在研究污染物杂质微粒的质量、粒度、材质和数量分布状况,对机械产品中最重要的零部件的可靠性指标和寿命的影响的基础上,规定对某一具体的机械装置中零部件和系统的内腔及工作液的清洁度。各个企业往往在参考已有标准的基础上,根据零件在产品中的重要程度,制定自己的零件清洁度企业标准,如BMW公司的产品质量规范QV11111《Appro-priate teVhniVal Vleanliness of Vomponents and fluids in BMW power train》。不同零件,清洁度要求会不一样,有的限制污染物质量值(同时规定使用某一孔径的滤膜)和最大允许颗粒尺寸,有的限制污染物不同尺寸段下的颗粒数,有的限制不同材质的污染物的尺寸大小,有的甚至限制纤维的尺寸等。
机械用油的清洁度对机械产品的精度、寿命等的影响也很大。研究发现,当发动机润滑油被粒度为10~25μm的固态微粒所污染之后,内燃机气缸、活塞组零件的磨损变得最为严重。污染物微粒的粒度再增大,零件的磨损减轻。单位体积润滑油内的污染物微粒数量增多,磨损变得更为剧烈。曲轴、轴瓦和发动机其他重载零件配合面的磨损主要是其粒度与接触间隙和油膜厚度相接近的强磨料微粒作用的结果(接触间隙和油膜厚度一般为5~20μm)。发动机曲轴、轴瓦组件中的油膜厚度通常等于其平均间隙的15%~75%。鉴于这种情况,活塞式发动机的润滑系统所使用的发动机润滑油应清除粒度大于15μm的微粒。
由于涡轮和压气机轴承以及传动箱零件也常发生磨料磨损,因此,对喷气式发动机的润滑系统用的润滑油清洁度也提出了类似的要求。航空发动机转子轴承的径向间隙的范围为14~93μm,接触零件上的油膜厚度为10~20μm。变速箱及传动系统其他机构的接触零件的平均油膜厚度为2.5μm。油膜厚度值与作用负荷、回转零件的角速度、润滑油的黏度及其他因素有关。
当污染物磨料微粒的粒度为15~25μm时,变速箱齿轮的磨耗量为最大,而且花键连接处也发生磨损。
金属切削机床液压系统工作液的清洁度要求应与液压系统的工作压力的大小相适应。工作压力为1.3MPa时,液体中不应含有粒度大于80μm的微粒;当工作压力为12.5MPa时,不应含有粒度大于40μm的微粒;当压力为35MPa时,不许含有粒度大于15μm的微粒。对于压力高于14MPa的液压系统,建议净化工作油,除去粒度大于10μm的微粒。因此,随着系统中工作压力的升高,越需要仔细净化液体。
各种液压系统中的某些重要装置都装有精密的柱塞副。其径向间隙不超过几个微米。这些装置中的间隙值决定着对液体净化和装置工作腔清洗的要求。航空液压系统工作液中粒度大于2~5μm的污染物均应清除掉,而建筑-筑路机械、农业机械、拖拉机、汽车、海轮上的液压系统的工作液应清除粒度大于15~20μm的微粒。
在个别情况下,视机械系统或装置的具体特点而定,可能提出更严格的清洁度要求。对机械装置和系统提出的清洁度要求都应该有技术上和经济上的根据。因为获得要求的清洁度而付出的费用可能非常高。液体清洁度提高一倍,液体净化费用也要增加一倍。此外,保证机械技术清洁度的实践和专门的研究结果均表明:如果应用绝对过滤精度为3~10μm的过滤装置来净化工作液,则液压系统各元件的寿命就可延长,而维护和修理费用也可降低。
目前,机械用液(液压系统用工作液)的污染物杂质的质量评定是用ISO4405—1991《HydrauliV fluid power—Fluid Vontamination determination of partiVulate Vontamination by the grav-imetriV method》的方法,该方法规定了两种测定流体传动系统中的液压介质污染的质量分析方法。对于石油和石油产品及添加剂机械杂质测定,可用GB/T511—2010《石油和石油产品及添加剂机械杂质测定法》标准,当杂质质量分数在0.005%以内时,一般来说可忽略不计。但是这两个标准规定的液体清洁度检测方法,在许多情况下,已不能满足现代要求,因为这两个标准中没有规定如何确定污染物杂质微粒的粒度和数量,所使用的检测方法不能指出液体中有无其粒度对该装置或该系统来说是危险的固态微粒,需使用GB/T20082—2006《液压传动 液体污染 采用光学显微镜测定颗粒污染度的方法》标准,该标准给出了每检测100mL液样中大于等于所选颗粒尺寸的颗粒数的方法。或者使用ISO11500—1997(现修订为ISO 11500—2008)《HydrauliV fluid power—Determination of partiVulate Vontamination by automatiV Vounting using the light extinVtion prinViple》标准,该标准仅适用于同类的单相液体,通常测量悬浮于原始样液中的颗粒。
现在许多国家都制定了按粒度(弥散分布的微粒)组成规定机械用液及机械工作腔清洁度的标准。我国的GB/T14039—2002《液压传动油液-固体颗粒污染等级代号》标准规定了三十个液体清洁度等级,按每毫升油液中含颗粒数分级,颗粒尺寸分为≥5μm和≥15μm(用显微镜计数)或≥4μm、≥6μm和≥14μm(用自动颗粒计数器计数),该标准适用于液压传动系统中使用的液压油。
国外有许多标准按照机械用液的使用条件,分别规定液体清洁度的要求。在某些情况下,也有按净化条件来规定的。对液压系统用工作液最早提出的要求记载于美国制定的AR-TS-28文件。它是在几个制造液压设备的公司所进行的研究的基础上制定的。这个文件并没有成为正式文件,但是该文件成为美国一系列标准的制定基础。美国制定了NAS 1638《Cleanliness requirements of parts used in hydrauliV systems》标准,这个标准供汽车工业和船舶制造业的企业使用。不仅美国,而且其他一些国家,如日本也使用这个标准。NAS 1638标准规定将液压系统所使用的液体的清洁度分为十四个等级。根据这一标准,清洁度等级每下降一级,污染物微粒的数量就增加一倍,而在每一清洁度等级中,从一种粒度组转换到粒度较小的粒度组时,污染物微粒数量几乎增长了五倍。
美国SAE-ARP-598C-2003《AerospaVe miVrosVopiV sizing and Vounting of partiVulate Vontam-ination for fluid power systems》标准规定了用显微镜测量和计数≥5μm污染颗粒时,所使用的材料、装置和实验过程,标准规定每100mL液体中的污染物微粒中按五个粒度组(5~15、15~25、25~50、50~100和>100)来计数。而该标准的1960年版本中规定了对使用条件下的液压系统工作液的清洁度要求,按六个粒度组分别规定了每100Vm3液体中的污染物微粒的限制数量,见表1-4。(www.daowen.com)
表1-4 对液压系统和试验设备工作液的清洁度要求
除上述标准外,也有采用美国SAE、ASTM和AIA标准所规定的液压系统工作液的清洁度等级的。这些标准由SAE(美国汽车工程师协会)、ASTM(美国材料与试验学会)和AIA(美国航空航天工业协会)制定。
美国CinVinnati(辛辛那提)公司在SAE、ASTM和AIA标准基础上,提出根据污染物微粒的数量与其粒度的关系,呈对数规律这一原则来确定工作液。其中,包括工业部门液压传动用液的清洁度等级。根据CinVinnati公司提出的清洁度等级,液压系统工作液的污染度曲线在对数坐标中是一条直线,但机械制造业的实践证明并不总是这样,与此同时,对使用中的液压系统污染度的研究表明:在许多情况下,每一粒度组的污染物微粒的数量与清洁度等级的关系是服从于对数规律的。
英国采用了与美国NAS 1638标准相仿的技术标准来确定液体清洁度等级,英国Thermal Control(温度控制设备)公司在研究了有关液压系统清洁度的大量资料的基础上,制定出一项标准,其显著特点是每个粒度组的污染物微粒数量有负公差,这样就可根据对液体试样粒度分析的实际结果更准确地确定它的清洁度等级。在这一标准中,还指出了某一粒度组的污染物微粒数和污染物微粒总数的百分比。如在各种不同的清洁度等级中粒度为1~5μm的微粒数量占92%~95%,而粒度为50~100μm的微粒数量不超过十万分之几。
许多专家认为:仅用各种粒度的污染物微粒的数量来表示工作液的污染度是不够的,因为这没有体现出根据微粒对机械部件和装置工作的危害作用来划分等级。
在此基础上,制定了几个标准草案,在这些标准草案中,按照一定粒度的微粒的最大数量,以及大于某一规定粒度的微粒总量的最大数量来划分清洁度的等级。按照这一标准制造了可直观看出液体不同污染度的标准透明软片,检测实际液体污染度时,所拍摄的透明软片再与标准透明软片进行比较。国际标准化组织ISO/TC131(国际标准化组织流体传动系统技术委员会)于1978年8月提出的标准草案ISO/DIS4406《HydrauliV fluid power—Fluids—Method for Voding the level of Vontamination by solid partiVles》(后修订为ISO 4406—1999,国家标准GB/T 14039—2002是根据ISO 4406—1999修改的)中建议按照每毫升的液体试样中粒度大于5μm和15μm的微粒数量来确定清洁度的等级,特别是用15μm这一粒度作为临界粒度,因为中等压力的液压油、燃油和其他装置的柱塞副中的工作间隙不超过15~40μm。标准中列出了清洁度等级,以及各级清洁度所对应的粒度大于5μm和15μm的污染物微粒的数量范围(按污染物微粒的粒度组分别列出)。
对于大于15μm的污染物微粒,清洁度为9级和10级的液体,建议用于高精度的液压装置和控制机械的液压系统中;清洁度为10级的液体,用于装有对污染物非常敏感的液压机构的液压随动装置中;清洁度为11级和12级的液体,用于整体式液压传动装置;清洁度为14级和15级的液体,用于固定式机械的液压系统中;清洁度为17~19级的液体,用于移动式机械的液压系统中。实际工作中发现,粒度为1~5μm的微粒对部件和装置的工作能力有时也会产生不良的影响,因此,对于那些对污染物特别敏感的系统和装置(高精度的液压随动系统、精密的控制系统)要求限制粒度超过5μm的微粒的允许数量,在精密液压系统和精密液压装置中清洁度为13~18级。粒度小于5μm的污染物微粒,因为它的粒度太小,检测起来是比较困难的。
尽管已经有许多关于工作液及机械工作腔清洁度方面的标准,仍希望不久的将来能采用使用可靠且方便的工业清洁度的国际标准。
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