保持油品清洁对于任何工业操作的成功都至关重要。油液中的颗粒杂质会加速部件磨损，并可能导致部件过早失效。事实上，油液污染与超过80% 的工业设备故障有关。确保油液清洁有助于缓解这些问题，从而延长设备使用寿命，减少计划外停机时间，并降低维护成本。请记住，污染并不单指颗粒污染物，水污染、空气污染、溶剂污染等均属于油液污染的关键范畴。现代液压控制系统越来越多地使用伺服阀和比例控制阀。这些设备本质上处于控制制造过程和最终产品质量的关键阶段。控制阀的故障将造成非常昂贵的生产损失，比预防成本高出许多倍。因此，在采用高精度伺服、比例阀的液压系统采取各种污染控制技术确保设备稳定运行和提高元件寿命具有特别重要的意义。主要的预防措施是保持液压油的清洁度和化学成分。清洁度取决于为阀门和应用环境选择匹配的过滤器。化学性质与水含量和各种形式的分解等因素有关，这些分解可能是由于化学污染、过热或流体工作造成的。过滤器的设计需要对阀门的影响、阀门设计、回路布局以及运行环境有细致的了解。如果能仔细考虑这些因素，就有可能在一些最为恶劣的环境中实现高可靠性和长寿命。其中，重要的是要对元件和电路布局进行严密的评估，以获得最佳解决方案。关键的系统要素有以下几点：①.伺服阀和比例阀通常是过滤设计中最重要的领域。本质上，他们执行关键的控制功能的机器；要求运行一致，可靠性高。②.泵和电机可以从坚固的固定排量齿轮泵或叶片泵到复杂的可变排量活塞设备，具有精细的间隙和高昂的成本。在许多情况下，泵可能是规划过滤的关键因素。③.如果可以对伺服阀、比例阀、泵和电机都进行适当的保护，构成液压回路平衡的辅助阀门和元件一般是满意的。对于部件的类型，可能需要考虑一些因素，例如在安全回路中，必须选择阀座（锥形阀），以避免因淤塞而导致锁定。从实践经验来看，重点是伺服阀和比例阀的设计问题，其次考虑泵，电机和其他设备。显然，在某些情况下，泵或电机将是非常重要的；虽然关于电机、泵的污染控制相关内容超出了本文的范围，但适用于阀门的原理同样适用于任何液压元件。我们将在今后专门对电机、泵及其他部件的污染相关控制进行详细说明。
二、伺服阀和比例阀的失效模式
1、阀芯／阀套失效
所有伺服阀和几乎所有的比例阀采用阀芯／阀套来控制介质从该阀流出的最终流量，在这类阀里，此阀芯／阀套对与污染有关的失效来说是最敏感的，这些失效模式分成四大类：①.冲蚀失效
冲蚀失效是由于比阀芯或阀套表面有更硬的颗粒引起的，该颗粒产生对阀芯或阀套直接冲击或切削加工作用。在这种情况下，阀芯或阀套的节流棱边被破坏，使阀的压力增益降低，零位泄漏增加，使阀的功能不能正常发挥出来。②.淤积失效
当阀静止并有压力时，在阀芯与阀套之间出现淤积。比半径间隙大的一些颗粒被环形间隙滤掉。随着污染物的聚积，它们使启动摩擦力和静摩擦力增大，响应时间延长，使阀变得不稳定并有一个很宽的滞环，严重时使阀变得卡涩而无法操作。加大阀的正遮盖则提高淤积和卡涩的概率。这种现象在任何滑阀式阀中都会发生。如果将滑阀固定在某一位置，且阀芯两侧存在高压差，那么在 5 至 10 分钟内，细小的“泥沙”颗粒会逐渐积聚，从而将阀芯卡住。这就是在安全回路中使用直动式电磁阀的原因，因为安全回路可能需要长时间保持开启状态。普通电磁阀（或复位弹簧）在 3 至 5 分钟后就无法移动阀芯（图 1）。淤积与压差、过滤不良、休息时间和阀门设计成正比。①.卡涩失效
当阀变得非常不平衡时出现卡紧。侧载荷使得阀芯与阀套的金属接触表面之间出现微粘附 (冷压接)，这种严重侧载荷通常是该环形缝隙不均衡淤积的结果。中等卡紧加大启动力，造成阀芯运动不平稳，严重卡紧会使阀产生卡紧失效。②.腐蚀失效
由于液压油中存在水和氯化溶剂会引起阀芯／阀套节流棱边的腐蚀，对阀的损坏与冲蚀所致类似。
2、第一级失效
目前市场上的伺服阀包括一个第一级 (先导级)，一个第二级 (主级，阀芯／阀套)和一个进口过滤器，LCF(Lost Chance Filter)过滤器防止进口污染物到达第一级 (引起第一级阀的突发失效)。第一级失效一般来说是由于LCF的堵塞或喷嘴、挡板、射流管刀口或靶板、反馈杆端部的小球等的冲蚀磨损引起的。第一级失效很少由残留物污染所致。如果具有正确而足够的维护系统清洁，则该 LCF过滤器不会堵塞并将在该系统整个寿命中发挥正确作用。此外有了正确的系统过滤，第一级的冲蚀磨损即使未被完全避免亦将减至最少。突发失效能产生一个过强信号，主阀芯被驱动到它的挡铁，这在有些场合是非常危险的。内置 LCF过滤器能消除这种突发失效。LCF过滤器堵塞会使阀响应迟钝和定位精度不高，在LCF严重堵塞的场合，由于缺乏驱动力该阀芯将在阀套中卡住。阀芯／阀套节流棱边的任何损坏将引起阀性能恶化。阀芯／阀套间隙的加大亦将引起阀性能退化， 加大零位泄漏、滞环和不稳定。这些是由于阀芯堵塞或孔口堵塞而导致的随机且通常不可预测的故障。这是最昂贵的故障形式，因为它会导致生产意外停机，并可能因执行器不受控制的运动而导致机器损坏。而造成失效最直接的原因就是以下四大类的污染。
污染物又分别固体颗粒（包括纤维）污染和软性污染物两类。固体污染物通常是不溶于油或其他液体的污染物类型。金属、沙子、橡胶以及盐和冰晶等固体污染物可通过以下特征识别：油箱内存在污染物
损坏的密封件
阀门堵塞
油加速氧化和变质
锯、加工、焊接、研磨产生的金属颗粒
包装材料中的木质颗粒
砂型铸造和喷砂
切削液和粘合剂中的树脂
软管和环中的橡胶颗粒
来自工具和包装材料的塑料颗粒
来自织物、纸、纸板的纤维
涂料中的油漆颗粒
固体型污染物 （包括纤维）将引起阀失灵和损坏，并引发以下现象（图 2）。
磨损现象：当一个较大的固体污染物颗粒卡在两个运动部件之间，并嵌入其中一个部件时，就会发生磨损，从而刮伤并损坏两个运动部件的表面。磨损会导致系统尺寸的改变、阀门泄漏，系统效率降低等。
粘附现象：当油膜厚度减小到金属与金属开始接触的程度时，就会发生粘附，从而导致表面焊接和剪切。粘附会导致阀门泄漏、系统效率降低，部件损坏等。
疲劳现象：当固体颗粒卡住并反复凹陷部件表面，导致表面开裂和损坏时，就会发生疲劳。由于疲劳，颗粒将被释放，开始损坏系统的另一部分。疲劳会导致设备泄漏、部件表面的劣化，部件表面开裂等。
侵蚀现象：当颗粒撞击并磨损部件表面从而造成材料损失时，就会发生侵蚀。侵蚀会造成系统尺寸改变、阀门泄漏，阀门故障或喷嘴喷雾形态异常等。
淤积现象：当液压系统中固体颗粒积聚时，就会发生淤积。淤积会导致阀门堵塞、反应迟缓及不稳定、线轴卡死/线轴粘连 、电磁线圈烧毁，影响热传递特性等。
该类损坏与颗粒的尺寸、数量和物理性能有关，例如为了使一个颗粒堵住一个节流孔或卡住阀第一级的挡板，该颗粒必须具有引起这类失效的尺寸。为了使第一级LCF过滤器堵塞，该液压油必是高度污染的，具有明显数量大于该LCF 过滤精度的颗粒。一般来说，第一级阀失效是伴随着大于20μm颗粒的大量存在而引发的。在喷嘴挡板式阀和射流管式阀的第一级中均可能出现冲蚀磨损。任何冲击表面都将受到冲蚀， 该冲蚀与冲击表面的诸颗粒的数目、尺寸、速度及相对硬度成比例。这种冲蚀磨损常由小于4μm 的颗粒所致，因为它们在介质中的量最大。较大的颗粒如果进入阀芯也会引起冲蚀。同样地，阀芯节流棱边的冲蚀与流过该节流棱边的诸颗粒的数目、尺寸、速度及相对硬度成比例。节流棱边流速通常超过50m/s。与冲蚀不同，阀芯／阀套的淤积与具有类似于阀半径间隙尺寸颗粒的数目成比例。由于阀芯／阀套的间隙一般来说是很小的 （表1），故须精细过滤。阀芯／阀套一般来说是一个电液阀中最敏感的区域之一，需要最精细的过滤保护防止由颗粒型污染引起的损坏。为了把与污染相关的阀芯／阀套淤积、卡涩和冲蚀损坏减少到最小，需要正确的过滤来控制＜1 μm的颗粒。
污染物滞留在阀芯和阀体/或衬套之间的微小间隙中；颗粒物也可能堵塞控制孔，导致“硬过”状态或失去控制压力。在决定采用何种过滤方式来解决此类问题时，了解间隙的大小和克服颗粒的驱动力非常重要。例如，量化线轴上的力的大小并不容易，但有一些经验数据可以帮助估计需要克服的力的数量级（图 3）。可能导致这种故障的颗粒通常会导致比功能故障更多的故障。由于它们可能会卡在阀芯中，因此通常会对阀门的控制面造成永久性损坏，这也意味着需要昂贵的维修或更换新阀门。这通常通过选择贝塔等级的非旁通高压过滤器来解决，以去除可能阻碍阀门功能的颗粒。
软污染物是另一种不溶性污染物，会给各种液压应用，特别是涡轮机带来问题。软污染物会导致漆膜（图 4）的形成。含有金属和水分颗粒的受污染流体会氧化，导致流体降解和总酸值（TAN）上升，最终形成漆膜。温度波动（热量）会导致热点，从而加速这一过程。漆膜会在液压系统的部件上形成一层粘性薄膜，捕获各种颗粒。这种情况会继续累积，形成一层磨蚀性和破坏性的表面膜，导致粘性沉积物粘附在油回路的金属表面，如管道、阀门、热交换器、过滤器和其他敏感设备。漆膜是最被低估的污染物之一，会导致流体、过滤器和系统的使用寿命缩短，并导致计划外停机和维护。有关漆膜的形成、影响、解决方案可参考本公众号内漆膜相关文章。
无论是固体还是软性污染物，通常颗粒尺寸以微米（μm）或纳米（nm）为单位测量。举几个大μm尺寸的例子，比如一粒盐，大约100μm，一根头发大约70μm。一些更小的μm级的样本是细菌，很多小于1μm，人眼看不到。液压或润滑系统中最容易造成损坏的颗粒小于4μm，占全部污染物的90%（图 5），而其中超过70%会造成致命损害的颗粒粒径不到1μm，人眼看不到。非常小的颗粒是传统过滤技术的最大弱点。高效的机械过滤系统可以非常有效地去除3μm以上的污染颗粒。但是更小的纳米尺寸的污染颗粒对液压系统提出了一个非常不同的挑战。这些颗粒太小，肉眼看不到，甚至难以用标准的油品分析设备检测到。它们也足够小，可以通过最精细的传统过滤器。如果不对这些污染颗粒加以控制，纳米级的颗粒在石油供应中会越积越多。尽管尺寸很小，纳米颗粒在石油降解中起着决定性的作用。这通常是因为它们在大多数工业油的总污染负荷中占很大一部分。在典型的油样中，80%的污染物表面积存在于纳米尺寸的颗粒上。油和污染物表面之间的界面是发生氧化的地方。由于氧化是油老化的主要原因，减少这些表面积上积存的纳米污染颗粒真的很重要。纳米颗粒也会导致磨损。例如，滚珠轴承的运动表面之间的润滑剂膜大约为0.5μm。所以即使是比1μm小得多的污染颗粒也足以破坏薄膜，潜在地导致表面损伤。直到最近，设备所有者在从他们的油中去除纳米颗粒方面几乎无能为力。②.空气污染
在闭式液压系统中，游离和溶解的空气污染对系统有不利影响并降低介质的体积弹性模量使系统的刚度降低，系统性能变得缓慢不规则，甚至有危险，它通过腐蚀和冲蚀机理产生磨损并通过氧化和增加酸值而加速介质变质。在液压系统内部，空气可能以溶解态或游离态存在。溶解的空气不会造成问题，但游离的空气在流经系统部件时就会成为问题。它会导致压力变化，使空气压缩并在小气泡中产生大量热量。这种热量会破坏添加剂和液压液本身。如果自由空气的量达到一定水平，就会对系统的生产率产生负面影响。液压系统依赖于流体相对不可压缩的特性，而空气会减少液体的体积。这是因为空气比溶解它的液体更容易压缩。当存在空气时，泵必须投入更多的能量来压缩空气，因此用于系统运行的能量就减少了。处于这种状态的系统被称为“软弱无力的”。无论是溶解态还是游离态的空气都是潜在的氧化源，会加速金属部件的腐蚀。这两种状态的空气都会产生氧化物，促进颗粒的形成或形成淤泥。如果不能防止或清除氧化碎屑，磨损和干扰就会增加。
③.水污染
水也是液压油污染和伺服阀、比例阀损坏的一个根源。水在液压油中既以游离状态出现又以溶解状态出现，游离水能引起金属表面腐蚀，加速介质氧化和增加酸值，这将必然使介质性能退化，降低润滑性。而且，积存在阀中的游离水在温度降到冰点以下还能结冰，游离水还能使添加剂从某些液压油中沉淀，这种沉淀能引起阀失效及过滤器堵塞。溶解水将引起基础油的稀释并伴随泄漏的增加，润滑性能降低。水污染的第一个迹象是粘度的变化。这将导致润滑厚度减小，导致金属间接触。自由水与磨损产生的小铜或铁颗粒的结合将对氧化产生催化作用。自由水还会渗透到金属表面的微观孔隙中，导致系统组件的腐蚀。腐蚀颗粒将在系统中扩散，导致储罐中形成新的腐蚀，循环继续进行。水污染还会导致添加剂耗尽，从而导致介电强度损失、氧化、加速金属表面疲劳和油分解。
液压油中的溶剂污染也是相当有害的。残留卤化溶剂 (三氯乙烷等)与少量水结合时将水分解而形成盐酸，引起伺服阀和比例阀元件表面的腐蚀和冲蚀。曾有这样一个系统，被卤化溶剂污染，在数小时内电磁阀节流棱边被损坏的难以修复。溶剂污染也常在液压油自身中见到，溶剂污染还产生于介质中添加剂的化学反应，它对系统的磨损过程有间接影响。液压油是按一定比例专门配方制造的，它含有几种溶解形式的添加剂。溶剂污染使添加剂沉淀并逐渐耗尽。系统过滤器收集这种沉淀物致使滤芯堵塞，如果来不及更换滤芯，系统将不受保护导致磨损的连锁反应。为了保持比例阀、伺服阀发挥正确的性能和长寿命，必须保证液压油中含有尽可能少的颗粒、空气、水、溶剂。
无论过滤多么好，任何系统中的所有阀门最终都会磨损。我们的目标是最大限度地延长这段时间，以确保我们实现阀门的长寿命和可靠的产品质量。提供阀门寿命的简单说明并不容易，因为这取决于：过滤、操作环境、阀门设计（例如：阀芯行程）、控制系统性能要求、工作流体、操作频率和工作压力。我们可以举一些例子来说明相同阀门会发生什么。使用长行程伺服阀控制“型坯”厚度的塑料吹塑机——我们有许多案例，其中应用了良好的过滤器维护，使得大修之间的时间长达10年。如果系统没有得到正确维护，同样的应用程序可能会在几个月或几周内发生灾难性故障（通常是由于严重污染导致的颗粒物堵塞）。在钢铁行业，有记录显示流体不相容[化学侵蚀]导致数周内发生故障；管道改造冲洗不良，导致数小时或数天内出现故障。在后一种情况下，对系统进行了清洁和过滤升级，这样我们现在可以在非常恶劣的操作环境中看到多年的使用寿命。除了停止阀门工作外，还会逐渐积聚其他“漆膜”或油泥类污染物，降低阀门的控制质量，如阈值和滞后。这将直接影响系统的准确性和可重复性。第二个问题是阀门部件的腐蚀，导致控制系统性能的损失。典型的磨损区域有：①. 机械反馈伺服阀中的反馈球连接。反馈球会产生一个扁点，导致失去精细控制和致动器振荡。②. 控制地将磨损以增加零泄漏和压力增益性能的一些损失。磨损是高流速和污染的结合。这可以通过回流过滤或离线过滤系统去除细淤泥级颗粒来最小化。最后，通常会提供一个“最后机会”过滤器（LCF），在发生灾难性系统故障时保护阀门的内部部件。这些过滤器通常由金属丝网制成，内置于先导级供应管线中的阀门阀体中（图6）。随着阀门操作的延长，污染会逐渐积累。这可能会导致阀门响应损失，也可能导致阀门偏移，进而影响受控执行器的定位精度。作为一般规则，主系统过滤器应该保护LCF过滤器。有一些情况下，这个过滤器需要经常维修，并被指责太小了！这显然是症状，真正的原因是整个系统的污染控制不足。
图 6 机械反馈伺服阀
①. 短期失效
【影响】无预警，对设备、生产和人员造成灾难性后果。
防止短期故障的保护是由非通过压力线过滤器提供的，以及适当考虑的阀门设计。
②. 长期失效
【影响】控制系统的性能
长期影响无法消除，但通过适当的设计可以消除，可以在需要维修或维修之前，可以最大限度地延长阀门的使用寿命。这就需要有效地应用防止淤塞级的超精过滤系统。
大多数工业伺服阀通常会规定从“正常运行”到“延长使用寿命”的一系列清洁度等级。然而，从设计目标来看，“长寿命运行”的规格更受青睐，而较高的污染等级（“正常运行”）往往表明的是短期目标。由于不同系统的设计差异，伺服阀推荐的清洁度等级并不统一，但表 2提供了可预期的等级（ISO4406）的比较。
2、 比例阀
比例阀有着多种多样的需求，这些需求应当分阶段进行审查。①.主要工作台（液压驱动）可承受与整个系统液压相同的清洁度等级 - 通常由泵的使用寿命和可靠性来决定。②.实验阶段（或单级阀）根据驱动原理的不同有着不同的需求- 线轴控制（精细计量边缘）应为 16/13 至 14/11。
- 伺服喷嘴/挡板式喷嘴应符合 ISO4406 19/15 至 16/13 标准。
表 3 是对主要比例阀供应商的产品目录评论的总结。值得注意的是，尽管阀的设计各不相同，但五个品牌在理想的过滤和清洁度规格方面却完全一致。基于所引用的最坏情况得出的结论需要谨慎对待，并且必须通过评估的设计细节来加以限定。归根结底，大多数制造商都处于大致相同的高端水平。
在表3中，博世（Bosch）引用16/13为零重叠阀门，这应该相当于对其比例阀导阀的要求。然而，由于某些原因，他们引用了稍高的等级（17/14）作为比例阀的规则。这与力士乐（Rexroth）、派克（Parker）和威克斯（Vickers）等公司形成了冲突，这些公司在间隙、阀芯驱动力和材料方面都提供相同设计的阀门。
良好的污染控制将始终为液压系统中伺服阀和比例阀的最终用户提供最低的设备运行成本和最高的可靠性。具体的污染控制相关内容我们将在下一篇中与大家分享。
表4 是不同油品清洁度的相关描述。
表5为全球知名的权威润滑咨询管理公司Noria公司统计的油品清洁度和部件寿命的关系图。众多国际知名的油品、轴承、阀门、泵、过滤系统、液压系统等公司都在使用这张表。从该表中可以看到液压系统的清洁度由ISO 21/19/16（NAS 10级）提高到ISO 14/12/09（NAS 3级），液压系统的寿命可以提高7倍。目前国内大多数液压系统的使用标准为NAS 8 ~ 10级。可以看到，提高液压油清洁度可以大幅延长系统的寿命，降低系统故障率。
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