海洋性气候环境下液压系统的故障分析和系统防护 |
| 2012-08-02 10:26 作者：陈建新 陆林森 王为 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月2日消息 《硅谷》杂志2012年第12期刊文称,介绍在海洋性气候环境下液压系统产生故障的原因，对原因进行分析，并提出解决故障的方法和系统防护的措施。
随着机械化和自动化程度的不断提高，我国港口、码头上的许多大中型设备都配备了液压控制系统，而且液压系统的控制精度和自动化集约程度都比传统的液压系统有了很大的提高。但这种液压系统在提高设备工作效率、降低劳动强度的同时，因受海洋性气候湿热、盐雾、霉菌、腐蚀性离子等环境的影响，故障也在频繁的发生，给港口、码头的正常生产作业和其它关联设备的运行造成了极大的不良影响。
但国内外的文献著作对海洋性气候环境下液压系统的故障产生的主要原因、解决办法及防护措施等方面进行研究与分析的较少，也没用得到相关领域机构和人员的重视。笔者所在的公司主要从事码头装卸设备、港口系泊设备的研发、设计、生产和销售，对港口、码头设备的液压系统的故障分析、问题处理和防护措施积累了一些经验和体会，本文将就此问题进行一些剖析和阐述。
1海洋性气候环境对液压系统的影响
海洋性气候环境下，大气中含有的湿热、盐雾、霉菌和腐蚀性离子等同时存在，并且相互作用、相互影响。港口、码头上的液压系统能否在这种环境条件下长期有效地工作，主要取决于液压系统及液压油、液压元器件对湿热、盐雾、霉菌和腐蚀性离子等环境的适应能力。液压系统主要由液压动力单元（包括电机、油泵、油箱、蓄能器和过滤器等液压辅件组成）、液压控制单元（包括方向阀、压力阀、流量阀、阀块等）、液压执行单元（主要指油缸、马达）和液压管线接头等组成，比例伺服等复杂的液压系统还包括电气及仪表等元件。液压系统在海洋性气候环境下工作，除了在设计、安装、调试、运行、维修保养等环节中按普通环境工况进行外，还要特别考虑如湿热对油液和液压元件温升的影响；盐雾、腐蚀性离子对系统表面防腐、元件结合面、密封件材质、液压管线接头损伤、弯曲度、凹槽等的腐蚀性影响；霉菌对液压系统电子线路、接线盒、电缆等的浸蚀影响；海边大风大浪对系统的防护等级影响等因素。
2液压系统在海洋性气候环境下产生的主要故障及原因
2.1主要故障
在海洋性气候环境下，液压系统产生的故障主要有：油液温升过高导致油液粘度降低，使系统泄漏量增大不能正常工作；油液污染频繁需经常更换液压油；液压元件腐蚀严重导致损坏；密封件老化过快，导致密封失效、密封不严；液压元件结合面处、液压接头处漏油；电磁阀被卡死不换向、不工作；液压元件的电气放大器和仪表失灵等。
2.2产生故障的原因及分析
资料显示，液压系统的故障和失效有70%以上是因油液污染引起的，但在港口、码头的液压系统故障中，根据统计，大约有50%是因油液污染引起的，比例虽没有普通环境下的高，但液压油的污染已然成为导致液压系统发生故障的最主要原因。其次，腐蚀和泄漏也成为海洋性气候环境下液压系统产生故障的另两个主要原因。
2.2.1油液的原因
1）油液污染
在液压传动系统中，液压油作为工作介质，起着能量传递、控制和转换作用，同时还起着液压系统内各部件的润滑、防腐、防锈和散热冷却作用，是液压系统可靠、有效、准确、灵敏工作的重要保障。但液压油不可避免的会受到各种各样污染源的污染，即便是新油也会如此，其中主要的污染源是水分、空气、微小固体颗粒、胶状物等。特别是在港口、码头等海洋性气候环境下，腐蚀性离子、酸性的水气、空气中的悬浮物等都加重了油液的污染程度，使油液变质、乳化、颗粒增多，阻塞液压元件间的配合间隙和阻尼小孔，划伤配合表面，破坏配合表面的粗糙度和精度，使泄露增加、液压元件动作失灵、产生震动和噪声。
2）油液温升
液压系统在工作时会产生能量损失，包括压力损失、容积损失和机械损失，这些损失都以热量的形式转化出来，从而对整个液压系统造成温升，最终使油温升高。油温升高会带来一系列不良后果，例如使系统泄漏增加，容积效率降低，甚至影响液压系统的正常运行；温升过高还会使油液变质，产生氧化物杂质，堵塞液压元件的缝隙或小孔，特别是精度高的液压系统更容易发生堵塞现象。同时温度升高使膨胀系数不同的相对运动零件间的间隙变小，甚至卡死无法运动；温升还会影响运动精度要求高的执行元件的精度。因此，应严格控制液压系统的温度，一般正常工作油温应控制在30℃～60℃，最高不能超过80℃。但在夏季，尤其是我国南方的港口码头上，有时码头水泥地面上的温度就有可能达到60℃，再加上液压系统工作时产生的温升，最终液压油的温度可能会超过80℃，若此时使用将会导致液压系统瘫痪。
2.2.2腐蚀的原因
在海洋性气候环境条件下，液压系统的油箱、液压阀、液压管和接头、油缸等金属材料易被大气或雨水中的盐雾、腐蚀性离子腐蚀产生“白斑”和锈迹，这些“白斑”和锈迹经风吹、日晒、雨淋，使金属表面变薄，甚至被腐蚀穿透，导致金属液压件损坏、无法工作。各种非金属密封件也会与大气中的腐蚀性离子产生电化学反应，从而导致密封效果降低或密封失效，造成泄漏或液压元件失效。即便是在干燥的港口、码头，露置的液压元件表面也会有肉眼看不出来的很薄的一层水膜，这层水膜是由于毛细管作用、吸附作用或化学凝结作用在液压元件表面上形成的，尽管水膜很薄，但也会因化学作用引起腐蚀，即“干燥大气腐蚀”现象。一旦遇到阴霾天气，随着水膜的增厚，水膜逐渐具有电解液特点，由电化学作用引起的腐蚀速度就会加大，变成“潮气腐蚀”。
2.2.3液压系统设计、安装、布置原因
与普通环境不同，海洋性气候环境下的液压系统在设计伊始就应该考虑海洋性环境的特征，如果液压元件选材不当、装配结构不合理、系统安装布置不恰当，如：使用普通的碳钢材质而未进行防腐处理，液压软管或密封材料被氯离子腐蚀，防护等级不够使油箱内进水，控制电路板被盐雾空气锈蚀，安装或布置液压系统时部分元件上积水，管子接头表面有损伤，连接件未固定紧被台风吹坏等，都会导致液压故障产生。
2.2.4使用维修保养原因
在海洋性气候环境下，液压系统的使用、维修与保养相对于普通环境而言，应有更高的要求，如检查周期更短、维护保养的范围更多、液压油更换的频率更勤，对油液系统清洗的程度更严格、防腐防锈日常化等。但在实际使用中，设备管理人员和液压系统操作人员往往忽视了海洋性气候环境的特点，对液压系统的维修、保养仍然按照普通环境下要求的来进行，导致液压系统故障频起。
3在海洋性气候环境下液压系统的故障处理与防护措施
液压系统是一个有机联系的多元件复杂整体，对故障的处理应首先分析清楚故障的原因，然后再有针对性的采取解决措施。但在海洋性气候环境下，故障现象和故障原因有时并非简单对应关系，呈现出系统性、综合性的特点，从而给液压系统的故障诊断、处理带来了诸多的困难。但就根本上来说，对液压系统进行故障处理和采取防护措施仍要基于产生故障的几种主要原因。
3.1控制好液压油，尽量降低油液污染度
1）正确选用液压油的品种和粘度是保证系统长期、可靠工作的首要条件。液压油出现问题是导致液压系统产生故障的最主要原因，因此，应结合不同地理位置的港口、码头的海洋性气候条件，选用合适的液压油品种和粘度。如在我国南方夏季时间长，平均气温高，就应选用粘度大的液压油，而在北方冬季，气温低，冬季时间长，液压系统在冬季使用时可选用抗冻的低温液压油。
2）按照国家及行业标准，结合港口、码头的实际工况，正确掌握液压油的更换和液压系统的清洗时间。液压油在使用中一定会发生变质，继续使用变了质的液压油会造成液压系统工作不正常、零部件磨损和腐蚀，严重时还可能造成重大事故。反之，若液压油还没有变质就更换，就会造成浪费。因此，应定期对液压油进行更换，同时在换入新油前，应对液压系统进行彻底清洗。
3）在结构上采取措施，减少液压油与大气的接触面，减少水分的进入，避免液压油乳化。如采用闭式油箱，加油前用干燥的惰性气体排空管路等。
4）选择合适的密封件材质，考虑液压密封件与液压油的相容性，避免因密封件材料与液压油不相适应而产生污染物颗粒和杂质。
3.2控制液压系统的温升
液压油的温度过高产生的危害极大，因此必须计算液压系统在工作过程中产生的温升有多少，以便及早采取措施进行控制。一般通过计算液压系统工作时所产生的热量来验算系统温升是否超过允许值，如果超过了，则就需要采取措施如在油箱中设置水冷器来降温。
系统工作时产生的热量一般用系统功率损失（消耗的功率）来表示，例如：
油液经溢流阀流回油箱的流量为q=40L/min，溢流阀的调整压力为p=20MPa，油液的比热容为C=1.67kJ/kg•K，密度为ρ=900kg/m3，求油液的温升是多少摄氏度？
解：油液经过溢流阀时消耗的功率为
已知1kW＝3598.8kJ/h，则油液经过溢流阀时产生的热量为
3598.8×13.33＝47972kJ/h＝799.53kJ/min
则得，油液的温度升高为
液压油流经系统的不同地方时，消耗的功率不一样，因此控制液压油的温升时，应主要考虑系统功率损失大的地方，并在此处采取措施。如：当压力控制阀的调定值偏高时，应降低工作压力，以减少能量损耗；液压泵的连接处因泄露造成容积损失发热时，紧紧固各连接处，加强密封；当油箱容积小、散热条件差时，应适当增多油箱容积；管路过于细长而且弯曲，使油液的沿程阻力损失增大、油温升高时，应加大管径，缩短管路。
3.3合理选用金属液压元件，做好腐蚀预防
在液压系统中涉及金属器件的设计、选型时，应考虑金属在海洋性气候环境中的耐腐蚀性能，了解其在不同环境中的腐蚀规律和耐蚀特性，合理选用材料和腐蚀工艺，并在液压系统安装布置过程中提供相应的防护措施，控制其在大气中的腐蚀速度，延长设备、材料的使用寿命，减少腐蚀造成的损失。
3.4进行科学合理的安装
液压系统的安装是液压系统能否正常运行的一个重要环节，即便是设计先进、性能优良的设备，如果在安装环节出现问题，同样也无法保证系统的功能正常和运行可靠。采取以下措施将能从根本上使液压系统适应港口、码头的工况，实现对液压系统的可靠防护，出现故障时也可通过这几个方面进行原因查找。
1）应保证安装人员的资质、证书和培训。在港口、码头上安装液压系统，安装人员须经过专业培训，并有一定的安装经验，了解液压系统在海洋性气候环境下工作的特殊性和有关注意点，焊接液压管道的焊工应持有有效的高压管道焊接资格证书。
2）液压系统图纸、零件及工艺审核。安装前，应审查液压系统原理图、管道布置图、液压元件、辅件、管件清单和有关元件样本，确定设计是否适合海洋性气候环境的特点；应鉴定液压系统原理、装配及布置的合理性；应评价系统的工艺水平。主要是审查设计、工艺、布置等能否适应海洋性气候环境，能否实现系统的各项性能指标等。
3.4.3安装过程中应注意的关键环节
1）管道配管焊接以后，所有管道都应按其所处位置预安装一次，各接口应自然贴和、对中，不能强扭连接；当松开管接头或法兰螺钉时，相对结合面中心线不应有较大的错位、离缝或跷角。
2）管道在配管、焊接、预安装后，应再拆开进行酸洗磷化处理。经酸洗磷化后的管道，向管道内通入热空气进行快速干燥。干燥后，如在几天内就装配成系统、管内通入液压油，一般可不作防锈处理，但应妥善保管。如长期搁置，则需要进行防锈保护。
3）安装时液压元件内部密封件不得老化，必要时要进行拆洗、更换、并进行性能测试。
4）板式阀安装底板的连接平面不能有凹凸不平缺陷，连接螺纹不能有破损或活扣现象。
5）所有液压元件表面和内部不能有锈蚀锈迹，安装前要清洗干净。
6）所用液压管不能有严重缺陷，如：管子内、外壁表面已腐蚀或有显著变色；表面伤口裂痕深度为管子壁厚的10%以上或表面凹入程度达到管子直径的10%以上；壁上有小孔；管子弯曲部位内、外壁表面曲线不规则或有锯齿形；管子弯曲部位的椭圆度大于10%或扁平弯曲部位的最小外径为原管子外径的70%以下；接头体或螺母的螺纹有伤痕、毛刺或断扣等现象；接头体与螺母配合不良，有松动或卡涩现象；软管表面有伤皮或老化现象等。
3.5注重液压系统的维修保养
1）掌握必要的机电液知识，提高故障诊断和维修保养的能力。任何设备都是三分用七分养，特别是在海洋性气候环境下，维修保养是重点，不应放过任何微小的故障，要像爱护自己的身体一样爱护设备、保养设备。液压系统维修和保养的核心是故障的判断、故障的处理、易发生故障的地方的预防保护。它复杂程度大，涉及的知识面广，具有一定的深度，但应注重基本工作原理、基本工作方法的学习和掌握，提高解决故障难题、做好预防保养的本领。
2）养成良好的工作习惯。建立液压系统档案台账，做到有据可查。档案中应做好液压系统的使用、维修和保养记录，如液压油的牌号、数量、加油日期和数量、清洗补油日期和数量，某一零部件发生故障的时间、原因、频次、解决措施、效果等。
4结束语
以上简要分析了在海洋性气候环境下液压系统产生故障的主要原因及各种故障的解决方法和系统防护措施，通过认清海洋性气候环境的特点，提高在液压系统设计、安装、布置、使用、维修和保养等各个环节的重视程度和养成良好的工作习惯，就可保证液压系统能够在海洋性气候环境下长期稳定地工作。
作者简介：
陈建新（1979-），男，汉族，河南省泌阳县人，机械电子工程专业学士，项目管理专业硕士，工程师，目前在中远集团连云港远洋流体装卸设备有限公司从事流体装卸设备及控制系统的技术研发及管理工作。（原文载于《硅谷》杂志2012年第12期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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