固体颗粒污染物对液压传动系统的危害

李杰峰，郑建红

唐山职业技术学院机电工程系，河北 唐山 064002

液压传动系统的工作可靠性和使用寿命与液压系统的污染状况有着极为密切的关系。根据国内外统计资料，液压传动系统的故障大约有80%是由于液压系统的污染引起的，在各种污染物中，固体颗粒分布最广，危害最大，是引起系统故障、可靠性降低和元件寿命缩短的最重要根源，由固体颗粒污染物引起的液压系统故障占总故障的60%～70%[1]。

在液压系统中，油液中的固体颗粒污染物是引起磨损的最主要原因，颗粒起着研磨剂中的磨料的作用，它同元件表面长期相互作用，产生各种形式的磨损，造成元件表面逐渐损坏，配合间隙逐渐增大，内漏逐渐加大，导致性能衰降直至失效，缩短使用寿命；同时可促成颗粒淤积、堵塞和卡滞，导致突发性故障[2][3]。在液压系统里，无论是金属件还是非金属件，都极易受到这种磨损，特别是配合精度较高的滑阀式或柱塞式等机构，更易遭到颗粒的磨损。

1 固体颗粒的磨损

固体颗粒污染主要取决于颗粒污染物的磨损性以及颗粒尺寸与关键运动副间隙尺寸的相对关系。尺寸小于运动副间隙的颗粒污染物随着泄漏油液通过间隙，一般不引起磨损或只引起很轻微的磨擦，尺寸大于运动副间隙的颗粒不能进入间隙内，因而对运动副表面不产生磨损作用，而只有尺寸与运动副间隙相等或稍大的颗粒污染物在液流作用下可能进入间隙，引起运动副表面的磨损。这一颗粒尺寸是对液压元件运动副污染磨损最敏感的尺寸，称为临界尺寸。临界颗粒尺寸不仅是评定液压元件的污染敏感性和耐污染能力的一个重要参数，而且是确定液压系统过滤要求的一个重要指标。由于临界颗粒尺寸与液压元件运动副的间隙相对应，当严重磨损导致运动副的间隙增大时，就会有更大的颗粒污染物进入间隙参与磨损，从而使运动副磨损加剧，造成污染磨损的链式反应。

颗粒污染的磨损机理主要有切削磨损、疲劳磨损、粘着磨损和冲蚀磨损等形式。

1.1 切削磨损

进入元件运动副间隙内的坚硬固体颗粒，嵌入到材料较软的元件表面，在相对运动过程中将另一元件表面材料切削下来。这种磨损，因较软的表面易嵌入颗粒，故较硬的表面常常反而磨损较严重，切削磨损表面常有明显的划纹和划伤。

1.2 疲劳磨损

固体颗粒进入运动副间隙后，在碾压和滚动下将使元件表面出现沟槽（塑性变形）并产生应力；然后，在表面出现初始裂纹；反复作用引起裂纹扩展，并形成空洞；最后，表面材料剥离而损坏。

1.3 粘着磨损

固体颗粒与元件表面相互作用使元件表面材料发生塑性变形，产生凸起和洼坑，这些凸起部分破坏了润滑，使运动副表面产生金属与金属的直接接触，接触点在负载下造成局部高温而发生熔合粘着。当运动副作相对运动时发生剪切，材料从屈服强度较小的表面上剥落而形成磨粒，进一步加剧磨损，这是一个粘着一剪切一再粘着一再剪切的恶性循环过程。当熔合点较多时，运动副会发生卡滞甚至卡死现象，导致突发性故障。

1.4 冲蚀磨损

固体颗粒随着高速流动的液流，不断向暴露在管道中元件的棱边和表面喷射冲刷，如此长期反复作用下，可使被冲刷部位受到磨损，称为冲蚀磨损。颗粒在较高速度下有足够的能量来破坏被撞击的金属表面。一般来说，较软颗粒使被撞击处金属材料变形，在表面产生损伤，类似于加速疲劳破坏；较硬颗粒使被撞击处金属材料错位、滑移、加速疲劳和切削剥离。冲蚀磨损常见于阀芯棱边和节流孔。

污染磨损过程往往不是一种磨损方式起作用，而是几种磨损方式并存，并且几种磨损方式相辅相成，互相促进，例如，上述四种磨损方式皆可在滑阀阀芯磨损过程中同时出现，切削磨损和疲劳磨损可促成粘着磨损等。

2 固体颗粒的沉积

粒度小于配合间隙的固体颗粒随液流流经运动副时，在缝隙流动的附加作用下，较易进入间隙内，在油膜附面层的吸附和阻滞下被淤积在间隙内，随着沉积量的加大，缝隙流动可能被大量小颗粒阻断，造成运动副之间静摩擦力大大增加，阀芯运动受阻，可导致工作不稳定等突发性故障，如空中飘摆、油压不稳、压力跳动、响应瞬时变慢或停滞等；同时可促成磨损、堵塞和卡滞[4]。淤积现象往往是暂时的，当运动副有相对运动后，原来形成的边界层就会被破坏，淤积的颗粒会被液流带走，淤积效应随之消失，运动副又能恢复正常工作。

3 运动副的卡滞现象

卡滞一般发生在滑阀机构的阀芯与阀套配合面，造成配合面出现划纹和划伤、阀芯运动受阻甚至卡死，导致突发性故障[5]。当较大的颗粒进入运动副间隙并附着在间隙入口附近，根据液压流体力学理论可知，此处液流流速变大，压差变小，上下间隙产生径向不平衡力，把阀芯压向颗粒浓度高的一边，引起液压卡紧，造成阀芯卡滞和偏磨。当比正常间隙略大的颗粒进入并被阻留在间隙中时，在系统减压或换向时，大颗粒被压在间隙中，进入到运动副表层内，造成配合面压伤和卡滞，严重卡滞会造成明显划伤甚至卡死。

颗粒的不规则运动，还会对油液起反复剪切作用，降低油液粘度和润滑性，催化油液氧化变质，缩短其使用寿命需要强调的是，颗粒污染的上述几种危害方式在系统中不是单一的行为，而是多种方式并存，并且几种危害方式相辅相成，互相促进。因此，在液压传动系统中，严格控制固体颗粒污染物是有效减少液压故障的主要措施。

[1]张蕊，郭智勇.液压系统油液污染对系统的影响[J].科技资讯，2011(4).

[2]齐亿洲，温佩民.浅析液压系统污染对液压系统的影响[J].科技信息，2007(13).

[3]贺培峰，张守波.污染引起液压元件损害机理的分析[J].港口装卸，2007(4).

[4]邓翊，袁作新，彭翾.液压系统污染原因分析及控制[J].武钢技术，2010(3).

[5]张培森.挖掘机液压系统故障诊断及措施[J].科技创新导报，2010(31).