注：本文根據MOOG相關文章翻譯整理
本文回顧了汙染對高效能液壓系統的潛在影響。基於實際示例討論了元件和系統級別的設計注意事項。
1。簡介
現代液壓控制系統越來越多地使用伺服和比例控制閥。這些裝置本質上處於控制最終產品的製造過程和質量的關鍵階段。比例閥也用於物料搬運的輔助功能，其中時間至關重要。控制閥的故障將導致非常昂貴的生產損失，比預防成本高很多倍。
預防的主要方法是維護液壓油的清潔度和化學成分。清潔度取決於為閥門和應用環境選擇合適的過濾器。化學特性與諸如水含量和由於化學汙染、過熱或流體工作而可能發生的各種形式的分解等因素有關。
透過過濾器公司和液壓油供應商提供的實驗室測試，可以以相對較低的成本有效地監測這些因素。
過濾設計需要仔細瞭解對閥門、閥門設計、迴路佈局和操作環境的影響。如果仔細考慮這些因素，就有可能在一些最困難的環境中實現高可靠性和長壽命。
對元件和原理佈局進行仔細評估以實現最佳解決方案非常重要。關鍵的系統元素是：
［1］ 伺服閥和比例閥通常是過濾設計最重要的領域。本質上它們執行機器的關鍵控制功能；要求一致的操作和高可靠性。
［2］ 泵和電機可以從堅固的定排量齒輪泵或葉片泵到具有精細間隙 ［表 1］ 和高成本的精密可變排量柱塞泵。在許多情況下，泵可能是規劃過濾的關鍵因素。
［3］ 如果上述組 ［1］ 和 ［2］ 得到適當保護，則構成液壓回路平衡的輔助閥和元件通常會得到滿足。可能有一些關於元件型別的考慮因素，例如在安全電路中，必須選擇座式 ［提升］ 閥以避免因淤塞而鎖定。
從實踐經驗來看，重點是伺服閥和比例閥的設計問題，其次是泵、電機和其他裝置。很明顯，在某些情況下，泵或電機非常重要；然而，儘管超出了本文的範圍，應用於閥門的原理同樣適用於任何液壓元件。
* 估計的薄潤滑油膜
* * 徑向間隙
表 1：液壓元件的典型臨界間隙
2。 汙染的影響
汙染的結果可以簡單地分為兩個問題，這反過來又成為我們設計的目標：
2。1 短期故障
這些是由於閥芯卡住或孔口堵塞而導致的隨機且通常不可預測的故障。這是成本最高的故障形式，因為它會導致意外關閉製造，並可能由於執行器運動不受控制而導致機器損壞。
典型的機制是：
2。1。1 顆粒堵塞——汙染物滯留在閥芯和閥體 ［或襯套 ］ 之間的細微間隙中；顆粒也可能堵塞控制孔口，導致“硬過”情況或控制壓力損失。在決定使用過濾解決此類問題時，瞭解間隙的大小和克服顆粒的驅動力非常重要。例如，量化線軸上的力的大小並不容易，但有一些可用的經驗資料可以幫助估計需要克服的力的數量級 ［圖 1］。
可能導致這種故障的顆粒通常會導致功能故障。由於它們會卡在閥芯中，因此通常會對閥門的控制區域造成永久性損壞，這也意味著需要進行昂貴的維修或更換新閥門。
這通常透過選擇 Beta 等級的非旁通高壓過濾器來解決，以去除可能阻塞閥門功能的顆粒。
圖 1：由於顆粒堵塞引起的閥芯鎖定力
2。1。2 淤塞——任何滑閥都會出現這種現象。如果我們將閥芯固定在固定位置，並在整個邊緣上施加高壓，細小的“淤泥”顆粒會逐漸堆積，在 5-10 分鐘內鎖定閥芯。這就是為什麼在可能涉及長時間待機的安全迴路中使用提升型電磁閥的原因。傳統的電磁閥（或復位彈簧）在 3-5 分鐘後不會移動閥芯［圖 2］。
淤積與壓差、過濾不良、靜止時間和閥門設計成正比。
圖 2：由於淤積造成的閥芯鎖定力
2。2 長期故障
無論過濾效果如何，所有閥門最終都會在任何系統中磨損。我們的目標是最大限度地延長這段時間，以確保我們實現閥門的長壽命和可靠的產品質量。
提供閥門壽命的簡單陳述並不容易，因為這取決於：過濾、工作環境、閥門設計 ［例如：閥芯行程］、控制系統性能要求、工作流體、工作頻率和工作壓力。
我們可以引用一些相同閥門可能發生的情況的例子。
示例 ［a］ 塑膠吹塑機使用長衝程伺服閥來控制“型坯”厚度 - 我們有很多案例都採用了良好的過濾器維護，大修間隔時間長達 10 年。未正確維護系統的相同應用可能會在數月或數週內遭受災難性故障 ［通常是由於嚴重汙染導致的顆粒堵塞］。
示例 ［b］ 在鋼鐵行業，有記載的流體不相容性 ［化學侵蝕］ 導致數週內發生故障的案例；管道改造的沖洗不良導致在數小時或數天內發生故障。在後一種情況下，系統經過清潔和過濾升級，因此我們現在在非常惡劣的操作環境中看到了多年的使用壽命。
那麼長期的影響是什麼呢？
除了停止閥門工作外，其他“清漆”或淤泥型別的汙染物可能會逐漸積聚，從而降低閥門的控制質量，例如閾值和滯後。這將直接影響系統精度和可重複性。
第二個問題是閥門零件的腐蝕導致控制系統性能的損失。典型的磨損區域是：
a） 機械反饋伺服閥中的反饋球連線。反饋球上會出現平坦點，導致精細控制和致動器振盪的喪失。
b） 控制平臺會磨損以增加零位洩漏和壓力增益效能的一些損失。
磨損是高流速和汙染的結合。透過迴流管道過濾或離線過濾系統去除細小的淤泥級顆粒，可以最大限度地減少這種情況。
最後，在發生災難性系統故障時，通常會提供“最後機會”過濾器來保護閥門的內部部件。這些過濾器通常由金屬絲網製成，並內置於先導級供應管線中的閥體中 ［圖 3］。儘管它們相當粗糙［伺服閥 35-70 微米，比例閥 200 微米］，但隨著閥門執行的延長，汙染物會逐漸累積。這可能會導致閥門響應的損失，也可能導致閥門偏移，進而影響受控執行器的定位精度。作為一般規則，主系統過濾器應該保護“最後機會”過濾器。在某些情況下，此過濾器需要頻繁維修並被指責為太小！這顯然是症狀，真正的原因是整個系統的汙染控制不足。
圖 3：機械反饋伺服閥
2。3 汙染影響總結
短期
• 粒子干擾
• 淤塞
沒有警告，對裝置、生產和人員是災難性的
非透過壓力管線過濾器以及對閥門設計的適當考慮提供了針對短期故障的保護。
長期
• 磨損
• 淤泥
• 最後機會過濾器
影響控制系統性能關於 - 零偏移
• 壓力增益曲線 ［閥門］
• 零洩漏 ［閥門］
• 反應較慢
• 振盪或不穩定
長期影響無法消除，但透過適當的設計，可以在需要維修或維修之前最大限度地延長閥門的使用壽命。這需要有效地應用淤泥層過濾。
3。 閥設計
為應用選擇最佳閥門設計對控制系統性能以及定義過濾要求和可能的汙染敏感性具有重要影響。充分了解閥門的工作方式和原因將為為客戶開發的整體設計解決方案提供最大的好處。相反，對一組閥門相對於另一組閥門的相對汙染耐受性的過度簡化或概括將不可避免地導致代價高昂的問題。
例如，在為高效能液壓系統選擇泵時，我們應該仔細分析設計［活塞、葉片、齒輪］、工作壓力、工作流體、佔空比、軸承壽命和工作環境等引數。我們知道，如果泵的選擇不考慮詳細問題，就有可能會過早失效。在高壓、過載迴圈應用中，泵的使用壽命因活塞配置和軸承設計而異。
同樣，當我們比較不同製造商的伺服閥和比例閥時，系統精度和可靠性也存在顯著差異。我們必須平衡設計目標與元件細節、元件成本和整體系統成本。本節包含一些重要功能，可作為分析新設計的示例，此處未涵蓋。
同樣，我們應該尋找對閥門的短期和長期影響。假設已經對閥門進行了評估，以滿足控制系統在靜態和動態特性方面的效能。這些引數也是閥門設計和製造方式的直接函式。
起點是製造商資料表中提供的規格以及高質量的橫截面圖或照片，以幫助瞭解閥門的工作原理。需要考慮三個主要方面：
［1］ 內力
［2］ 閥芯位置控制
［3］ 設計公差
還有一些其他與汙染敏感性相關的因素，這些因素往往在主要製造商之間具有共同的效能；通常是由於物理的基本定律！由於所使用的尺寸和材料相似，因此比例螺線管等常見的驅動裝置往往會對給定的閥門尺寸產生相同的力。材料硬度的變化也很小，因此具有相似公差和效能的兩個閥門將具有相當的磨損行為。顯著的差異在於用於高含水量流體的閥門的陶瓷部件的開發。
然而，這些特徵不適用於傳統的電動液壓閥。
3。1 內力
瞭解閥門內提供正確操作的力和阻礙操作的力，對於理解最佳過濾要求最有價值。力決定了 ［a］ 汙染敏感性和 ［b］ 閾值/解析度的短期和長期效能。
影響過濾設計的力量清單包括：
3。1。1 閥芯驅動力可能來自機電裝置［電磁閥、力馬達、音圈、力矩馬達］或透過液壓引導。
例如：對來自多個不同製造商的 CETOP 5 ［NG10］ 比例閥芯的審查揭示了可能的力水平範圍很廣。
表 2：閥芯驅動力比較
故障風險需要等同於由於顆粒堵塞 ［圖 1］、淤積 ［圖 2］ 和流動力 ［伯努利］ 引起的潛在阻力。透過對閥門指令疊加抖動以及良好的淤泥液位過濾，可以減少與汙染相關的故障。鋼廠中使用的一些專門的單級閥採用特殊輪廓的襯套來抵消伯努利力，否則伯努利力會限制控制閥芯相對於致動音圈的尺寸。然而，這製造起來非常昂貴，並且市場上的大多數閥門使用兩級或三級設計來提供針對這種流動誘導力的穩定控制。有限的流量補償是透過在閥芯檯面上加工的計量槽口控制流量或透過對閥芯及其控制檯面進行成型來實現的。
圖 4 顯示了流動力如何影響控制，其中 CETOP 5 比例電磁閥的階躍輸入即使在目錄規格下也會引起嚴重振盪。
這意味著除了控制問題外，比例電磁閥幾乎沒有或沒有餘量來克服額外的汙染引起的力。
圖 4：CETOP 5 比例電磁閥的階躍響
3。2 閥芯位置控制
對於伺服閥和比例閥，閥芯能夠定位在其總設計行程的任何位置。閥芯如何移動並保持在該位置將直接影響製造成本、系統精度和汙染敏感性。下面使用並描述了三種方法。
3。2。1 開環 ［OL］ 或“無反饋”［參考 6。3］
通常，閥芯透過比例螺線管和反向彈簧之間的力平衡來定位。一些兩級閥透過由微型減壓閥控制的比例液壓施加驅動力，該減壓閥具有用於設定其值的比例電磁閥。
開環 ［OL］ 是：
• 製造成本最低
• 具有最差的總閥門誤差 ［表 3］
• 對汙染更敏感［對彈簧移動的力沒有餘量］
• 在低成本比例閥中很常見，但在伺服閥中很少見
誤差是由於定位彈簧隨溫度和閥門壓力變化而變化。在閥門移動到導致高閾值和滯後值的新位置之前，必須產生額外的力來克服閥芯摩擦效應。
最大閥芯驅動力僅在閥門被命令為最大開度時可用。對於低訊號、精細定位，力成比例地降低，從而使閥門比具有閉環 ［MFB、EFB］ 控制的閥門對汙染更敏感。這種型別的閥門適用於低成本、頻繁的“軟開關”型別應用。
* D Ps= 40%Ps， D Pt= 10%Pt
表 3：閥門設計與百分比誤差的比較
3。2。2 機械反饋 ［MFB］
透過機械反饋彈簧 ［圖 3 和 5］ 提供閥芯位置的閉環控制，可以顯著改善閥門特性和汙染敏感性。工業和航空航天領域中執行的大多數伺服閥
應用程式仍然在各種環境中以高可靠性使用這種技術。
來自先導級 ［擋板-噴嘴、伺服噴嘴、偏轉噴嘴］ 的液壓確保為機械閉環定位產生高閥芯驅動力。增加的複雜性使得設計製造成本高於開環 ［OL］，但成本低於電反饋 ［EFB］。
圖 5：MFB 伺服閥的工作原理
3。2。3 電反饋 ［EFB］
各種閥芯驅動裝置可與電氣閉環定位配合使用，以實現最佳控制和抗汙染性。閥芯位置由短行程感測器 ［LVDT］ 測量，閉環電子裝置提供閥門外部或越來越多的機載控制 ［圖 6］。EFB 閥正在成為許多行業中伺服閥和比例閥的首選解決方案。
在一系列製造商目錄中比較相同的閥芯控制方法 ［OL、MFB 或 EFB］ 很有趣。表 3 中顯示的比較是根據許多不同設計和製造商的資料表編制的。對於給定的解決方案，規格之間存在密切的相關性。
圖 6：電反饋閥
3。3 設計公差
更精細的公差將更容易受到磨損和顆粒堵塞的可能性。這些尺寸是原始設計和製造目標的函式，例如：
［1］ 噴嘴直徑和出口間隙 ［圖 7］
［2］ 閥芯直徑間隙 ［表 1］
［3］ 閥芯行程 - 從高效能伺服閥的 0。250 到比例閥的 5-10mm。更短的行程意味著更快的響應，但更精細的製造公差。
［4］ 閥芯控制平臺重疊 - 範圍從 10-20% 重疊比例閥到“軸切割”［零重疊］ 伺服閥，需要對平臺進行特殊保護以保持效能。一些比例閥的先導部分採用零重疊閥，使伺服閥和比例閥的部件保護要求相似。
所有容差都與短期和長期功能相關。它們將是評估伺服閥或比例閥過濾設計的重要因素。
圖 7：Servo Jet 先導閥的典型間隙
3。4 閥設計概要 - ［設計人員檢查清單］
可能影響過濾設計的內力：
• 電磁閥/強制電機/音圈直接連線到線軸
• 用於噴射或噴嘴裝置的扭矩馬達
• 伯努利流動力
• 液壓先導壓力——所施加的供應壓力百分比是多少？什麼是驅動面積？
• 可能的汙染力水平
需要考慮的典型領域：
• 噴嘴直徑和出口間隙［噴嘴到擋板；噴射到接收器］
• 閥芯直徑間隙
• 閥芯行程
• 控制土地重疊
• 提升閥與滑閥
4。 汙染控制
液壓過濾的目的是透過從流體中去除“造成損害”的顆粒來提高系統可靠性。
沒有一個系統是不受汙染的，汙染源分為四個主要領域：
• 內置於元件和子系統中
• 在系統組裝期間生成
• 維護產生
• 侵入，例如。氣缸是汙物泵，透過儲液罐呼吸器。
典型液壓系統中的油可以最好地描述為“以油為載體的濃縮磨料漿。”傳統過濾器在控制磨料磨損顆粒的濃度方面做得很少。因為大多數系統中 95% 的顆粒低於 10微米，就需要利用過濾來有效控制“淤泥”顆粒。
淤泥範圍內的顆粒已被證明是由磨料磨損、閥門卡住和油降解引起的裝置停機的主要原因。防止淤泥迴圈和堆積可以將元件壽命延長 10 到 100 倍。
4。1 設計過濾系統
在為特定液壓系統設計過濾時，需要採取五個基本步驟。
4。1。1 確定汙染源並在需要時應用過濾器以提供額外保護。
- 對在受汙染環境中執行的系統加壓或使用呼吸氣囊。
- 分離式聯軸器有時用於快速更換軋機中的厚度控制執行器。壓力過濾器應包含在此類執行器的液壓管路中，以保護伺服閥。
4。1。2 根據本文第 3 節回顧伺服閥或比例閥的要求。控制閥應分解為各個階段，以確定所有關鍵部件的過濾要求。
伺服閥或零重疊閥的共同特點是：
• 精確的控制邊緣，需要閥芯閥套元件的高精度裝配和歸零（零重疊/軸切割）
• 靜態效能（低滯後、閾值、解析度）
• 高動態（意味著閥芯行程短）
對於比例閥，通常發現先導級的過濾滿足大多數應用。然而，由於流動驅動力，主閥芯定位使用減壓閥和直接驅動比例電磁閥通常需要良好的主級過濾。
• 精確控制邊緣可用作先導閥的一部分，但不能用於主級
• 需要保護先導閥的靜態效能。
• 短行程閥芯可用於先導閥，但主級公差相對較大。
4。1。3 整體系統佈局，包括流量和佔空比。有時，伺服系統是更大系統的一部分，消耗的油量相對較小。在這種情況下，建立一個單獨的液壓系統可能更實用。間歇性高流量系統應使用離線過濾系統，而不是嘗試使用主迴流管路流量。
4。1。4 定義裝置和操作目標所需的清潔度目標（流體汙染等級 ISO4406）。
4。1。5 根據原理圖設計選擇達到清潔度等級的過濾器（參見第 4。2 節）。
4。1。6 建立維護和監控程式以達到流體汙染水平（ISO4406）。
4。2 過濾器選擇
理想的安排總結如下：
• 在閥門或閥門的關鍵部件（例如導閥）之前使用 15 微米 （Beta 15³ 75） 高壓過濾器。
• 在迴流或旁通管路上使用 3 微米 （Beta 3³ 75） 低壓過濾器。
這樣做的理由是：
1。閥門可接受最大25微米的奇數顆粒。Beta 15³ 75 高壓元件（不帶旁通止回閥）即使在汙染導致過濾器壓降超過 7 bar 指示器水平時也能確保這一點。
2。 嘗試用較小的、相對昂貴的、高壓元件清洗油，既不實際也不經濟。更便宜的低壓元件要大很多倍，並且有可能在更理想的條件下連續過濾。（穩定的流動和較低的速度可提高過濾效率）。
• 如果油箱中的油量發生較大變化會吸入空氣中的汙染物，建議使用 3 微米低壓元件作為空氣呼吸器。
• 使用高流量三級閥可能會使全流量過濾變得非常昂貴。在這種情況下，使用先導閥的外部供應並完全過濾該流量；第三階段對汙染的敏感性要低得多。
• 始終使用汙垢報警器/壓力開關來合理更換元件。
• 使用更便宜的低壓元件在啟動時沖洗系統。請記住，新油可能被過濾到 40 微米，因此是“髒油”。
• 油箱容積應透過過濾器至少衝洗 100 次，並在壓力開關（髒汙警報）指示時更換濾芯。
圖 8：推薦的液壓系統過濾
4。3 伺服閥
大多數工業伺服閥傾向於指定從“正常操作”到“更長壽命”的清潔度範圍。然而，從設計目標來看，“更長壽命”規格是首選，並且更高水平的汙染（“正常操作”）往往表明短期目標。
由於第 3 節中討論的設計差異，伺服閥的推薦清潔度水平並不統一，但表 3 提供了可以預期的清潔度水平 （ISO 4406） 的比較：
表 3：與 ISO4406 的汙染水平比較
4。4 比例閥
比例閥有各種各樣的需求，應逐步審查。
• 主級（液壓先導）可以承受與一般系統液壓系統相同的清潔度——通常取決於泵的壽命和可靠性。
• 先導級（或單級閥）根據驅動原理有不同的需求
- 伺服噴嘴/擋板噴嘴應為 ISO4406 19/15 至 16/13。
- 閥芯閥套（精細節流邊）應為 16/13 至 14/11。
表 4 和表 5 是比例閥主要供應商的目錄審查摘要。有趣的是，無論閥門設計如何，五個品牌之間在理想的過濾和清潔度規格方面都達到了 100% 的一致性。
基於所引用的最壞情況得出的結論需要謹慎，並且必須透過對第 3 節中討論的設計細節的評估來確定。歸根結底，大多數製造商都屬於類似的頂級範圍。
表 4：比例閥 - 推薦的清潔度等級
在表 4 中，“博世”對零重疊閥引用了 16/13，這應該等同於對其比例閥先導的要求。然而，出於某種原因，他們引用了稍高的等級 （17/14） 作為比例閥的規則。這種更高級別的閥門與 Rexroth、Parker 和 Vickers 等公司在間隙、閥芯驅動力和材料方面提供相同設計的閥門存在衝突。
* 在引用範圍的情況下，較低的值是“更長的壽命”
表 5：推薦的比例閥過濾器
表 5 的註釋：
（a） 過濾器規格取決於所需的清潔度等級以及相對於過濾器型別、迴路位置（壓力管線、迴流管線、迴圈）、過濾器汙垢保留和 Beta 等級如何實現。（b） 先導級或先導閥應 使用安裝在主流中的高壓過濾器（無旁路，但帶有汙垢警報），如果可能的話，直接安裝在閥門的上游。
5．結論
高效能液壓系統的有效過濾意味著：
• 瞭解閥門設計
• 設定和保持清潔目標
• 適合環境的過濾
• 過濾質量或更換濾芯沒有捷徑可走
• 定期監控和服務
良好的過濾將始終為液壓系統的終端使用者提供最低的機器執行成本和最大的可靠性。