工程機(jī)械液壓油水污染分析與檢測研究

黃雅琨　耿以娜　張鐵　徐經(jīng)顧　鄒亦璠　劉成強(qiáng)

摘?要：液壓傳動是以液壓油為介質(zhì)進(jìn)行動力傳動的一種傳動方式，在工程機(jī)械行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。液壓油可以傳遞動力，還能起到對運(yùn)動部件的潤滑和防銹的作用，水侵入液壓油會造成運(yùn)動部件磨損和液壓油的污染變質(zhì)，造成設(shè)備的損壞。本文以液壓油為研究對象，分析了液壓油含水的原因，如何監(jiān)測和預(yù)防，為提高液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：液壓傳動;液壓油;水污染;檢測

中圖分類號：TH137;TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

液壓傳動是一種重要的機(jī)械傳動形式，具有布局靈活，功率密度比大、調(diào)速方便，控制靈活等特點(diǎn)，在工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。液壓傳動是以液壓油作為傳動介質(zhì)進(jìn)行的動力傳遞，液壓油是液壓系統(tǒng)能夠正常工作的重要組成部分。

液壓油是液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量從液壓泵傳動到執(zhí)行元件的傳動介質(zhì)，液壓油對液壓系統(tǒng)的作用類似于人體血液對人體健康的作用，對維持液壓系統(tǒng)的功能和保證液壓設(shè)備健康運(yùn)行具有重要的作用和意義。由于工作環(huán)境惡劣和外界的干擾，液壓系統(tǒng)的液壓油在工作過程中會產(chǎn)生外界的污染，會有固體顆粒物、水等其它介質(zhì)的侵入，造成液壓油的污染和產(chǎn)生液壓系統(tǒng)及設(shè)備的損壞。本文分析了液壓油含水污染的途徑和檢測與排除方法，為提高液壓系統(tǒng)的可靠性和液壓油的壽命提供理論指導(dǎo)。

1 液壓油中水分的侵入形式

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，液壓系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用到工程機(jī)械，建筑機(jī)械和機(jī)床等設(shè)備上，大大地提高了工作效率。液壓系統(tǒng)使用不當(dāng)時，容易受外界污染物污染使其失效或出現(xiàn)故障。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)的故障80%是由于液壓油的污染造成的。液壓油污染物主要包含空氣、固體顆粒物、水等。水分侵入液壓系統(tǒng)也會造成液壓油的嚴(yán)重污染，水分可通過多種形式侵入液壓油中造成液壓油污染，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障。[1，2]

（1）一般開式液壓油箱蓋上都設(shè)有通孔，大氣壓力作用在液壓油面，以便能夠使油泵吸油，某些時候空氣中的水分冷熱交替后通過通孔進(jìn)入油箱。

（2）液壓系統(tǒng)在使用過程中，如果在潮濕的環(huán)境中或者下雨天工作，空氣中的水分有可能會冷熱交替凝結(jié)成水珠進(jìn)入液壓油中，或者在油箱中存在溫差使空氣中水氣冷凝，從油箱壁面落入油箱的液壓油中;而這樣的外界因素?zé)o法避免。

（3）另外，液壓系統(tǒng)使用時間過長，而檢修的周期過大，一些零件的損壞不容易被發(fā)現(xiàn)進(jìn)行替換，也比較容易使液壓油中摻進(jìn)去雜質(zhì)。水分可能通過已損壞的液壓缸缸體與活塞桿密封處進(jìn)入油中;或者液壓裝置的某些零件焊接、聯(lián)接部位等密封不嚴(yán)緊，油箱上的雨水也會滲入油箱。液壓油在保存過程中，如果桶蓋上的橡膠圈密封不緊實(shí)，水就可能滲漏進(jìn)去，造成液壓油污染。

（4）水冷系統(tǒng)的滲漏以及液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身的缺陷也都有可能會使會使液壓油中水分的侵入。

（5）日常保養(yǎng)，清洗、換油未被徹底放盡，維修過程中帶入水分，有些液壓設(shè)備維修后用金屬清洗劑清洗液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的水分未被完全清理干凈，也會使得液壓油中摻雜水分，對液壓系統(tǒng)造成一定惡劣的影響。

（6）有些液壓油自身含水量比較大，需要進(jìn)行多次過濾才能投入使用，但并不能保證過濾后的液壓油完全不含有水分，所以這也成為了液壓油中含有水分的潛在因素。

2 液壓油中含水的危害及表現(xiàn)形式

液壓油在保管、運(yùn)輸、儲存、抽注和使用過程中，水分會侵入到液壓油中，所以當(dāng)液壓油中摻雜水分時，不可避免的會對液壓系統(tǒng)、液壓裝置造成一定有損害的影響。水在液壓油中存在溶解水、游離水和乳化水3種形式。其中游離水、乳化水的危害較為嚴(yán)重，導(dǎo)致液壓油提前報廢、老化失效，液壓系統(tǒng)故障。

工程機(jī)械在使用過程中，受到外界因素的影響，水分很容易侵入液壓油。水的存在能使液壓油對金屬的腐蝕作用加劇，氧化作用加大。一旦油中含有過量水分并被分解成大量游離水，這些游離水會大大加快液壓油的氧化，惡化配合表面的潤滑，使?jié)櫥湍さ男纬刹灰?，形成的油膜質(zhì)量變差，支撐能力降低，表現(xiàn)為油膜強(qiáng)度性能和厚度降低，使運(yùn)動表面產(chǎn)生接觸，造成磨損、粘著和發(fā)熱，以及對金屬部件的保護(hù)不夠，容易生銹或受到腐蝕。[3，4]

水進(jìn)入油中可能會使液壓油乳化，生成極難破壞的乳化液，使得液壓油變質(zhì)，減少了液壓油的使用壽命。這種白濁狀態(tài)乳化油會使液壓元件生銹，乳化液生成油垢，會堵塞濾油器、油泵和控制閥，加劇機(jī)械裝置的磨損，引起系統(tǒng)工作的各種故障。

水進(jìn)入液壓油中，使液壓裝置中的鐵質(zhì)零件生銹以后，油箱內(nèi)的水蒸氣可能會造成油箱油面以上部位出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，鐵銹掉落到液壓油中后，脫落的鐵銹形成油泥在油路中流動，導(dǎo)致液壓元件堵塞卡死，使液壓閥系動作失靈，也可能造成過濾器堵塞，降低精過濾效果，這樣增加了過濾成本，更會造成液壓系統(tǒng)的故障和機(jī)械裝置的加速磨損。

水進(jìn)入油中后，會使液壓油粘度降低，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)內(nèi)部漏油嚴(yán)重，噪聲增大，溫度升高，液壓執(zhí)行元件運(yùn)動速度降低、動作緩慢無力，液壓系統(tǒng)工作效率降低。

水會與液壓油中的某些添加劑產(chǎn)生反應(yīng)，使得添加劑被損耗，降低了液壓油的使用性能，并且會產(chǎn)生沉淀、膠質(zhì)等污染物，加速油的惡化。

存在于液壓油中的水分，在低溫時容易凝結(jié)成冰，一定程度上降低液壓油的流動性，堵塞液壓元件的間隙和死口，在較高的工作溫度下會與液壓油發(fā)生氧化反應(yīng)，增加了油的酸性，對液壓元件造成腐蝕，降低了金屬部件的使用壽命。

一旦液壓油中含有大量水分，微生物的繁殖速度會變的極快，大大惡化了液壓油的物理性能和使用性能，加大了換油成本和液壓系統(tǒng)的清洗成本。

當(dāng)水分和空氣同時侵入液壓油時，空氣的侵入更增加了液壓油生成氣泡的可能性，降低了液壓油的彈性模量，使液壓油的潤滑性下降，磨損增大，執(zhí)行元件運(yùn)動不平穩(wěn)，產(chǎn)生爬行和沖擊現(xiàn)象，更進(jìn)一步增大了磨損。

3 液壓油含水的檢測方法

水分侵入液壓油時液壓油的特性或水本身的特性，如密度、粘度、介電穿透性、參加化學(xué)反應(yīng)的能力以及對各種射線能量的吸收程度都會發(fā)生變化，液壓油含水分的測定原理就是利用這些變化與純凈的液壓油進(jìn)行特性對比。[5]

液壓油是否含水分的簡單判斷，可以通過爆裂試驗(yàn)、試管聲音試驗(yàn)、棉球試驗(yàn)等，在一定程度上直觀判斷液壓油是否含有水分，但并不能精確地得出液壓油含水分的多少，只能作為輔助的參考。為了精確的檢測液壓油有的水分需要設(shè)計(jì)專門的實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)監(jiān)測的時效性和空間性可分為在線檢測和實(shí)驗(yàn)室檢測。在線檢測可以采用電容閥和紅外線法等，實(shí)驗(yàn)室檢測可以有卡爾費(fèi)休法和蒸餾法。

3.1 實(shí)驗(yàn)室檢測

蒸餾法是采用一定量的試樣與無水溶劑混合，通過蒸餾過程將液壓油中的水分進(jìn)行蒸發(fā)和凝結(jié)，實(shí)現(xiàn)油水分離，測試液壓油中的含水量，測試原理和裝置簡單，但是測定的精確度較低且測試時間長，易受環(huán)境條件影響。

卡爾費(fèi)休法是利用化學(xué)原理進(jìn)行的一種檢測，類似于滴定方法。將標(biāo)準(zhǔn)卡爾試劑的油液滴定到靜電計(jì)的最終點(diǎn)，就可以測出一定油液容積中的游離水和溶解水的含量，然后與指標(biāo)對比，以判斷是否超出標(biāo)準(zhǔn)。該方法檢測精度高且速度快，但是操作復(fù)雜，對實(shí)驗(yàn)人員的技術(shù)和知識要求較高，需要從液壓油中采集出來一定量的液壓油，產(chǎn)生液壓油的浪費(fèi)，而且無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。

3.2 在線檢測

水和油對紅外線的吸收波段是不一樣的，近紅外線法是利用水分對特定波長的近紅外線的吸收來測定油液中的含水量，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測量，具有檢測速度快，非接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會受到液壓油中固態(tài)顆粒物的干擾，以及混入的其它吸收紅外線物質(zhì)的影響，測量范圍較小。

電容法根據(jù)電容大小與介電常數(shù)有關(guān)的原理，將被檢測的液壓油當(dāng)做介電介質(zhì)。液壓油的含水量的大小之間決定了介電常數(shù)的大小，檢測電容的大小就知道液壓油中含水量的大小。其工作原理簡單易理解，設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、可實(shí)現(xiàn)對液壓油的無損、無干擾的測量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動等惡劣條件下工作。

目前國內(nèi)對于液壓油含水量的主要研究方向就是基于電容法，融合各個學(xué)科研究新進(jìn)展，相互促進(jìn)。孫衍山等人采用聚酰亞胺水分子選擇性覆膜，設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)曲率雙螺旋電容水污染傳感器，利用介電常數(shù)的變化對油液含水率檢測的原理，同時為提高精度和避免干擾。滕懷波等研究的基于介電常數(shù)原理設(shè)計(jì)制作的一種電容式微流控檢測芯片，將介電常數(shù)法與微流控芯片技術(shù)相 結(jié)合，設(shè)計(jì)并制作了微流控電容檢測芯片。電容法檢測利用了油液油含水時產(chǎn)生的介電常數(shù)的變化原理，設(shè)計(jì)專用的傳感器可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的智能化、微型化和模塊化。[6]

4 液壓油中水分的去除方法

據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，水在液壓油中存在的形式一般分為有3種形式：

（1）溶解水：理論上水和油是無法混合在一起的，因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵性質(zhì)決定的，實(shí)際上，液壓油中總是含有少量以分子水平存在的水分，即液壓油和水具有一定程度的相融性，會有少量水可以溶解到液壓油中，形成穩(wěn)定的混合物，這種少量的水以完全溶解的狀態(tài)穩(wěn)定存在于液壓油中。

（2）乳化液：水的分子比液壓油的分子小，分子間的內(nèi)力小，在高壓和液壓閥口等部位剪切力的作用下，會產(chǎn)生微細(xì)的水顆粒，與液壓油混合在一起產(chǎn)生了油水混合物，無法與油進(jìn)行分離，充分的混合產(chǎn)生的外在表現(xiàn)是液壓油變成了乳白色。

（3）游離水：游離水是水分和液壓油基本是獨(dú)立的狀態(tài)，在液壓油箱里面或者大的容腔里面，當(dāng)長時間靜置時會出現(xiàn)游離態(tài)的水。小水滴聚集成大水滴和水塊，這時候由于液壓油和水的密度和重力不不同，水會沉積在液壓油的底部。[7]

由于液壓系統(tǒng)中的液壓油混入水分之后產(chǎn)生的乳化或者游離的水會對液壓系統(tǒng)造成巨大的危害，因此我們對液壓油的水分含量需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（1）聚結(jié)法。聚結(jié)法是重力脫水法的一種，油水乳化液通過凝聚層打破液壓油的乳化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)靜置的分層，促進(jìn)水分的聚集，微小水滴聚結(jié)在過濾元件的底部，由于水的密度大于液壓油的密度，水分就會在底部沉集，液壓油通過斥水層，水分被阻隔，將液壓油中的水分去除。

（2）使用特種濾清器過濾水分。液壓系統(tǒng)中的濾清器是必須的液壓輔助元件，可以過濾液壓系統(tǒng)中的固體顆粒物的污染，保持液壓油的清潔，一般對水分沒有過濾功能。特種的過濾器是專門設(shè)計(jì)的一種可以過濾水分的過濾器，工作原理可以是利用重力將油和水進(jìn)行分離。一般這種過濾器設(shè)計(jì)的更長，讓水分與油的分離重力差更大。這種過濾方法一般獨(dú)立安裝在油箱的外部，通過將液壓油不斷的循環(huán)，然后將水分不斷的從液壓油中去除。

（3）吸附法。吸附法的主要原理是依據(jù)吸附現(xiàn)象，利用某些擁有吸附作用的物質(zhì)能夠?qū)⑺肿咏亓粼谧陨砘钚员砻娴奶攸c(diǎn)進(jìn)行去除水分處理，這種方式能夠去除游離水以及部分已經(jīng)融入液壓油的水。高分子吸水性樹脂是一種交聯(lián)密度很低的、不溶于水的高水膨脹性高分子化合物，具有相當(dāng)于自身數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的吸水性能。高分子吸水性樹脂具有很高的吸水性能，并且能夠具有一定壓力下的保水能力，還可以重復(fù)利用，制造成本低，因此可以在工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，可以在工程機(jī)械的液壓油箱底部放置吸水材料，定期的取出吸水材料進(jìn)行排水。

5 結(jié)論

工程機(jī)械的工作環(huán)境惡劣，長期工作在戶外，經(jīng)常經(jīng)歷風(fēng)吹雨淋霜雪天氣，液壓系統(tǒng)被水污染的概率更大，水侵入液壓油的途徑更多，因此對工程機(jī)械液壓油水污染途徑的控制需要更加嚴(yán)格。水對液壓油的危害表現(xiàn)為液壓油的壽命變短，對工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的危害是元件的故障率提高，壽命下降，甚至動作失效?？紤]到工程機(jī)械是戶外移動中工作等特點(diǎn)，需要采用更加先進(jìn)的在線監(jiān)測方法，即時監(jiān)測液壓油水污染的情況，采用在線的排除方法提高工作效率，提高工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的智能性和可靠性。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目19KJB460026;19KJA140002，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（2018058;xcx2019127;xcx2019126）

作者簡介：黃雅琨（1998-），男，漢族，河南焦作人，徐州工程學(xué)院，本科在讀，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。