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(dòng)是以液壓油為介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)的一種傳動(dòng)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(dòng)力，還能起到對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑和防銹的作用，水侵入液壓油會(huì)造成運(yùn)動(dòng)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(duì)象，分析了液壓油含水的原因，如何監(jiān)測(cè)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(dòng);液壓油;水污染;檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH137;TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

液壓傳動(dòng)是一種重要的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)是以液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行的動(dòng)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(dòng)到執(zhí)行元件的傳動(dòng)介質(zhì)，液壓油對(duì)液壓系統(tǒng)的作用類似于人體血液對(duì)人體健康的作用，對(duì)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生外界的污染，會(huì)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(cè)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(shí)，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(huì)造成液壓油的嚴(yán)重污染，水分可通過(guò)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(shí)候空氣中的水分冷熱交替后通過(guò)通孔進(jìn)入油箱。

（2）液壓系統(tǒng)在使用過(guò)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(huì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而檢修的周期過(guò)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(guò)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(huì)滲入油箱。液壓油在保存過(guò)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(huì)使會(huì)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(guò)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(huì)使得液壓油中摻雜水分，對(duì)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(guò)濾才能投入使用，但并不能保證過(guò)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(chǔ)存、抽注和使用過(guò)程中，水分會(huì)侵入到液壓油中，所以當(dāng)液壓油中摻雜水分時(shí)，不可避免的會(huì)對(duì)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(bào)廢、老化失效，液壓系統(tǒng)故障。

工程機(jī)械在使用過(guò)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(duì)金屬的腐蝕作用加劇，氧化作用加大。一旦油中含有過(guò)量水分并被分解成大量游離水，這些游離水會(huì)大大加快液壓油的氧化，惡化配合表面的潤(rùn)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(dòng)表面產(chǎn)生接觸，造成磨損、粘著和發(fā)熱，以及對(duì)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(huì)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(huì)使液壓元件生銹，乳化液生成油垢，會(huì)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(huì)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(dòng)，導(dǎo)致液壓元件堵塞卡死，使液壓閥系動(dòng)作失靈，也可能造成過(guò)濾器堵塞，降低精過(guò)濾效果，這樣增加了過(guò)濾成本，更會(huì)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(huì)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(dòng)速度降低、動(dòng)作緩慢無(wú)力，液壓系統(tǒng)工作效率降低。

水會(huì)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(huì)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(shí)容易凝結(jié)成冰，一定程度上降低液壓油的流動(dòng)性，堵塞液壓元件的間隙和死口，在較高的工作溫度下會(huì)與液壓油發(fā)生氧化反應(yīng)，增加了油的酸性，對(duì)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(huì)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(shí)侵入液壓油時(shí)，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(rùn)滑性下降，磨損增大，執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)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(cè)方法

水分侵入液壓油時(shí)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(duì)各種射線能量的吸收程度都會(huì)發(fā)生變化，液壓油含水分的測(cè)定原理就是利用這些變化與純凈的液壓油進(jìn)行特性對(duì)比。[5]

液壓油是否含水分的簡(jiǎn)單判斷，可以通過(guò)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(cè)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(cè)的時(shí)效性和空間性可分為在線檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。在線檢測(cè)可以采用電容閥和紅外線法等，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)可以有卡爾費(fèi)休法和蒸餾法。

3.1 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

蒸餾法是采用一定量的試樣與無(wú)水溶劑混合，通過(guò)蒸餾過(guò)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(cè)試液壓油中的含水量，測(cè)試原理和裝置簡(jiǎn)單，但是測(cè)定的精確度較低且測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)，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(cè)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(duì)比，以判斷是否超出標(biāo)準(zhǔn)。該方法檢測(cè)精度高且速度快，但是操作復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的技術(shù)和知識(shí)要求較高，需要從液壓油中采集出來(lái)一定量的液壓油，產(chǎn)生液壓油的浪費(fèi)，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

3.2 在線檢測(cè)

水和油對(duì)紅外線的吸收波段是不一樣的，近紅外線法是利用水分對(duì)特定波長(zhǎng)的近紅外線的吸收來(lái)測(cè)定油液中的含水量，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有檢測(cè)速度快，非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會(huì)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(cè)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(cè)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(cè)電容的大小就知道液壓油中含水量的大小。其工作原理簡(jiǎn)單易理解，設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油的無(wú)損、無(wú)干擾的測(cè)量，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(gè)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(duì)油液含水率檢測(cè)的原理，同時(shí)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(cè)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(cè)芯片。電容法檢測(cè)利用了油液油含水時(shí)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(cè)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(wú)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(huì)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(huì)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)會(huì)出現(xiàn)游離態(tài)的水。小水滴聚集成大水滴和水塊，這時(shí)候由于液壓油和水的密度和重力不不同，水會(huì)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(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)造成巨大的危害，因此我們對(duì)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(guò)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(guò)濾元件的底部，由于水的密度大于液壓油的密度，水分就會(huì)在底部沉集，液壓油通過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)水分沒有過(guò)濾功能。特種的過(guò)濾器是專門設(shè)計(jì)的一種可以過(guò)濾水分的過(guò)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(guò)濾器設(shè)計(jì)的更長(zhǎng)，讓水分與油的分離重力差更大。這種過(guò)濾方法一般獨(dú)立安裝在油箱的外部，通過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(duì)液壓油的危害表現(xiàn)為液壓油的壽命變短，對(duì)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(dòng)作失效?？紤]到工程機(jī)械是戶外移動(dòng)中工作等特點(diǎn)，需要采用更加先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)方法，即時(shí)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(dòng)化專業(yè)。