工程机械油液污染控制探讨

丰 兰，金 涛

（航空工业（新乡）计测科技有限公司，河南新乡 453019）

0 引言

在工程机械工业领域，液压操纵系统、滑油润滑系统、燃油动力系统是机械装备产品的主要组成部分，包括泵源、各类阀门、油箱、过滤器、散热器、传感器、密封、缓冲、节流装置和管件接头等元器件构成了油液系统的执行与控制机构，利用液压传动原理，通过控制机构操纵油液系统的执行机构从而实现机械装备产品的起降、伸缩、挖掘、供油等功能性应用。

油液系统及元器件性能的优劣将直接影响机械装备的工作可靠性和使用寿命，元器件的性能和功能又在很大程度上依赖于油液的品质与质量，一旦油液发生污染将会蔓延到每个元器件，是系统性的最大的“慢性”危害。所以，为了提高机械装备的性能、寿命和可靠性，研究并运用油液系统的污染控制技术越来越受到人们的普遍重视。

如何做好油液污染控制[1]，不仅仅是在系统中安装几个过滤器[2]这么简单，这将涉及到技术问题、认识问题、实验问题和管理问题，是一门较为复杂的元件与系统相匹配、材料与工艺相结合、测量与验证相关联、投入与管理相统筹等等一系列的学问。本文围绕油液污染控制的目的、实现这些目的的路径及其逻辑关系，解析了油液污染控制的根本意义，有助于工程技术人员在从事油液污染防控的相关工作中，树立科学理念、开拓创新思路。

1 油液污染控制的目的

油液污染控制的目标如下：（1）油液污染对系统会产生危害；（2）油液污染使设备不能正常工作；（3）油液污染会引起喷嘴堵塞；（4）油液污染将加速油液品质的劣化；（5）油液污染使系统的执行机构出现卡滞；（6）油液污染增加设备的维修成本；（7）油液污染会发生机毁人亡的事故；（8）油液污染将导致油泵加速的磨损；（9）油液污染会影响装备的使用寿命等。

以上所列均符合实际，但并不局限于上述。立足于不同的岗位、从事不同的行业，其选项可能是不同的。

（1）污染测试人员对油品的检测结果负责，通常关心的是被测油样是否干净，对固体颗粒污染度[3]、含水量等检测数据出具报告，为设备维护和质量管理人员提供后续相应工作的依据。

（2）设备维护人员职责就是排除故障、解决隐患，保持设备正常的运行和工作。维护的方式一般分为故障维修、定期保养、视情维护、主动维护等等。设备维修的投入是在使用过程中必须发生的费用，少量的维修投入将会换来更大的成本节约。

（3）过滤器设计人员根据主机的技术要求设计出高性价比的过滤器产品，以满足装备总成的配套要求，或者供相应主机厂家便于选用。一个好的、高性价比的过滤器，在研发试制过程中要经过反复的试验验证和试用才会批量地配套使用。生产出过滤器并不难，但是，生产出好的过滤器很难。

（4）过滤器测试人员根据客户要求的方法、标准，按照规定的程序把过滤器的有关性能指标检测出来，并对测试结果的准确性负责。测试结果有助于指导正确实施过滤器的研发，令用户放心选用，让系统最佳匹配。

（5）总成（系统）设计师根据装备配套要求完成油液系统的方案、原理和详细设计，结合性能、费用、质量、售后、进度等因素合理选配元器件，通过安装、调试、验证、试用、改进等试制过程不断提高系统性能以满足装备总成的配套要求，制定全寿命周期内的使用维护作业指导书，使产品拥有良好的市场口碑。

（6）装备的用户坚持油液污染控制，及时更换废油和滤芯是提高装备使用寿命的关键。

针对装备的重要程度、故障后果和昂贵高低的不同，对油液系统污染控制的目的会有不同的侧重和差异。对于汽车、内燃机、工程机械等普通装备，需要开展油液污染控制以尽量降低故障率；对于冶金、电力等行业的大型、关键装备，需要加强油液污染控制以减少由于油液系统故障而停产所造成的重大损失；对于航空、航天、舰船、核能等国防重点型号与国家专项设备，必须全过程、全方位、全要素、全员和全面加强油液污染控制，以追求绝对的安全、可靠，确保万无一失。

综上所述的有关油液污染控制的目的，总结归纳为3个主要方面：（1）保证装备正常、安全、可靠的运行；（2）降低装备维护频次和费用；（3）提高装备使用寿命。

2 油液污染控制的路径

实现油液污染控制的目的路径概括起来有3个：如何确定污染的控制目标；如何设计污染的控制方案；如何维持污染的控制水平。解决了这3个根本问题，就找到了正确的、全面的、经济地实现油液污染控制目的的路径和措施。

2.1 确定控制目标

需要说明的是，液压、滑油、燃油这3种流体系统对油液污染控制的要求是有差异的，本文着重以液压系统为例进行论述。

2.1.1 技术指标

油液污染的控制目标是针对如何保证高端装备油液系统的性能与可靠性提出来的技术指标，通常分为油液系统污染度的验收水平、控制水平和安全水平等指标。

（1）验收水平[4]。指装备交付出厂时油液系统污染度的极限水平。即装备交付（合格入库）前，由质量控制人员或用户代表根据检验规则要求，抽检流体系统油液的污染度不能超过所允许的最高等级。简单的说，验收水平就是内厂的控制目标。

（2）控制水平[5]。指装备交付出厂在使用期间油液系统污染度的极限水平。即在装备正常使用的寿命周期内，由维护人员根据使用维护手册要求，抽检流体系统油液的污染度不能超过所允许的最高等级。简单的说，控制水平就是外场的控制目标。

（3）安全水平。指装备油液系统污染度达到了威胁装备安全的极限水平。即在装备正常使用的寿命周期内，由维护人员根据使用维护手册要求，抽检流体系统油液的污染度所允许的威胁装备安全的最高等级。安全水平是一个新指标，是与污染敏感度相对应的全新概念。简单的说，安全水平就是指导设备必须采取停机、大修等维护措施的控制目标。

2.1.2 控制目标的确定

油液系统污染度的验收水平和控制水平是由设备的主机单位根据其装备的流体系统污染控制要求而确定的，污染度的验收水平一般比控制水平低1～2级（以下同GJB420[6]或NAS1638[7]），例如具体目标是：验收水平7级，控制水平一般确定为8～9级。正确地确定污染控制目标主要应从以下几个方面进行研究：

（1）国内外同类装备的流体系统污染控制要求；

（2）流体系统的压力、流量、温度、寿命、环境、可靠性及维修性等要求；

（3）精密元器件的配合间隙、有相对滑动或转动的摩擦副；

（4）系统油液介质的要求，全面评估油液污染引起故障、停机的后果及成本；

（5）针对泵源、精密阀门、作动筒等污染敏感的元器件进行耐污染验证试验。

确定了油液污染控制目标的思路和方法，具体的目标应该是多少，需要大量的研究工作，最终用数据和试验验证做技术支撑。

2.2 设计控制方案

确定好油液污染的控制目标后，需要解决如何设计油液污染的控制方案，即解决在设计油液管路系统时如何布局过滤器、如何选择过滤器的问题，以可靠、经济的实现油液污染的控制目标。

2.2.1 过滤器的选择

根据油液污染控制的验收水平和控制水平及流体系统的相关技术指标，明确过滤器的性能指标：过滤比/过滤精度/过滤效率[8]、流量压降[9]、纳污容量[10]、工作介质、工作压力、工作温度、振动、冲击、沙尘、烟雾、湿热、霉菌等要求。这些技术要求中的核心指标是过滤比、流量压降。在同样情况下，纳污容量越大越好，该指标一般是经过实验验证后才能确认的技术参数，是制定滤芯元件清洗或更换周期时间的依据。根据工作介质和温度可确定相容性要求，相容性、结构完整性属内厂控制的技术要求，结构完整性的高低将直接影响到过滤精度。根据工作压力可确定总成密封性及滤芯元件的抗压扁及流量疲劳要求，这是检验过滤器与滤芯元件设计强度的不可或缺试验。振动、冲击、沙尘、烟雾、湿热、霉菌等这些要求，根据实际使用环境和成本要求，可以视情减裁。

过滤器有两种选择方法：一是通过媒体在市场上选择名牌产品；二是寻求有质保能力，知名度、信誉度、售后服务都好的厂商进行研发制造。

为了确保被选过滤器性能指标满足技术要求，需要提供拥有资质实验室出具的第三方检测报告。如果被选过滤器的批量比较大，可选择多家厂商满足配套，根据第三方检测报告结果的优劣，并在相同价格条件下每年动态的分配各个厂商的配套份额。

被选过滤器除了技术性能满足要求外，还要考虑维修性与可靠性。维修性体现在便于拆装、便于更换、便于观察，在更换滤芯元件时系统油液不易外泄、大气灰尘又不能进入管道。与可清洗的滤芯元件相比，采用不可清洗的一次使用的滤芯元件在维护时最为方便。过滤器在使用过程中要有较高的可靠性，除了正常的维护外，不能出现连接松动、渗油漏油、变形破裂等故障和缺陷。

被选过滤器视情可带有辅助装置[11]，比如：污染压差指示器（机械或电讯式）、旁通活门、自封装置、放油（放水）开关、防错装置、防漏装装置、压差传感器、系统安全阀、采样阀等等。结合流体系统的整体设计可把有关功能性的阀门组件组合到过滤器上，以减少系统网路中的管接头零件。

2.2.2 过滤器的布局

在流体系统中，如何布局过滤器的问题就是要设计确定过滤器的种类、数量和安装位置，下面仍以液压系统为例进行讨论。

在液压系统中常见的过滤器有这样几种：高压过滤器（主滤）、回油过滤器（辅滤）、泵壳体过滤器、吸油过滤器、专用保护过滤器等等。

典型的液压系统设置有3个过滤器：即高压过滤器、回油过滤器和泵壳体回油过滤器。高压过滤器安装在泵源出口与执行元器件进口之间，回油过滤器安装在执行元器件出口与油箱之间，高压与回油过滤器的设计流量相同，一般是系统流量的3倍左右；泵壳体回油过滤器安装在油泵壳体回油出口与油箱之间，由于该油路的流量（远小于泵出口流量的95%）和压力（小于0.1 MPa）都很小，所以泵壳体回油过滤器的流量一般设计为10～20 L/min。关于过滤比指标的设计，我国与欧美西方国家体系一致，高压过滤器、回油过滤器和泵壳体回油过滤器都选择高过滤比的高精度过滤器。

在工程机械领域除了设置上述3个过滤器外，还会在泵源的进口安装吸油过滤器。当然，油箱上还会有呼吸（空气）过滤器、加油/回油滤等等，这些过滤器只是油液系统污染控制的辅助装置。在工程机械领域选择的高压过滤器的过滤比要高于其他几种过滤器，尤其是吸油过滤器的过滤精度不能太高，以免影响油泵的吸油能力。

对于一般的机械设备，当回油过滤器的进口压力不高于泵壳体回油压力时，可不设置泵壳体回油过滤器，将该回油管路接到回油过滤器的进口即可。对于特殊的执行元件，须在其管路的进口设置一个专用的保护过滤器，该过滤器一般流量及体积不大，但是其过滤比很高，以满足特殊污染控制的需要。

在所有的过滤器中，高压过滤器始终是油液系统污染控制的“主力军”。有关更多的过滤器的设置与布局设计，可以通过查阅相关的手册、标准而获得。

2.2.3 实验验证

主要的典型的实验验证有下列各项：（1）单项过滤器的性能[12]；（2）过滤器的布局+泵源；（3）过滤器的布局+泵源+执行元件；（4）特殊污染控制方案的试验验证；（5）在（2）、（3）或（4）的基础上添加粉尘。

（1）方案a：单项过滤器性能的实验验证

选择的过滤器应分别按照相应的方法及标准进行试验，以验证其过滤比/过滤精度/过滤效率、纳污容量、流量压降、耐温度和压力等性能是否满足设计技术的要求，这是为了实现油液污染控制目标所必需开展的最起码的试验内容。

（2）方案b：过滤器的布局+泵源的实验验证

液压泵、滑油泵与燃油泵等泵源分别是液压、滑油和燃油系统的“心脏”，也是油液系统内部生成污染的主要来源，设计的油液污染控制方案是否可行、有效，用选配的过滤器+泵源组成的回路安装在特定的试验台台架上进行试验验证则是最好的实证方法。

向系统内加入满足污染控制目标——验收水平的油液，在泵源额定工作状态下进行试验，随着试验时间的延长可能会出现3种结果：第一种是初始油液污染度直接逐渐升高，当达到一定程度后基本维持在某一水平不再变化，维持不变的污染度等级并没有超过污染控制目标设定的控制水平；第二种是初始油液污染度先增高后降低或没有增高而直接逐渐降低，当达到一定程度后基本维持在某一水平不再变化，维持不变的污染度等级略高于或低于（优于）污染控制目标设定的验收水平；第三种是初始油液污染度直接逐渐升高，当达到一定程度后基本维持在某一水平不再变化，维持不变的污染度等级却超过了污染控制目标设定的控制水平。

上述三种结果的结论：第一种合格；第二种优秀；第三种不合格。关于不合格的方案如何改进提高，可在不改变泵源的情况下，继续优选过滤器，提高过滤器的相关性能要求。然后再重复必要的试验验证，直到合格为止。

（3）方案c：过滤器的布局+泵源+执行元件的实验验证

为了进一步证实油液污染控制方案的有效性，可在上述方案b的基础上加上执行机构中的某一元器件进行试验，这就是所说的“过滤器的布局+泵源+执行元件的实验验证”。

该试验的方法与方案b类同，不同的是在试验过程中将执行元件按照操纵程序增加有效的动作，这样就会出现同样的试验结果、同样的判定结论，以及同样的改进方向。

（4）方案d：特殊污染控制方案的实验验证

液压系统中的电液伺服控制阀、燃油系统中的供油压力调节器等精密元器件，其油路的进口通常会设置一个高精度的过滤器，起到对关键元件的专门保护，以防止油液污染带来的事故。

该试验验证的方法与方案b、c类同，结果、结论和出现后续的改进方向也大同小异。

（5）方案e：添加粉尘[13]的实验验证

既能够验证油液污染控制方案的有效性，又能检验油液系统关键元件的抗污染能力，同时，还可以准确地找到油液系统污染的“敏感点”——污染敏感性，那最好的方法就是在上述方案b、c、d实验验证方法的基础上添加粉尘进行试验研究。这是更高层次的实验方法。

这类实验对油液污染控制方案而言：一是考核污染控制方案的有效性、可行性；二是检验污染控制的控制效率，即将人为的高污染度油液到底能用多长时间达到预定的控制水平的速率。对油液系统而言：一是检验系统的污染耐受度；二是寻找关键元器件的污染敏感点；三是为系统故障诊断与分析提供依据。

成都、沈阳某单位分别对某液压系统的污染控制方案进行了成功的试验验证，圆满完成了确定过滤器的性能指标和布局的设计任务；西安某单位对某液压泵源进行了成功的污染耐受度的试验验证，准确找到了影响泵源性能的污染敏感点，为确定过滤器的性能要求提供了技术支撑；南京某单位对某电液伺服阀进行了成功的污染耐受度试验验证，准确找到了影响电液伺服阀性能的污染敏感点，为该工程刹车系统故障的排除与后续改进指明了方向；无锡某单位对某燃油调节器进行了成功的污染耐受度的试验验证，证明了某国产化项目满足验收要求；北京某单位对某作动筒进行了成功的污染耐受度试验验证，顺利找到了某执行机构的故障再现原因，为故障诊断和排除提供了可靠依据；阎良和成都某单位分别对某大型装备和无人驾驶设备的起落架、刹车及液压操纵系统的油液污染的事故症候开展故障再现性试验研究。

以上所述，都是本文作者实验室经历的典型试验验证的案例。可见，油液系统污染的控制方案及关键元器件的耐污染实验验证工作已经摆在很重要的位置，随着人们对污染危害认识的进一步加深，该项实验验证技术研究将会得到更多的认可和重视。

2.3 维持控制水平

油液系统的污染控制目标的问题得到解决，实现这个目标的污染控制方案被设计确认，目标的可达性、方案的可行性及有效性也通过了必要的试验验证，但并不意味着可以大胆、放心地使用这个装备。虽然油液系统的污染控制工作得到了重视，但各类装备流体系统在实际使用过程中还有多达70%以上的故障是起因于油液污染。这个问题就是使用过程中的维护问题。

2.3.1 使用维护的必要性

在装备使用过程中，为了减少油液污染带来的危害，持续地使油液污染控制目标维持在一定的控制水平，加强装备的使用维护非常必要。

关于使用维护的问题，故障维护、定期维护、视情维护等是常规操作。故障维护是针对出现的故障进行维护修理的一系列操作，停机停车、更换器材、停工停产、维修周期等等，显然是成本昂贵、代价太大；定期维护是在人为规定的维修周期内进行维护修理的一系列操作，较为主观，会带来浪费和故障的风险；视情维护是通过必要的检测而发现事故症候后进行维护修理的一系列操作，当发现温度、压差、振动或噪声时，故障事故就在眼前了，这同样会发生较大的费用成本。可见，故障维护、定期维护、视情维护一般都带有一定的滞后性、被动性、延迟性、误工性，发生的费用较高，隐性的故障风险不利于装备的长期安全使用。

2.3.2 主动+精准维护

众所周知，对油液系统的维护保养通常关注的重点是：一是油液的分析；二是滤芯元件的清洗或更换。

主动+精准维护：就是“主动+精准”的分析油液并“主动+及时”的清洗或更换滤芯元件，在装备出现故障前排除掉影响因素，也就是把“被动的修理”转变为“主动的、精准的维护”。这就好比对人的“主动体检、健康预警、早期发现、及时治疗”一样，对装备也要早期诊断、及时维护、排除隐患，主动开展装备的“健康管理”。可想而知，如果坚持“主动+精准”维护，油液污染的控制目标就可以长期地保持在理想的控制水平；装备油液系统就可以长期地正常、安全、可靠运行；可以降低装备维护的频次和费用；最终就可以提高装备的使用寿命。具体要做到以下几点。

（1）必要的投入

设备用户必须投入相应的费用，配备液体自动颗粒计数器、微水分析仪等必要的仪器。

（2）定期开展仪器的计量检定

仪器管理中重要的一项工作就是定期开展仪器的计量检定，只有这样才保证测试结果的准确可靠，才能实现“精准”分析。

（3）针对滤芯元件实际使用寿命进行及时维护

设备用户要求过滤器厂商提供准确的滤芯元件的实际使用寿命[14]，以实现滤芯元件的“及时”更换或清洗。如果不能知道使用寿命的实际准确值，那就让厂商在装备寿命周期内无偿提供足数的全新滤芯备件，以便备足更换滤芯元件的时间空间。

（4）制定相关的管理制度

从“人、机、料、环、法、测”等方面制定相应的规章管理制度和激励机制，制定装备、仪器等设备的使用操作指导书。

（5）加强人员的培训

针对装备、仪器的使用管理和方法标准，坚强培训、持证上岗、定期考核，尤其是新上岗人员的培训更为重要。

（6）积极参加能力验证

积极参加行业内的能力验证或实验室间的比对实验活动，以持续保持维护队伍的能力。

3 实施路径的陷阱和关系

为了实现油液系统污染控制的目的，只有从“确定控制目标、设计控制方案、维持控制水平”这3个实施路径出发，才能做好流体系统全寿命周期内的污染防控工作。否则，将会步入陷阱，产生故障和浪费。

3.1 实施路径的陷阱

在开展流体系统污染控制工作中，常见的典型“陷阱”有：没有目标的污染控制、未经验证的控制方案、无法维持的控制水平。

3.1.1 没有目标的污染控制

没有目标的污染控制，目前仍是一个突出的“陷阱”之一，这种陷阱的主要表现是从油液系统的顶层设计上没有明确的污染控制指标。究其原因，针对油液污染控制的原理，存在以下的模糊认识。

（1）在系统中安装过滤器就认为可以了。然而，这个过滤器是否好用，是否与系统污染控制要求相匹配，就没人再去追究了。

（2）对油液污染的来源、危害和防控的重要性认识不全面、不深入；对油液污染的系统性、蔓延性、隐蔽性、渐变性认识不够；当元器件表面磨损产生故障时，认为是正常“老化”现象，根本没想到是油液污染造成的。

（3）认为油液会定期更换的，更换的油液是“新油”，新油实际并不是干净的油。

随着改革开放与国家经济的腾飞，流体系统污染控制和过滤、分离、净化技术也迅猛的发展进步，现在无论是国防军工、还是民用机械，有流体系统即存在污染控制；有污染控制即存在过滤器；有油液过滤净化，即存在油液污染分析。

3.1.2 未经验证的控制方案

控制方案未经验证就贸然投入使用，这类“陷阱”引起的损失和浪费很多。出现这种陷阱的原因是：

（1）设计人员凭经验知识，没有或缺乏试验验证的意识；

（2）用少量的试验或局部的试验代替系统性的验证；

（3）不知道如何验证，找不到相应的方法或标准；

（4）受制于费用成本的制约，没有考虑到未经验证对装备在使用过程中可能不断出现的“停机、修理”所产生的后果。

总之，污染控制方案没有通过有效的实验验证就投入使用，要想迈过这个“陷阱”是需付出昂贵代价的。

3.1.3 无法维持的控制水平

在油液污染控制的实践中，还有种“陷阱”就是系统污染控制的目标是“无法维持”的。这就是忽略了使用维护对油液污染控制的重要性了。避免了“没有目标的污染控制”和“未经验证的控制方案”这两个陷阱，但是，如果没有对应的有效的维护保障措施，照样使油液污染防控步入无法实现目的的“陷阱”。

所以，为了躲避这个陷阱，本文提出了“主动+精准维护”的理念。

3.2 实施路径的关系

确定控制目标、设计控制方案、维持控制水平，三者互相关联、互为依存，要同等重视、不可偏废。

确定控制目标是设计控制方案和维持控制水平的方向和目的；设计控制方案和维持控制水平是达到控制目标的手段和措施；成功的设计控制方案是维持控制水平赖于持续的基础和保障；长期维持控制水平是设计控制方案潜能的发挥和延续。

只有将这三个实施路径齐抓共管、有机结合、闭环互动、长效实施，才能全面、圆满地实现油液污染控制的目的。齐抓共管是让油液污染控制的好处、重要性得到污染控制产业链（滤材、油品、滤器、仪器、设备、使用、检测等）参与各方的普遍认同与重视。有机结合是让污染控制产业链参与各方实现利益共享（经济或使用）。闭环互动是开展各项技术、质量、市场、经验、教训等信息交流（工艺或认为保密的除外）。长效实施是结合质量、体系、认可管理开展人员培训。

如果确定的控制目标、设计的控制方案和维持的控制水平不能达到上述良性的逻辑关系，那就不能全面、圆满地实现污染控制的目的，那就会事故频发、浪费重复、新技术、新方法、新材料、新产品得不到及时有效的利用和推广。

4 结束语

本文围绕工程机械液压、润滑等流体系统中油液污染控制的目的和目标，提出了控制目的、控制目标、控制方案、验收水平、控制水平、实验验证、主动+精准维护等新的理念，深刻诠释了流体系统污染控制的根本意义。通过本文的阐述，能够使流体系统设备在全寿命运行周期内，为油液污染控制技术的最优化提供解决思路，有助于工程技术人员在从事油液污染防控的相关工作中，树立科学理念、开拓创新思路。