全面清洁度控制和诊断趋势

全面清洁度控制和诊断趋势*

Ian C Reed**

摘 要 可以由在他们的生产设备中或各种主机上掌管油液清洁度的操作者们实现明显的成本节约。凡是用油液来传递动力、润滑或冷却的地方，只有通过去除油液中危及工作间隙的污染物，才能实现对高性能、高可靠性和高生产率的要求。

设定油液清洁度标准，对于零件生产、组件、元件和最终设备或系统而言，乃是实现工作规范的关键要求。

始终保持油液清洁度并监测标准意味着，对所设计制造的过滤解决办法的关键性选择和监测油液状态的手段是提高合格率的重要因素。

引言

通过减少设备和主机的摩擦学失效可以实现明显的节约，但它往往被忽视，因为它需要资金、时间和培训方面的某些投入。这种附加成本是由设备和主机的故障产生的，造成不能生产和增加运行成本，两者都通过增加维修量和更换已损坏零件的成本体现出来，与在产品和服务中失去业务和降低客户的信任有关的成本是不容轻易决定或被忽视的。

油液系统失效伴随着由于油液中存在污染物颗粒和油液失去润滑性而引起的元件零件的磨损。研究工作曾经估计，德国和英国工业界潜在的年度节约大约分别为30亿和21亿英傍(按1995年的汇率)。英国的研究进一步估计，对于每1 000英镑的投资，在一年之内能收回资本可能多达4 0000英镑。此外，该研究强调，实现这种节约的手段已经存在一段时间了。

人们久已认识到，污染物对被润滑的元件有着有害的影响，而且通过设置精度较高的过滤器来控制液压油液或润滑油液中的污染物等级已经实现了系统可靠性的提高。但是不在从零件制造到系统运行的整个过程中始终注意清洁度，而是在损坏发生之后才给系统设置正确设计制造的过滤器，这充其量只能被看成是一种补救措施。

为了提高机器有效性和盈利可靠性，元件供应商、机器和系统制造商对整个生产过程的油液清洁度标准和产品最终的标准给予很大的关注。元件供应商正在他们的试验台上用过滤的油液和提高过滤等级来完成子元件的净化过程。这是响应于主机厂控制包含在元件内部的污染物数量的要求。由此，使在制造期间增加到系统中的污染物和系统运行期间产生的污染物减至最少，再遵守来自最终用户所规定的油液清洁度等级。

只要正确地设置有效的过滤器并适当保养，在系统使用寿命期间就能获得和保持所需的清洁度等级。工作中能证明过滤器的有效性的唯一方法是通过系统取样来证实是否已达到所需的清洁度等级。颇尔提出了一种全面清洁度控制观念以实现用户利润的增加。

实施全面清洁度控制(TCC)的目的在于，把液压和润滑设备的损坏和失效减至最少，改善金属加工工艺以便使改进的生产更快、更经济，提高元件的耐受度和清洁度。TCC提出一种维修观念，该观念卷入描绘某些工作参数的趋势以便监测该设备的工况，以及怎样运用“措施等级”才能提供系统内部变化的早期警

报，以便识别和纠正引起问题的真正根源。

这种维修方法将以设备的最大的可维修性来保证最佳性能，以此保证增加利润。

全面清洁度控制(TCC)管理程序

TCC实行的是一种质量管理程序，旨在从单个零件的生产到系统开始运行及以后的工作寿命的整个生产过程中，降低污染物的发生率及其影响。 图1为全面清洁度控制的实行。

图1 全面清洁度控制观念——长期参与

对用户而言最明显的成本范围与设备的失效有关。

这清楚地图示在图2中，图2对用TCC和不用TCC时元件的失效概率作了比较。当不用TCC时，失效概率遵循的是最普通的“浴盆”曲线，它有3个性质不同的区域。

图2为系统寿命期间的失效概率(浴盆曲线)。

图2 系统寿命期间的失效概率(浴盆曲线)

a.起动和试运行

该区域覆盖元件和系统。在此期间，由于从制造和装配过程中残留的大颗粒干扰元件运行，常常经受高频度的突发失效。即使未发生失效，大尺寸颗粒的存在也将对运动表面产生永久性损坏，从而使其使用寿命大大缩短。偶发失效在使用期间能预料到，尤其在元件／系统寿命的早期。

b.正常运行

如果在零件、元件／部件制造中不加以限制，则失效概率在工作期间应随着大多数出故障的元件被逐渐更换而降低。

失效的元件被换成污染的元件，进一步把内藏的和装配中的碎片带进系统而磨损循环多次重复。

c.磨损区域

这最后的阶段是指系统元件的失效加速到无法接受的程度时，系统必须更换。为此，导致维修成本、投资成本及运行成本增加。

TCC能降低污染物的发生率及其影响，以便系统按照规范实现并可靠地运行，这样可避免造成浪费的突然损坏和对生产的中断。为了得到这种效果，特别需要在教育和培训领域的一些投资。TCC的做法已经证明，通过提高生产率、降低废品率、延长油液寿命、明显地减少维修工作量，能使投资很快收回。

像所有的质量改进过程一样，TCC的成功必须有管理工作的全力支持并涵盖各个过程所卷入的全体人员(见图1)。往往，这类系统的失效是由于系统和规程的管理工作未完全到位而是推给了操作和维修人员，缺乏反馈环路去继续该改进过程。实际上，如果要完全实现目标，必须建立起一种正确的风气。 该过程的基本组成为：

. 提出目的并确定目标 制定油液清洁度等级规范 选择设计得正确的过滤系统 培训人员并制定管理规程 审查有关规程 测定效果 识别问题的根源 采取纠正措施 . . . . . . .

显然，一旦进入该程序，该实施就卷入连续测量所达到的清洁度等级并把它们与所选择的目标油液清洁度相比较。建议保存改善的记录，以便该过程的经济效益能被量化成进一步投资的依据。

需要流体清洁度等级和过滤器规范的范围是：

侵入污染

我们怎样才能最好地保护油液系统免遭环境之害以及在所有潜在的侵入点能经济地实现什么程度的颗粒控制?

污染磨损机理

所列的磨损机理生成颗粒型污染并在系统中产生磨损的链式反应。

造成的磨损将与所生成的固体污染物的速度、尺寸、形状和硬度有关。

全面清洁度控制需要从一个清洁的系统开始，该系统已经用清洁的元件清洁地建成并成功地冲洗到规定的清洁度等级。

关键是要保证初次油液灌注和所有以后的充液都是经这样一个过滤器进行的，该过滤器在单次通过中即能以所需的油液清洁度向系统输送油液。在维修期间的任何侵入必须通过实施良好的装配规程和制造规程减至最少。直到系统油液清洁度等级处于所需的标准之前，不宜开始机器的运行。用高性能过滤器(例如1 μm)来控制有害的磨料颗粒并防止磨损的链式反应。

虽然引起元件磨损的是硬颗粒，但是软的非金属颗粒将堵塞间隙和节流孔并使间隙缺油，借此降低其承载能力。

由损害性颗粒所引起的任何磨损不可能通过事后增加正确的过滤来恢复——损害将是无法挽回的。

间隙大小的颗粒引起主要磨损

间隙大小的颗粒是指那些同样大小或稍大于元件中的关键运动间隙的颗粒。这些颗粒跨越间隙，并使一个或两个表面磨损或疲劳。结果，在系统内生成更多的颗粒，并且，除非去除，否则将加快磨损的速度。正是间隙大小的颗粒构成主要的磨料磨损机理，缩短元件的寿命并降低机器的利用率和生产率。

在元件的零件之间形成的油膜厚度在运行条件下是难以预测的，并且将在机器循环期间频繁地变化(图3)。然而，对于液压和润滑系统中所用的许多元件来说，此运动间隙在1 μm与5 μm之间，油膜厚度决定其污染耐受度。

. 运行间隙或运动间隙、不等于机器间隙，但与载荷、速度和其他因素有关。

图3 载荷对元件间隙的影响

颗粒生成速度

图4示出在元件的整个寿命期间不同尺寸的颗粒的生成速度，元件寿命以突发失效而告终。当系统的磨损率被选择得正确的过滤器控制而该过滤器已被设计成满足系统和用户的需要时，磨损处于“良性”模式，其中生成少数的小(＜20 μm)颗粒。在由表面的疲劳所引起的这种轻度磨损模式中，实现长的元件寿命，最佳的性能和可靠性。

图4 导致突发失效的元件颗粒生成速度

如果装设了有毛病的滤芯或者由于设计和制造不当在运行期间其性能退化，则将造成较高的污染等级。这开始提高了元件磨损速度，颗粒尺寸逐渐加大，磨损机理从疲劳磨损变成磨料磨损，表面开始失效。如果不监测磨损速度的这种变化并采取措施，则将形成磨损的链式反应。 油液清洁度标准

适合于一个具体的系统的油液清洁度等级与许多因素有关，其中包括系统元件对污染物的敏感度、运行条件和所需的工作寿命和可靠性。 为了实现液压系统或润滑系统的可靠运行，必须针对失效的后果来评估回路并确定那些最重要的数据。然而，一般不能得到这样的数据，只能定性分析，给出相对的严酷度和发生频率和像在TCC的实践中给出的专门经验。正在研究把计算机专家系统用于此项工作，专家系统还有以下优点，即能在保养时用于对设备进行故障诊断的目的。

如果在运行中始终保持符合由主机厂和／或用户所提出的规定的清洁度等级，则可能不需要量化考虑与污染有关的失效的故障分析。 提供成本效益最高的运行的系统设计，可能意味着通过设置某种形式的工况监测来实施超前维修计划。

TCC系统元件清洁度等级指南

所有的液压系统和润滑系统都应针对其具体的系统确定一个目标清洁度等级。此目标需要考虑所有有关的系统参量，例如：

. 系统工作压力和工作循环 工作环境寿命 元件敏感度和期望值 经济责任和停工期成本 有关安全问题 . . . .

下表对以上参量给出适当考虑，为各种系统提供指南。

系统元件

确定系统清洁度等级：

1) 从系统元件表的最上部开始。找出用于你的液压系统或润滑系统中的第1的物品。

2) 从所选的元件向右找出与工作压力范围相对应的方格。

3) 推荐的清洁度等级在该方格落入其中的每一栏的下部给出。

4) 如果下列因素中的任何1项适用则向左移1栏：

a.在保持生产进度方面系统是关键的

b.高循环/重载应用 c.使用含水液压液 d.预计系统要工作7年以上 e.系统失效能产生安全问题 5) 如果2项以上因素适用则向左移2栏。 6) 对于润滑系统如果工作黏度超过150 mm2／s则向右移1栏。 7) 对于冲洗，向左移1～2栏。

超前维修和配套的监测的引入

随着流体传动工业的向前发展，电子技术的引入，总线系统的应用，数据传输和趋势分析已经成为系统设计者和操作者生活中不断增长的一部分。

电子技术与流体传动的联姻，把电子技术的快速的、杰出的逻缉能力与液压系统的大功率和控制灵敏度结合起来。这在智能泵、马达和执行器的出现中得到证明。

在元件诊断中诊断趋势可能还包括：

. 过高／过低压力和流量极限 过热 过度磨损 传感器失效 机械失效 . . . .

对油液状态的类似的在线监测系统已经应用了多年，主要用于实验室，稍后用于工业设备用途。

为了从监测取得潜在利益，还必须实施预测/超前维修方式。 TCC的引入能通过对系统油液清洁度监测的超前保证进一步降低这些成本(图5)。

图5 不同维修方式的相对成本

TCC强调预测维修技术，但拓宽了其范围，致使维修和控制变得更加超前。它确定了用于自有的材料和为了加工而购入的材料的清洁度标准，以及在油液系统的运行中必须满足的清洁度标准，以便几乎消除事

后维修，实现较长的元件／系统寿命。保持记录，往住基于计算机来保持，将突出影响对延长寿命的要求的重复失效或问题。必须调查失效的根源并通过设计或操作上的修改来治理。“模糊”逻辑专家系统的最新发展将有助于对所测参量的输出的解释并使决策更容易。

对运行的液压系统中的油液清洁度的监测是TCC的关键部分，因为它首先用来确认为了实现所选的油液清洁度标准，是否已经配装了正确的过滤器，其次作为维修方式的一部分用来监测系统磨损速度。 分析模式

有两种基本的油液清洁度分析模式：直接在系统上(在线或串联)分析和离线分析。在线仪表连接于取自主流管路的一个小支流然后返回油箱。不说全部，但大多数清洁度监测器都按此模式工作，而不是直接连接于流动管路(串联)。好处是能连续获得数据，因而对任何不利变化的响应时间比较直接。

离线分析卷入系统油液试样的提取，试样采集在预先清洗过的试样瓶里，随后在实验室里分析。显然，在此过程中拖延是固有的，如果企业必须利用外界的专业实验室则更是如此。在取样与纠正措施之间的拖延可能意味着系统经受提高了磨损速度的时间更长，因而增加了对元件表面的损伤。

基于以上要求，最合适的选择是：显微镜法，自动颗粒计数器和网式堵塞测试仪。一种往往被忽视的监测器是滤芯本身——如果过滤器被正确选择并具有设计和制造的完整性的话。

讨论所有各种选择超出了本文的范围，在别处有很好的论述。 然而，就污染而言很清楚的是，在实现可靠性和最佳的机器利用率方面，异常磨损状态的反馈是至关重要的。如上所述，污染不仅是颗粒，还有水和空气。

在所有类型的系统中都能感受到水和空气的影响，它不仅会使油液系统的性能变差，而且通过氧化和添加剂耗尽使油液退化。

用来监测油液清洁度的产品，其要求可归纳如下：

. 必须能对小颗粒(＜20 μm)有响应 有经过证实的准确度和重复性 能分析所有类型的液压油液 能以行业可接受的格式表达数据 以很短的时间周期提供结果，以便在最短的拖延内实行纠正措施 . . . .

自动颗粒计数器

自动颗粒计数器(APC)已经成为深入研究污染的基石，如没有它们，所进行的许多研究都是不可能的。APC根据消光原理工作，其中来自白炽灯泡或激光二极管的光被引导通过传感器中的一个透明的窗口，到达

一个探测器，污染的油液流过该传感器(见图6)。光束中单个颗粒的存在使探测器所接收的光量减少。被遮挡的光量与该颗粒的尺寸成正比。通过用标准污染物来校准，得到探测器输出电压-尺寸的关系。APC既能以在线模式又能以离线模式工作。

图6 自动颗粒计数器的工作原理

APC能提供一种快速的、准确的颗粒尺寸分析的手段，但是它们要求流体是半透明的和均质的。任何形成光学界面的成分，例如乳化液、两相液体、液体混合物、含水和外来液体的油基液体以及空气，都将被当成颗粒记录下来。此外，如果油液被颗粒和氧化产物严重污染，则问题也随之出现。不过，在玻璃试样瓶中采集油样有个优点，即能在分析之前观察到油液的状态并评估任何潜在的干扰。另一方面，在线分析往往卷入与高压不透明管路相连接，致使油液状态无法确定。

对于所有的APC来说，重要的是考虑到电子电路中的漂移，需要对仪器定期地校准。

网式堵塞装置

这是一种比较新近的发展，通过使污染的油液流过带有均匀微孔的圆盘或滤网而工作。其尺寸大于微孔尺寸的颗粒将被从油液中去除，于是诱发滤网的堵塞，要么对恒流量型来说导致压差加大，或者对恒压型来说导致流量减小。对于恒流量型而言，由于已知体积油液的通过产生的压差与堵塞程度成正比，从而与污染等级成正比。同理，对于恒压型而言，流量的减小与污染等级成正比。两者都能以在线模式和离线模式工作。

这种类型的仪器其优点在于，它不大受油液状态的影响，并且能分析混合液、乳化液、深色油液和含空气的油液。

目前的仪器给出颗粒计数／在1、2或3种尺寸下的ISO代号以及NAS，但是不能计数由NAS 1638体系所涵盖的所的尺寸。单滤网型只能给出在单一颗粒尺寸下的颗粒计数，而在其他尺寸下的计数则必须假定一种固定的颗粒尺寸分布通过外推来得到。据认为这对于大多数实际分布是不成立的。

被命名为PCM 100的颇尔清洁度监测仪是一种便携式在线仪器，它利用滤网堵塞原理并使得可以快速评定液压传动、润滑和金属加工油液的油液清洁度等级。它能在现场快速地、操作者的干预最少地进行这些系统的油液清洁度的趋势监测，其中包括连续确定系统的趋势和在冲洗

期间确定。该技术提供胜过光学仪器的一个独特的优点在于，其测试结果不会由于混入空气、不透明油液、水、或者高度的亚微米颗粒而失真。 该PCM能通过直接连接于高压系统而使用或者用于静态油样分析。 PCM的工作原理

被试油液可以经一个减压阀(PRV)来自一个有压系统(高达310 bar)，或者来自油箱或容器。被试油样靠一个齿轮泵以恒定的120 mL／min泵送通过PCM。流量靠一个脉宽调制(PWM)反馈环路保持恒定。头2次循环以任何方向穿过5 μm滤网，而后2次循环以同样方式穿过15 μm滤网。其先后次序意味着滤网被不断地反向冲洗。在每次循环期间，微处理器选择2个传感器连接于模数转换器(ADC)。该ADC使得跨滤网的压差(dp)中的很小的升高也能被记录下来。把跨每个滤网的dp中的升高与时间、流量、滤网面积和系数联系起来使用而产生污染读数。此污染读数被处理器转换成ISO或NAS结果，然后处理器显示一个如图7中所看到的回路原理图。

还应该指出，PCM带有一个黏度计，该黏度计由处理器用来针对测试期间黏度的任何变化进行修正。

图7 PCM 100清洁度监测仪的原理回路

有许多诊断反馈功能规程向用户提供有关测试状态或可能引起虚假结果的任何潜在的参量变化的信息。

监测的频度

为了探测油液清洁度等级的变化，在缸密封件损坏或过滤器性能恶化的场合这种变化可能是突然发生的，应对系统定期取样以便把在较高的污染下运行的时间减至最短。最好是通过带着连续在线工作的油液清洁度监测仪运行来实现这一点。然而，这种方法要求每个系统配装它自己的监测仪，而只有当该设备或相关的过程的停工成本证明这样一种方法理由正常时才能认为这种方法是可行的。如果不是这样，则可以按有计划的监测程序用一个便携式监测仪给各种各样的系统定期取样。另一种选择是在一些预先净化的瓶子里采集油样，用于内部或外部的实验室

分析。

监测的频度将取决于清洁度等级的稳定程度和运行的性质是连续的还是间歇的，而且只能通过尝试来确定。取样周期一开始应该短，以后随着对系统过滤器把清洁度等级控制于所选等级的能力取得信心而逐渐加长。

可以进行过滤器更换周期的回顾以监测正在出现的任何问题的严重程度。由于过滤器将对增加了的污染物输入作出响应，如果更换频度已提高，则问题通常相当严重。如果系统装有多个过滤器，则比较每个过滤器的堵塞速度将会进一步收窄污染源。检查由过滤器所捕捉到的碎屑将提供关于污染物来源的进一步线索。

一旦找到了附加污染物的来源，可能是一个磨坏了的元件造成的，建议用过滤精度更高的过滤器清洗该系统以便清除残留的污染物。如果不得不更换元件，则这种冲洗是必不可少的步骤。

作为一种监测手段的过滤器

大概最估计不足和未充分利用的监测仪正是过滤器本身，特别是因为它对所有颗粒尺寸都作出响应，与系统一起供应而来，并且往往在线经历全流量。

当一个系统及其过滤器已被正确地设计时，油液清洁度等级将在一个稳定的等级上安定下来，这时系统生成的和侵入污染物的速度等于过滤器去除的速度，并经历定期滤芯更换周期。因而，一个有效的过滤器将对污染物输入等级的增加作出响应，结果滤芯寿命将缩短。这可能是因为侵入系统中的污染物增加并表明密封件磨坏了；由于在维修和补充油液期间带进污染物所致，或者是由于随着磨损速度加快由元件所生成的污染物增加。它还可能表明与液压油液有关的问题，例如不相容液体的污染引起添加剂沉淀等。此外，过滤器保存着失灵的结果，对所保存的碎屑的分析将有助于找出问题的根源。

滤芯更换周期也应画成趋势图，以给出附加的信息，而持续较短的滤芯寿命应被看成警告并引起调查。

结束语

实施TCC做法需要高级管理工作保证以便实现降低运行成本，提高性能、可靠性和机器利用率。

增加与配套的诊断监测方法锻练的接触，结合超前维修方式，将导致获利能力和竞争能力的增加。

*本文英文稿由颇尔过滤器(北京)有限公司提供

**作者简介：颇尔欧洲有限公司颇尔工业液压部门市场部经理