控制液压液的污染

作者：Parker Hannifin Ltd

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 今天的制造环境对生产机械提出了严格的要求。为了追求最高的生产效率、质量和产量，用户需要可以产生更大的动力且更精确的设备。例如，金属薄板的生产中工艺步骤的简化需要更大的压制工具，因此也就需要动力更强大的压力机。在采矿和建筑行业，较高的设备功率是减小挖土操作中的时间和人力成本的关键。为了得到更紧的公差，减少或消除二次抛光操作，同时还需要设备具有非常高的精密度。 商业需求带来了各种各样的挑战。运营者希望机械可以更快地运转，以缩短部件的循环时间。他们还希望最大程度地利用设备，让生产线运转更长时间，实现部件之间的快速自动转换，延长维护周期。最重要的，他们不希望出现由于设备故障而导致的非计划性停工。由于许多操作过程都包括多台设备，因此经济的生产就需要每一个部件在运转时都要具有非常高的稳定性。 对于在严苛工况下高度稳定运转的设备来说，液压技术仍然是最有效的产生强大力量的方法，而且速度可以接受。但是，液压技术在某些应用中可能具有相当重要的缺陷。例如，在钻探和维护操作中，液压液可能会混入灰尘、水和磨损粒子等形式的污染物。 时间一长，这种污染会对密封、泵、气缸、阀门和其他部件造成严重的损坏，从而降低设备性能，最终导致重大故障。这样的故障不仅维修起来代价昂贵，还会中断生产循环。在许多现代化的生产环境中，延长的运转周期和快速的循环时间提高了液压液被污染和破坏的风险，据估计，工业界有85%以上的液压系统故障是由液压液污染导致的。 液压设备对外来污染物的敏感部分是源于其制造过程中极小的公差，例如泵和电机等部件的公差通常在0.5-5微米之间。那些非常微小、肉眼看不到的粒子很可能会导致这些部件的损坏。实际上，大多数造成损坏的污染物直径是小于14微米的 ：大约等于人类血球的大小。污染物具有不同的破坏机制。当粒子被拖拽到机加工表面的另一端时，就会造成磨蚀损坏。高速润滑油中的粒子也会腐蚀部件边缘和表面。通过阻止表面之间的润滑油膜，污染物粒子还会导致金属和金属之间直接接触，造成粘着磨损，如此一来，焊接在一起的表面在部件移动时就会裂开。滞留在表面的粒子还会造成表面的裂痕，并最终导致部件的疲劳失效。 然而，要将污染物阻挡在液压系统之外几乎是不可能的。即使在系统第一次试运行之前，在制造商、装配商和运输商那里，它就已经带上了大量的微粒。用于填充系统的新的液压液也可能含有大量的污染物。一旦设备开始运转，污染物就会在工作的液压系统内高速累积。即使在清洁室内，微粒也会以大约100万/分钟的速度进入液压系统内。在室内生产环境中，污染物的累积速度可能要快上十到一百倍。然而在肮脏的室外建筑场合或采矿环境下，可能会有几百万甚至更多的微粒进入系统。 除了固体微粒，液压液中溶解或滞留的水也会造成巨大的损坏，因为水会腐蚀或破坏添加在液压液中的添加剂，使其失去保护部件和延长设备服务寿命的能力。浓度较小的水也会大大缩短部件的使用寿命。例如，百万分之100-250的污染水平可以使一个轴承的寿命减半。 通常，液压设备制造商会参照ISO 4406:1999的标准，指定液压油系统的清洁程度。这个标准是通过计算100ml的液压液样品中，大于4、6和14微米的粒子数来估算污染水平的。 实际上，通过肉眼目测是不可能估计液压液的污染的。虽然高度的污染可能会导致浑浊或者在液体中形成可见粒子，但大多数损坏是由非常微小的肉眼看不到的微粒造成的。在高温条件下，例如工业应用中的恶劣工况，液压液可能会吸收大量的水分，但是看起来仍然清澈。 在液压液系统的维护中，便携式粒子计数器是一种重要的工具。这种工具可以在现场快速鉴定系统中的微粒水平，它已成为液体系统中固体水平的实用监测方法。这种工具可以精确重复地报告尺寸在4微米以下的颗粒水平，而且还具有重量轻、便携和可靠等优点。 激光粒子计数器每次检测通常需要两分钟，可以提供便携的计数和清洁度代码。在从系统中取样时，必须小心确保样品具有代表性。ISO 4021 (1992)是从运转中的液压系统中提取液体样品的常用标准，而且在取样全程都要遵守。在标准方法中，取样之前，系统至少应该在同一温度下运转30分钟，阀门必须打开冲洗至少15分钟，干净的样品瓶在液体和阀门为采样做好准备之前，必须密封。 在某些情况下，例如，有理由需要进行水污染的检测或系统液体的粘度分析时，样品应该被送往经过认证的实验室。实验室的光谱分析还会指出液体中添加剂的状态，确定金属微粒的性质，这对判断内部磨损所导致的污染源是有用的。 过滤延长设备寿命 消除被污染的液压液的损害，最好的办法是安装在线过滤系统，在微粒进入敏感部件之前将它们捕获。这种系统的设计规范需要格外地仔细。过滤器会阻止流体的流动，从而降低液压回路的效率。如果它们的设计或尺寸不恰当，整个过滤器上的压力损失可能会显著降低液压系统的效率，增加能耗，并带来热量管理方面的困难。最糟糕的是，错误的过滤器实际上会降低整个系统的性能，降低运转速度，并影响产品质量。 除了机械本身的性能，正确的过滤器选择必须考虑整体的运行条件。过滤器本质上要进行定期清洁和替换，以确保设备的高效运转。过滤器组件要确保其干扰频率与设备的整体维护策略相匹配，以将与过滤器维护相关的成本和破坏减至最低。 用于工业液压设备的过滤系统设计商和制造商一直在改进他们的设计，以将性能最大化，同时将缺陷最小化。在本文的剩余章节，我们将介绍一些设计上的改进，以及他们在过滤系统性能和稳定性方面所作的工作。 过滤器的设计 过滤系统设计的许多方面都影响着过滤器的压降。首先是过滤材料本身。玻纤制成的过滤材料分为多个不同的级别。这些可以捕获更小的微粒的材料比结构更开放的过滤器对流体的阻力越大。总之，系统的压降取决于所用材料的类型和等级，以及应用场合。如果采用相同的材料，过滤器越大，对流体的阻力越小，当然采购成本越高，而且可能难以安装在系统的最佳位置上。在移动式液压设备上，过滤器的尺寸和位置非常重要，因为设备上的空间可能非常有限，设计者必须既要保证过滤器设备免受损坏，又要使其便于维护。 不同的过滤材料还具有不同的容尘率（过滤器可以容纳的一定尺寸的材料的数量）。这种能力有助于确定过滤器使用寿命。为延长过滤系统的寿命，像派克汉尼汾等制造商采用了多层不同的过滤材料，以确保较大的粒子不会过早的覆盖最精细的过滤材料。这种层压结构也有助于将潜在的介质迁移减至最低，因为玻纤材料的碎屑可能会断裂而进入下游的油液中。 最近，过滤材料方面有了一些进展，标准玻纤材料的成分和结构得以改进，从而提高了它们的强度和容尘率，同时还降低了它们的流体阻力。举个例子，派克汉尼汾的Microglass III材料与传统过滤材料相比，通常可以将过滤器的动态压力降低8%，同时将容尘率提高15%。 过滤器流体表面的材料和表面质量也是至关重要的。派克汉尼汾过滤器通常在过滤器前端采用球墨铸铁（SGI）材料和冷拔钢杯：所选用的每种材料要确保合适的强度、可加工性和良好的表面质量。同样的，制造和组装过程中的高度精密性可以确保制造过程中实现所需的流体性能。 为了将大面积的过滤材料放入过滤器内，制造商采用了打褶设计。这些褶皱的精确设计和强度会影响过滤器性能。在褶皱的折叠处，过滤材料中的纤维被压缩，从而限制油液的流动。 为了减小这种影响，派克汉尼汾过滤器采用更大的U形褶，替代了传统的硬V形折痕。由于采用这种方法得到的每个褶都略大，设计要精确平衡过滤材料褶皱数量和过滤器内褶皱填充材料之间的关系，以得到所需的流体阻力。 褶皱在使用中需要弯曲一些，以吸收来自油液的能量，特别是在压力工具中，瞬时压力会有巨大的变化。但是，过于弯曲会降低材料的容尘率。 过滤器的选择因素 制造或建造行业选择液压油过滤解决方案时，工厂经理或维护人员可能会认为进行生命周期成本预测是具有指导意义的。过滤装置的整体成本包括原始系统的采购和运输成本，以及过滤元件的替换成本；还包括过滤器更换时的废油成本，以及系统性能下降时设备运转所造成的能耗的增加。 在过滤器的整个使用期内，上述某些性能可能会发生显著的变化。例如，两种不同的过滤材料在崭新状态下，可能会呈现出相同的压降；但运转过程中微粒不断累积，可能其中一种材料会出现更快的性能下降，同时能耗增加，并可能要较早地替换元件。 在水污染问题非常重要的部位，要安装吸收元件。这些元件中含有一种干燥剂，在油通过时可以吸收滞留的水分。但是，完全溶解在油中的水只能采用独立的真空脱水系统去除。 参数的选择也对生命周期成本有重要影响。例如，两倍大的过滤元件可以大大降低能量损失，将过滤元件的使用寿命延长3倍，因为额外的材料增加了容尘率。当然，这样做会增加初始的采购成本和过滤装置所需的总安装空间。 随着运营者对液压设备要求的不断提高，对于监测、维护和防护方面的关注将会越来越重要。熟练的维护人员以及严密恰当的维护策略将会把意外故障的可能性降至最低，正确的过滤解决方案应该成为维护策略的基本要素之一。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/10/2013)