（原文摘錄《液壓氣動(dòng)與密封》2013年第33卷第02期）
0 引言
液力元件有液力耦合器(Fluid coupling)和液力變矩器(Hydrodynamic torque converter)兩種。液力耦合器是一種非剛性聯(lián)軸器。液力變矩器實(shí)質(zhì)上是一種力矩變換器。
液力傳動(dòng)能吸收沖擊和振動(dòng)，過(guò)載保護(hù)性好，甚至在輸出軸卡住時(shí)，動(dòng)力機(jī)仍能運(yùn)轉(zhuǎn)而不受損傷，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速和無(wú)級(jí)調(diào)速、帶載荷啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)等性能，能提高整個(gè)傳動(dòng)裝置的整體性能，改善車輛通過(guò)性能，增加舒適性，因此它被廣泛的應(yīng)用于各類汽車及以運(yùn)輸為主的各類車輛、工程機(jī)械及以作業(yè)為主的各類機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)車類軌道車輛、恒載荷調(diào)速的設(shè)備(如活塞泵、攪拌機(jī)等)上[1]。
但是液力傳動(dòng)裝置、特別是工程機(jī)械用液力元件(液力變矩器)內(nèi)部一直存在高污染、難清洗、清洗成本高昂等問(wèn)題。筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合液力傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)，以工程機(jī)械用液力變矩器為代表，提出一套優(yōu)化的清洗方案。
1.變矩器的使用情況
常見(jiàn)的單級(jí)閉鎖變矩器由泵輪總成、渦輪總成、導(dǎo)輪總成、閉鎖離合器總成和后蓋組成，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間，以液力傳動(dòng)油(如：8#液力傳動(dòng)油、6#液力傳動(dòng)油等)為工作介質(zhì)，起傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合的作用。泵輪與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，起動(dòng)力輸入作用；渦輪與變速箱輸入軸連接，起動(dòng)力輸出作用。
由此可見(jiàn)，液力變矩器的正常運(yùn)行，是傳遞轉(zhuǎn)矩、變矩、變速及離合的關(guān)鍵，它的清潔度不僅影響本身的工作，而且會(huì)影響整體傳動(dòng)裝置的正常運(yùn)行。
2.存在的污染問(wèn)題
液壓系統(tǒng)油液污染物的主要來(lái)自三個(gè)方面：系統(tǒng)中殘留的污染物、系統(tǒng)再生污染物、系統(tǒng)入侵污染物[2]。本文就液力變矩器在整機(jī)裝機(jī)前清潔度控制加以討論，因此，污染物來(lái)源主要?dú)w以下幾點(diǎn)：
1) 鑄造鋁合金件、灰鑄鐵件、球墨鑄鐵件鑄造過(guò)程中殘留石墨粉、滑石粉、粘砂、金屬粉末等。
2) 葉輪等旋轉(zhuǎn)零部件、殼體等固定零部件、單向離合器、接頭等機(jī)加工件殘留金屬切屑粉末、氧化皮，以及冷卻液、清洗液殘留的固體顆粒污染物等。
3) 硬管在切割、彎曲、焊接、配管等過(guò)程中存留的焊渣、氧化皮、灰塵、機(jī)械雜質(zhì)等。
4) 各部件總成裝配、運(yùn)輸及整個(gè)裝置性裝配等過(guò)程中殘留密封膠、橡膠密封件飛邊、侵入粉塵、纖維等。
5) 液力變矩器裝配后，導(dǎo)輪總成中閉鎖離合器的摩擦帶磨合、磨損過(guò)程中產(chǎn)生的金屬顆粒、粉末等。
6) 其他加工、制造過(guò)程中殘留、侵入污染物。
7) 其他侵入污染物。
具其污染物的來(lái)源分析，固體污染物的成分有：石墨粉、滑石粉、金屬切屑粉末、粘砂、纖維、橡膠、灰塵等。最主要的污染物為：石墨粉、滑石粉、金屬顆粒粉末、粘砂。
此時(shí)，我們用污染度為相當(dāng)于NAS 1638 8級(jí)8#液力傳動(dòng)油去沖洗污染較嚴(yán)重的變矩器(具體見(jiàn)4.2)，并取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)沖洗后油液的污染度為GB/T14039-2002(ISO4406：1999，MOD)25/23/20(相當(dāng)于NAS 1638 14級(jí))，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到液力傳動(dòng)裝置對(duì)油液污染度的要求：一般工程機(jī)械廠要求該條件下液力變矩器油液污染度為NAS 1638 10級(jí)以上。外觀上看，油液顏色也已經(jīng)由棕紅色變?yōu)榛液谏?，污染相?dāng)嚴(yán)重，如不加以控制，變矩器很難滿足其可靠性要求：變矩器的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)應(yīng)不低于3000h[3]。
3.變矩器的污染控制
全面的污染控制，是既要有效防止污染物侵入，又要將侵入系統(tǒng)的污染物有效的清除，還要控制內(nèi)部再生污染物，并將其有效的清除。因此應(yīng)將污染控制貫穿于系統(tǒng)和元件的設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試及使用和維修等整個(gè)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于液力變矩器的前期污染，可以參考以下幾個(gè)階段加以控制：
3.1 設(shè)計(jì)階段
液力變矩器輔助系統(tǒng)中應(yīng)合理選擇、布置過(guò)濾器。輔助系統(tǒng)的過(guò)濾器是對(duì)變矩器補(bǔ)償?shù)挠鸵?、維護(hù)變矩器內(nèi)部的油液的最有效、最直接、最簡(jiǎn)單的辦法。吸油過(guò)濾器應(yīng)帶磁性過(guò)濾，精過(guò)濾器的濾芯應(yīng)選用高過(guò)濾比、高納污量的玻璃纖維濾材。
合理選用液力傳動(dòng)油，保證機(jī)械部分的良好潤(rùn)滑。
3.2 加工、制造階段
改進(jìn)或采用一些新的工藝或設(shè)備，減少加工件的毛刺、提高有動(dòng)摩擦接觸面的粗糙度，減少系統(tǒng)內(nèi)部再生污染物的產(chǎn)生。在加工、制造過(guò)程中的殘留污染物，主要靠清洗和沖洗加以清除。
3.3 裝配、運(yùn)輸階段
所有需要清洗的零件、元件、附件，在進(jìn)入裝配現(xiàn)場(chǎng)前，必須清洗干凈，并用干燥、清潔的氮?dú)饣驂嚎s空氣吹干，且要密封。裝配好的部件、總成在運(yùn)輸前，對(duì)所有的開(kāi)口處，必須密封，且要注意密封件的清潔。
各個(gè)步驟、過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)操作規(guī)程、規(guī)章制度進(jìn)行，盡量減少人為因素造成的污染。
4.液力變矩器清洗方案
液力變矩器污染物的成分復(fù)雜、污染嚴(yán)重，但又要求清洗成本低廉、清洗效率高，筆者結(jié)合為某工程機(jī)械廠液力變矩器設(shè)計(jì)的液力傳動(dòng)清洗過(guò)濾裝置，具體討論變矩器清洗方案。該液力變矩器用于重型工程機(jī)械，其清潔度的前期控制不太理想，污染相當(dāng)嚴(yán)重。
4.1 性能要求
設(shè)計(jì)時(shí)要求過(guò)濾效率高，清洗成本相對(duì)低廉，操作簡(jiǎn)便，有一定的自動(dòng)化程度，同時(shí)保證輸出油液污染度為NAS 1638 10級(jí)以上。
4.2 初步分析
1. 用干凈的8#液力傳動(dòng)油沖洗該液力變矩器，沖洗壓力為1.0MPa，油溫50℃，并對(duì)沖洗前后的油液取樣[4]，分別進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)分析[5]，結(jié)果見(jiàn)表1：
由表1數(shù)據(jù)可知，有危害的污染物顆粒主要范圍分布在6～50μm；經(jīng)沉淀后，≥14μm的顆粒減少了較多。
2. 確定污染物的主要成分為：石墨粉、金屬顆粒粉末(大部分為鐵屑及鐵的氧化物)。
對(duì)取樣油液檢測(cè)結(jié)果加以分析，了解污染物顆粒分布范圍、主要成分，對(duì)循環(huán)過(guò)濾合理的分級(jí)過(guò)濾組合及選擇合適的過(guò)濾材料，在保證提供符合要求的油液的前提下，盡可能的降低清洗成本和提高過(guò)濾效率。
4.3 方案實(shí)施
針對(duì)以上分析結(jié)果及要求達(dá)到的性能，具體方案如下進(jìn)行：
1. 根據(jù)污染物顆粒分布范圍，針對(duì)性的分多級(jí)過(guò)濾，過(guò)濾裝置設(shè)定四級(jí)回油過(guò)濾：過(guò)濾精度設(shè)定參見(jiàn)表2：
表 2
過(guò)濾級(jí)數(shù) | 過(guò)濾精度(μm) |
一 | 50 |
二 | 30 |
三 | 20 |
四 | 10 |
除第四級(jí)精過(guò)濾器采用高過(guò)濾比[7]、高納污容量[8]的玻璃纖維濾材外，其余三級(jí)過(guò)濾濾芯均采用能清洗重復(fù)使用的不銹鋼網(wǎng)濾材。據(jù)表1數(shù)據(jù)可以了解，有危害的、影響油液等級(jí)的大部分污染物顆粒均在10μm以上，這樣濾材的選用，大幅度的降低了濾芯的使用成本，既能滿足油液污染度要求，又盡可能滿足經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性的要求。
2. 設(shè)定沉淀過(guò)濾裝置，以下簡(jiǎn)稱油池，對(duì)大顆粒污染物進(jìn)行沉淀。
3. 整套液力傳動(dòng)清洗過(guò)濾裝置由兩大塊組成：油池和過(guò)濾裝置，它們和變矩器組成開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。
圖1：液力傳動(dòng)裝置清洗示意圖
4. 過(guò)濾裝置采用兩套相對(duì)獨(dú)立泵組：其中一套供自身系統(tǒng)循環(huán)，對(duì)油液的污染度加以控制；另一套泵組為變矩器供油(試驗(yàn)回路)。油池泵組采用自動(dòng)控制，以滿足試驗(yàn)回路在不連續(xù)工作的各種工況下，確保油液正?；氐竭^(guò)濾裝置油箱，同時(shí)油池不會(huì)溢油和防止油池泵組空轉(zhuǎn)。
5. 過(guò)濾裝置油箱內(nèi)部采用隔開(kāi)式，對(duì)油池回來(lái)的污染油和過(guò)濾后的清潔油液隔離，提高了過(guò)濾效率，并保證給試驗(yàn)回路提供污染度GB/T14039-2002(ISO4406：1999，MOD) 21/19/1 6(相當(dāng)于NAS 1638 10級(jí))以上的清潔油液。
6. 油池放置地面以下，利用重力使清洗過(guò)變矩器的油液自行流到油池油箱，可以簡(jiǎn)化設(shè)備，同時(shí)也能節(jié)約能源。在油池回油口處設(shè)置濾籃，并加設(shè)強(qiáng)磁過(guò)濾，將大顆粒污染物和大部分切屑攔截下來(lái)；油箱內(nèi)部采用多級(jí)隔開(kāi)，可以使油液經(jīng)多級(jí)沉淀后再流至泵組吸口，對(duì)油池泵組及后面循環(huán)系統(tǒng)濾芯的使用壽命有重要的意義。
7. 油池設(shè)置的過(guò)濾精度見(jiàn)表3。
表3
過(guò)濾器 | 過(guò)濾精度(μm) |
濾籃 | 180 |
吸油過(guò)濾器 | 180 |
回油過(guò)濾器 | 50 |
吸回油過(guò)濾器濾芯均采用網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，可以清洗重復(fù)使用，并加設(shè)強(qiáng)磁過(guò)濾，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)大顆粒污染物和鐵屑加以攔截。
8. 其液壓原理圖可以參考圖2。
圖2：液壓原理圖
油液從試驗(yàn)回路泵組輸出，對(duì)變矩器進(jìn)行沖洗，沖洗后污染油液依靠自重流回油池，經(jīng)濾籃強(qiáng)磁過(guò)濾、粗過(guò)濾、多級(jí)沉淀后，由油池輸油泵組(根據(jù)液位自動(dòng)控制啟動(dòng)與停止)輸出，再經(jīng)磁性過(guò)濾、50μm精度回油過(guò)濾后，回到過(guò)濾裝置油箱主循環(huán)泵組吸油口，最后經(jīng)主循環(huán)的磁性、吸油、四級(jí)回油過(guò)濾循環(huán)過(guò)濾后，為試驗(yàn)回路供油，完成油液循環(huán)。
9. 流量匹配：主循環(huán)泵組流量應(yīng)不小于輸油泵組流量，輸油泵組流量應(yīng)不小于試驗(yàn)回路泵組流量。
10. 過(guò)濾裝置設(shè)置加熱器，能在設(shè)定的范圍內(nèi)自動(dòng)控制加熱，使油溫保持在50℃左右最佳的過(guò)濾、沖洗條件。
11. 試驗(yàn)回路泵組能任意設(shè)定工作時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定沖洗時(shí)間，免去了對(duì)每臺(tái)變矩器沖洗時(shí)間的記錄，提高工作效率。
12. 在各回油過(guò)濾器下游設(shè)置取樣閥和測(cè)壓接頭，可以隨時(shí)進(jìn)行取樣檢測(cè)和在線檢測(cè)，以了解和控制油液的污染情況。
13. 各路過(guò)濾器濾芯堵塞報(bào)警、低液位報(bào)警應(yīng)能及時(shí)反應(yīng)在控制面板上，對(duì)更換清洗濾芯、液位過(guò)低等提供警示作用。
4.4 沖洗
各管路連接完畢(參考圖1)，開(kāi)始沖洗變矩器，并對(duì)沖洗前后油液分別取樣檢測(cè)，當(dāng)污染等級(jí)下降到與設(shè)備用液壓油要求達(dá)到的污染等級(jí)相同時(shí)，沖洗合格[9]。一般情況下，沖洗后油液污染度達(dá)到GB/T14039-2002(ISO4406：1999，MOD)21/19/16(相當(dāng)于NAS 1638 10級(jí))時(shí)，變矩器的清潔度就能滿足要求。液力變矩器清潔度的具體檢測(cè)方法及清潔度要求，可參考JB/T10223-2001《工程機(jī)械液力變矩器清潔度檢測(cè)方法及清潔度指標(biāo)》，或根據(jù)各工程機(jī)械廠自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于液力傳動(dòng)清洗過(guò)濾裝置本身，如要求提供油液污染度達(dá)到GB/T14039-2002(ISO4406：1999，MOD)19/17/14(相當(dāng)于NAS 1638 8級(jí))，或者更高，只需要提高主循環(huán)回油過(guò)濾濾芯精度，這樣變矩器清潔度也能達(dá)到更高的要求，但是清洗成本也會(huì)相應(yīng)的提高。
5. 小結(jié)
液力清洗過(guò)濾裝置是針對(duì)目前液力傳動(dòng)裝置(特別是液力變矩器)高污染、難清洗的現(xiàn)狀和清洗成本高的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，實(shí)踐證明，不僅清洗成本相對(duì)低廉，而且能很好的控制清洗油液的污染度和液力傳動(dòng)裝置的清潔度。
液力清洗過(guò)濾裝置同樣也適合變速箱、齒輪箱等高污染傳動(dòng)裝置的清洗和維護(hù)。
參考文獻(xiàn)
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[6] GB/T 14039-2002 液壓傳動(dòng) 油液 固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)(ISO 4405:1999,MOD)
[7] GB/T 20079-2006 液壓過(guò)濾器技術(shù)條件
[8] GB/T 18853-2002 液壓傳動(dòng)過(guò)濾器 評(píng)定濾芯 過(guò)濾性能的多次通過(guò)方法(ISO 16889:1999,MOD)
[9] 耿艷輝，詹晨菲，液壓系統(tǒng)長(zhǎng)大管路的清洗[J].液壓氣動(dòng)與密封，2012(5).
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