技術(shù)交流
顆粒測(cè)試技術(shù)與污染控制平衡圖
應(yīng)用顆粒測(cè)試技術(shù)解讀液壓系統(tǒng)污染控制平衡圖
路 紅
摘 要 本文根據(jù)液壓系統(tǒng)污染控制平衡理論，論述了顆粒測(cè)試技術(shù)對(duì)于實(shí)施液壓系統(tǒng)污染控制的作用，簡(jiǎn)要介紹了用顆粒測(cè)試技術(shù)對(duì)液壓元件污染敏感度、過(guò)濾器過(guò)濾比β和液壓系統(tǒng)油液污染度的驗(yàn)證研究方法。
關(guān)鍵詞 顆粒測(cè)試技術(shù) 解讀 污染控制平衡圖
1 前言
顆粒測(cè)試技術(shù)的誕生為液壓系統(tǒng)污染控制的理論研究和實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)費(fèi)奇（E.C.Fitch）教授在上世紀(jì)六、七十年代應(yīng)用顆粒測(cè)試技術(shù)開(kāi)展了液壓系統(tǒng)污染控制平衡理論研究，其研究精髓和成果“污染控制平衡圖”如圖1所示。
圖中：ω－污染耐受度指數(shù) PNT－設(shè)備應(yīng)用對(duì)元件或系統(tǒng)提出的工作周期或操作條件 P－工作壓力
N－速度 T－時(shí)間 AW－系統(tǒng)油液提供的抗磨特性 DR－元件對(duì)污染物磨損的設(shè)計(jì)阻抗
β－過(guò)濾器的過(guò)濾比 Q－過(guò)濾器流量 Ri－系統(tǒng)污染侵入 Nd－下游污染度
該圖深刻揭示了液壓元件的使用壽命與各因素間的關(guān)系。不僅為液壓系統(tǒng)污染控制工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了理論依據(jù)，也為顆粒測(cè)試技術(shù)在污染控制工程實(shí)施的各階段提供了用武之地。筆者單位在上世紀(jì)八十年代末，設(shè)計(jì)制造了污染控制試驗(yàn)裝置，應(yīng)用顆粒測(cè)試技術(shù)，為某重點(diǎn)型號(hào)液壓系統(tǒng)污染控制的設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證研究，得出了液壓元件污染耐受度、液壓元件自身清潔度、液壓元件污染顆粒再生、系統(tǒng)過(guò)濾器過(guò)濾比（β）值和優(yōu)化配置方案等的大量寶貴數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師根據(jù)驗(yàn)證研究資料，規(guī)劃出經(jīng)濟(jì)合理高效的系統(tǒng)污染控制平衡方案，采用該方案設(shè)計(jì)制造的液壓系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，污染度控制水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。2006年，我們單位又研制完成了大型污染控制平衡調(diào)試臺(tái)，多年探索研究的經(jīng)驗(yàn)積累和先進(jìn)完善的硬件設(shè)施，可為液壓系統(tǒng)和重要元件的污染控制研究提供更全面的技術(shù)保障。
2 液壓元件的顆粒測(cè)試分析
液壓元件的污染耐受度ω是污染控制平衡工程中最重要的輸入，而潛在、再生顆粒污染對(duì)液壓元件污染物磨損的設(shè)計(jì)阻抗DR和系統(tǒng)油液提供的抗磨特性AW設(shè)計(jì)和選擇，也是不容忽視的。
2.1污染敏感度和污染耐受度
污染敏感度和污染耐受度是含義相反、相輔相成的一對(duì)參數(shù)。污染敏感度是液壓元件的性能和壽命受油液中顆粒污染物影響的程度，而污染耐受度則是一定工作條件下，液壓元件能夠耐受的各種顆粒尺寸分布的最大污染濃度。液壓元件的污染敏感度越高，其對(duì)污染的耐受程度就越低。評(píng)定元件的污染敏感度試驗(yàn)粉塵尺寸的分級(jí)需用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法測(cè)試驗(yàn)證。液壓元件污染敏感度和耐受度試驗(yàn)驗(yàn)證的目的是決定保護(hù)該元件所需設(shè)置過(guò)濾器的過(guò)濾比指標(biāo)，驗(yàn)證方法是：在裝有該元件并經(jīng)凈化的試驗(yàn)系統(tǒng)中，旁通凈化過(guò)濾器，根據(jù)元件的精密程度按一定的速率加入不同尺寸范圍的試驗(yàn)粉塵，如（0～5）μm或（0～20）μm或0～80)μm，通過(guò)測(cè)試分析污染磨損引起的流量和壓力等相關(guān)參數(shù)衰降，確定該元件對(duì)某一尺寸范圍的顆粒敏感如（0～20μm）。某液壓元件究竟能在何種污染的油液中保證其可靠性和壽命，某閥究竟能容許通過(guò)最大尺寸的顆粒？當(dāng)設(shè)計(jì)員掌握了系統(tǒng)所用元件各自的污染耐受度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就可以區(qū)別對(duì)待它們，如對(duì)污染敏感元件可增加自含式前置保護(hù)過(guò)濾器。
2.2 再生顆粒污染
再生顆粒污染測(cè)試一般用于運(yùn)動(dòng)元件在液壓系統(tǒng)運(yùn)行中脫落顆粒的狀況分析，這些再生顆粒污染物在系統(tǒng)中循環(huán)往復(fù)越來(lái)越多，尺寸多大？多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)某元件到底會(huì)再生多少顆粒？多長(zhǎng)時(shí)間能達(dá)到相對(duì)的污染平衡狀態(tài)？在重要液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)尤其應(yīng)該試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證方法是：選擇系統(tǒng)裝機(jī)的重要元件，如電磁閥、泵等，模擬所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的流量、壓力和油液體積等參數(shù)，在試驗(yàn)油液凈化達(dá)到要求后（可根據(jù)系統(tǒng)精密程度確定），旁通凈化過(guò)濾器，按設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔，用在線自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試所關(guān)注的顆粒尺寸，如2μm、5μm，15μm，直至達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，試驗(yàn)驗(yàn)證得出這些元件在實(shí)際工況中的污染生成，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的寶貴數(shù)據(jù)資料。
2.3 潛在顆粒污染度
液壓元件潛在顆粒污染度測(cè)試大多用于污染度指標(biāo)的驗(yàn)收。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)是高精密元件和管路組合成的集體，如果元件出廠沒(méi)有顆粒污染度要求，元件制造中的切屑、焊渣等顆粒隨裝配潛入液壓系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)就成了垃圾箱。系統(tǒng)運(yùn)行后油液嚴(yán)重污染，是造成液壓元件和系統(tǒng)初期損壞或故障的主要原因。
清除元件潛在的顆粒污染物，最好是采用各種適宜的方法清洗，如用清洗臺(tái)清洗，按元件要求的極限條件工作，使其內(nèi)部的顆粒污染物充分釋放并被凈化過(guò)濾器濾除，用在線自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器定時(shí)測(cè)試分析，直至達(dá)到元件規(guī)定的顆粒污染度水平；如用超聲波清洗，首先要調(diào)整超聲波的功率，還要保證不斷更換符合污染度要求的清洗液，用凈化瓶采樣、離線自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)法測(cè)試，直到達(dá)到元件規(guī)定的顆粒污染度水平。我國(guó)某行業(yè)頒布的重要元件污染度驗(yàn)收水平標(biāo)準(zhǔn)要求：液壓泵為7級(jí)（GJB 420A），電液伺服閥6級(jí)等。規(guī)定元件出廠前要進(jìn)行清洗，測(cè)試顆粒污染度，直至合格。
3 過(guò)濾器過(guò)濾比
從污染控制平衡圖可以看出，過(guò)濾器是液壓系統(tǒng)實(shí)施污染控制的關(guān)鍵，過(guò)濾比β與系統(tǒng)要求的污染度水平相適應(yīng)，是達(dá)到污染控制平衡的必要條件。用多次通過(guò)法測(cè)試過(guò)濾比的試驗(yàn)原理見(jiàn)圖2。
圖中：1 油箱 2 泵 3 被試過(guò)濾器 4 顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng) 5 調(diào)節(jié)閥 6 凈化過(guò)濾器 7 流量計(jì) 8 熱交換器
9 溫度傳感器10 取樣閥 11 壓差指示器 12 壓力表
圖2 多次通過(guò)試驗(yàn)原理圖
多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)由試驗(yàn)、污染物注入和顆粒計(jì)數(shù)三個(gè)子系統(tǒng)組成。試驗(yàn)開(kāi)始，將污染物注入系統(tǒng)的試驗(yàn)粉塵濃縮液以一定速率連續(xù)不斷地注入試驗(yàn)油箱，濃縮液在試驗(yàn)油箱混合均勻后，通過(guò)液壓泵流入過(guò)濾器，過(guò)濾器濾除大于其微孔尺寸的顆粒，截留部分等于或小于其微孔尺寸的顆粒，而大部分小于其微孔尺寸的顆粒因未被濾除而多次在試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)。顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)配置的兩只傳感器，定時(shí)測(cè)試幾十至幾百組過(guò)濾器上游不同尺寸段顆粒分布Ri（模擬實(shí)際系統(tǒng)工況）和下游相同尺寸段顆粒分布Nd，直至過(guò)濾器壓降達(dá)到規(guī)定值時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，計(jì)算Ri和Nd的比值得出過(guò)濾 表1 過(guò)濾器在不同尺寸段的平均過(guò)濾比和平均過(guò)濾效率
|
粒徑μm |
＞5 |
＞7 |
＞10 |
＞12 |
＞15 |
|
平均過(guò)濾比β |
3.8 |
20.2 |
139.8 |
569.1 |
3185.8 |
|
平均過(guò)濾效率η |
73.7 |
95.0 |
99.3 |
99.8 |
100 |
4 油液污染度
污染控制平衡圖左端Nd不僅代表過(guò)濾器下游的污染水平，還可作為污染控制平衡驗(yàn)收階段的輸出參數(shù)，用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試得出油液?jiǎn)挝惑w積中不同尺寸的顆粒數(shù)，即油液的固體污染度水平，是液壓系統(tǒng)實(shí)施污染控制的成果，代表了整個(gè)液壓系統(tǒng)的污染控制狀態(tài)。用Nd來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)污染狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。而衡量的判據(jù)是各行業(yè)制定的污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如GJB420B《航空工作液固體污染度分級(jí)》、GB/T14039《液壓傳動(dòng) 油液 固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)》等，根據(jù)測(cè)試得出每100 mL液樣中不同尺寸固體顆粒污染物的數(shù)量，得出固體污染度等級(jí)。如GJB420B標(biāo)準(zhǔn)中的污染度分級(jí)見(jiàn)表2。
表2 污染度分級(jí)（單位為顆粒數(shù)每100mL）
|
尺寸代碼 |
A |
B |
C |
D |
E |
F |
|
|
尺寸 |
>1μm a |
>5μm |
>15μm |
>25μm |
>50μm |
>100μm |
|
|
>4μm（c）b |
>6μm（c） |
>14μm（c） |
>21μm（c） |
>38μm（c） |
>70μm（c） |
||
|
污染度等 |
000 |
195 |
76 |
14 |
3 |
1 |
0 |
|
00 |
390 |
152 |
27 |
5 |
1 |
0 |
|
|
0 |
780 |
304 |
54 |
10 |
2 |
0 |
|
|
1 |
1560 |
609 |
109 |
20 |
4 |
1 |
|
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
12 |
3200000 |
1250000 |
222000 |
39200 |
6780 |
1020 |
|
|
注a 使用ACFTD標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)或使用光學(xué)顯微鏡測(cè)試的尺寸，計(jì)量單位為微米，用μm表示。 |
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5 結(jié)束語(yǔ)
自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器和測(cè)試技術(shù)引進(jìn)我國(guó)近三十年，完成污染測(cè)試控制從粗放重量法到精益數(shù)量法的飛躍，促進(jìn)了各行業(yè)流體污染控制技術(shù)的進(jìn)步。但是，該技術(shù)的應(yīng)用范圍和水平很不均衡，應(yīng)用好的行業(yè)不僅對(duì)液壓元件和系統(tǒng)污染控制平衡開(kāi)展了卓有成效的研究，編制完成了重要元件的污染度驗(yàn)收水平、不同液壓系統(tǒng)污染度驗(yàn)收和控制水平的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，典型工程的污染控制總體水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。而占儀器總數(shù)80%甚至更多單位的儀器只用來(lái)測(cè)試油液污染度，對(duì)系統(tǒng)污染控制中出現(xiàn)的問(wèn)題，采取頭痛醫(yī)頭的方法對(duì)付，筆者認(rèn)為是對(duì)自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器和先進(jìn)測(cè)試技術(shù)寶貴資源的浪費(fèi)。
應(yīng)用顆粒測(cè)試分析技術(shù)粗略解讀液壓系統(tǒng)污染控制平衡圖，旨在拋磚引玉，使液壓系統(tǒng)和液壓元件的設(shè)計(jì)者、制造者和使用者，更深刻認(rèn)識(shí)顆粒測(cè)試分析技術(shù)在液壓污染控制平衡工程實(shí)施中的作用，讓顆粒測(cè)試分析技術(shù)更好的為我們的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用服務(wù)，使我們?cè)谖廴究刂频膶?shí)施中少一些以偏蓋全的局限，多一些系統(tǒng)全局的觀念，以推動(dòng)液壓污染控制技術(shù)的快速發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
⑴ 夏志新 液壓系統(tǒng)污染控制 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1992
