隙,损坏工作表面。小尺寸颗粒物自由通过元件间隙,但对元件表面产生冲蚀磨损。
液压元件内部表面很多部位的间隙在0.5 ~ 40μm之间,所以小于40μm(特别是小于5μm)的颗粒杂质对元件的危害最大。
液压元件的典型间隙
齿轮泵 | 间隙/μm | 叶片泵 | 间隙/μm | 柱塞泵 | 间隙/μm | 液压控制阀 | 间隙/μm |
齿轮与侧板 | 0.5 ~ 5 | 叶片侧面 | 5 ~ 10 | 柱塞与缸孔 | 5 ~ 40 | 电液伺服阀 | 1 ~ 4 |
齿顶与泵体 | 0.5 ~ 5 | 叶片顶端 | 0.5 ~1 | 配流盘缸体 | 0.5 ~ 5 | 电液比例阀 | 1 ~ 6 |
普通液压阀 | 2 ~ 23 | ||||||
液压缸 | 50~ 250 |
2、磨损的链式反应
未能除去的小颗粒在液压元件间隙中循环时就可能切削或磨损金属表面而增加新的污染颗粒。如第一次通过间隙的颗粒是一个,它与金属表面相互作用可能切下数个颗粒,这就是磨损的链式反应。
3、颗粒杂质对液压元件的危害
不同的液压元件,其受颗粒污染导致失效的方式和部位是不同的。元件间隙表面受污染颗粒磨损的过程,亦可能是不同磨损机理同时作用的结果。
泵类元件:污染颗粒使液压泵的相对运动部件产生磨损或卡死,造成泵的性能降低或失效。如柱塞泵中的柱塞和缸孔、滑靴和斜盘、滑靴和柱塞头部、缸体和配流盘;叶片泵中的叶片和叶片槽、转子端面和配流盘;齿轮泵中的齿轮端面和浮动侧板、轮齿和泵体等零部件。
阀类元件:污染颗粒会加速相对滑动表面和阀口的磨损,堵塞节流孔或阻尼孔。使阀的性能变差或动作失灵。
对于液压缸:污染颗粒会加速密封件的磨损使泄漏量增大。
三、液压油污染的综合控制
1、系统应有的清洁度
液压系统应有适当的清洁度,清洁度太低元件会过早失效,追求过高的清洁度将导致运行成本增加。
系统应有清洁度的参考值
电液伺服阀 | A | B | C | D | E | ||||
电液比例阀 | A | B | C | D | E | ||||
变量柱塞泵 | A | B | C | D | E | ||||
定量柱塞泵 | A | B | C | D | E | ||||
叶片泵 | A | B | C | D | E | ||||
齿轮泵 | A | B | C | D | E | ||||
插装阀 | A | B | C | D | E | ||||
普通液压控制阀 | A | B | C | D | E | ||||
清洁度等级ISO 4406 | 12/10/7 | 13/11/9 | 14/12/10 | 15/13/11 | 16/14/12 | 17/15/12 | 17/16/13 | 18/16/13 | 19/17/14 |
2、主动维护
由于液压系统 70% ~ 85% 的故障是因油液污染引起的,那么对油液的清洁度进行主动的控制将会大大减少液压系统的故障。因而对油液清洁度进行主动控制也就是对液压系统进行主动维护。
主动维护就是在设备正常运行时采取一些必要的维护活动,通过检测可能导致失效的系统根源性参数,及时纠正根源性异常工况,以保持设备正常工作状态。
主动维护的重点:检测可能导致材料损坏的系统根源性参数,如油液清洁度、材料理化性能及温度等,通过维护措施保持基本参数在允许范围内。
主动维护的目的:防止故障发生和延长设备运行寿命,把液压设备的发生故障或失效可能性减至最小。
经验和研究表明:液压系统中油液的污染是最主要的失效根源,而且它与其他失效根源有直接的关系,因此油液污染监控是液压系统主动维护的关键措施。
油液污染监控的主要内容:
(1)确定达到预期的设备寿命所需的油液清洁度等级(目标清洁度值)。
(2)为达到上述系统油液清洁度目标值选择或改善过滤装置。
(3)定期检测系统的油液清洁度,如超出允许范围,应及时采取措施。
通过控制故障或失效的诱发因素——油液污染度来根除故障或失效的发生。