机械产品清洁度第1-4章

机械产品清洁度概论第1章绪论1.1清洁度的概念清洁度是指零件、总成和整机特定部位的洁净程度或被杂质污染的程度。用规定的方法从规定的特征部位采集到杂质微粒的性质、质量、大小和数量分布状况来表示。这里所说的“规定部位”是指危及产品可靠性的特征部位。这里所说的“杂质”，包括产品、制造、运输、使用和维修过程中，本身残留的、外界混入的和系统产生的全部杂质（或污染物）。对于这个清洁度定义说明如下几点:1)着眼于产品由设计至报废的全过程2)以杂质微粒的种类、大小、数量分布状况和质量来表征3)用规定的方法测定4)从特定零件、特定部位、特定表面取样1.2清洁度分类产品是由毛坯经过设备加工成零件，然后装配而成，所以清洁度可分为毛坯清洁度、零件清洁度和产品清洁度。毛坯清洁度主要针对铸、锻、焊接零件的清洁度；产品清洁度根据需要可分为解体清洁度、快速不解体清洁度和装配清洁度。产品的清洁度与零件的清洁度有直接的关系，同时还与生产过程、车间环境、生产设备及人员有密切关系。1.2.1毛坯清洁度用规定方法从毛坯规定部位(即毛坯的特定部位、特定表面)所采集到的杂质微粒的性质、质量、大小和数量分布状况来表示。凡因非加工表面不清洁或其它原因而影响整机可靠性的铸、锻、焊坯，都应进行毛坯清洁度的测定。1.2.2零件清洁度用规定方法从零件特定部位、特定表面所采集到杂质微粒的性质、质量、大小和数量分布状况来表示。测定零件清洁度的目的是评价零件在机械加工生产线末端——最终清洗之后，涂油包装之前清洁度的状况。这个状况既能评价零件在加工过程中被污染的情况，又能从清洁度的角度来衡量零件设计的优劣。1.2.3解体清洁度对总成或整机而言，是以从经磨合的总成或整机解体后的规定部位，采集到杂质微粒的性质、质量、大小和数量分布状况来表示。实践证明，解体前进行磨合，只进行部分解体，解体后只测定特定部位，即只测产品的润滑油、工作液及其容器，这样既简便又能全面真实地反映清洁度，另外还可通过解体观察一下产品内部的清洁度状况。1.2.4快速不解体清洁度适于总成或整机。用规定方法(如色度比较法)测定经磨合而不解体的总成或整机的清洁程度。不解体清洁度和解体清洁度的测定对象都是经磨合的润滑油及工作液，区别是快速不解体清洁度是采用解体之外的其它方法在机内测定润滑油和工作液。比如用泵通过管路或系统将油泵出，然后将其过滤以评价其清洁度。但由于在评价方法、标准膜片和专用滤膜制备上，还存在一些技术问题而没能推广使用。1.2.5装配清洁度适用于总成和整机。以规定方法从解体的、不经磨合的总成和整机规定部位采集到杂质微粒的性质、质量、大小和数量分布状况表示。装配清洁度和解体及快速不解体方法的异同如表1-1所列，不推荐使用装配清洁度和不经磨合的解体清洁度。表1-1几种总成、整机清洁度的比较类别磨合否解体否测定对象特征解体清洁度磨合部分解体磨合后的润滑油等测定速度较快，随机误差小，测定精度较真实快速不解体清洁度磨合不解体磨合过程中的部分润滑油等测定速度快，能迅速反馈信息，测定精度真实，适于用大批量生产的产品装配清洁度不磨合全部解体全部零件的所有表面(或内表面)测定方法繁琐冗长，测定精度不高1.3清洁度衡量指标所谓清洁度指标是为确保机械产品寿命和可靠性而规定的杂质微粒性质、质量、大小和数量分布状况的最大允许值。清洁度指标主要有两种形式：一种是与质量法相对应的，用杂质微粒的质量来表示的指标(简称为质量指标)；另一种是与计数法相对应的，用杂质微粒大小及数量分布状况来表示的指标(简称为计数指标)。1.质量指标2.计数指标是以工作液和润滑液中杂质微粒的大小及数量分布状况，来评价产品清洁度的。虽然测定时需要复杂的测试仪器，但其优点更为突出。1.4清洁度发展历史起初，清洁度检测是把混浊液的微粒收集在滤膜或滤芯上，称出并计算过滤后与过滤前滤膜或滤芯的质量差。自从揭示了微粒大小及分布对清洁度、可靠性的影响以来，对混浊液中微粒进行计数。开始，把收集的杂质微粒的滤膜放在显微镜下作为计数微粒的视场。后用带网格的滤膜以及带测微目镜的显微镜计数法，成了工业上使用的标准方法。以后，又采用完善的自动粒子计数仪和电子扫描显微镜，使计数过程实现了自动化。60年代初，许多组织开始用微粒数来确定清洁度等级。在早期试用中，SAE749D—1963《液压油污染度等级》标准一直是最流行的。作为临时标准，NAS(美国国家宇航协会)于1964年提出过一种清洁度，定名为NASl638—1964。在1967年8月，又批准通过了美国军用标准MILstd1246A，扩充了所有现行标准的应用范围。在某些工业部门，清洁度等级通常用每毫升混浊液中大于10μm的微粒数来描述。表1-2列出了上述各种清洁度的对比表。随后，国际标准化组织制定出ISO4406标准，标准在整个等级范围内，用代码来表示每一级的微粒数。为了统一不同体积的测量值，规定出每单位体积中大于5μm和15μm的微粒数，并各自对应于指定的代码。其等级对照表如表1-3所列。现在广泛应用的ISO16232—2007，标准将污染颗粒尺寸分段，每段用英文字母表示，而每一尺寸段内，每1000cm2组件表面积或100cm3组件体积，颗粒数量再分段，用数字表示清洁度水平，这样，零件或产品的清洁度就可用字母与数字结合，即CCC代码表示，详细见ISO16232.10—2007标准中的6.4，这种表示方法简单、详细。1.5我国清洁度现状和对策我国机械产品清洁度工作是70年代末开始的。当时，内燃机发生了许多质量问题，后通过分析，发现其中主要的症结是零件加工过程中清洗不净、整机装配时又混进了不少杂质和尘埃，于是开始引入了清洁度的概念。1978年，我国第一个清洁度测定方法标准GB/T3821—1983《中小功率内燃机清洁度测定方法》正式颁布了，随后又制定了与GB/T3821的质量法相对应的NJ324—84《中小型内燃机清洁度限值》。液压行业中采用等同或等效国际标准，制订了《油液清洁度检测方法显微镜计数法》和《典型液压元件清洁度指标》等标准草案。1984年汽车行业制订了JB/T4072.1～5—1985《汽车清洁度工作导则》，将机械产品清洁度测定过程和评价方法进行了标准化、规范化。当前我国开展清洁度工作应着重如下几项工作：1)继续加强宣传教育，使人们牢固地树立起机械产品清洁度关系质量和可靠性的观念。2)等效采用相关的国际标准，结合我国国情，建立有关清洁度的完整的、先进的标准体系。3)进行磨损和摩擦机理的研究，探索快速简便的测定方法。4)探索污染物的物理性能和化学成分对产品可靠性的影响，进行系统和元件最佳耐污染的优化设计和故障诊断、监视，建立起清洁度的保证体系。1.6机械制造业中工业清洁度的标准在研究污染物杂质微粒的质量、粒度、材质和数量分布状况，对机械产品中最重要的零、部件的可靠性指标和寿命的影响的基础上，规定对某一具体的机械装置中零部件和系统的内腔及工作液体的清洁度。各个企业往往在参考已有标准基础上，根据零件在产品的重要程度，制定自己的零件清洁度企业标准，不同零件，清洁度要求会不一样，有的限制污染物质量值（同时规定使用某一孔径的滤膜）和最大允许颗粒尺寸，有的限制污染物不同尺寸段下的颗粒数，有的限制不同材质的污染物的尺寸大小，有的甚至限制纤维的尺寸等等。目前，机械用液的污染物杂质的质量评定是用ISO4405—1991的方法，该方法规定了两种测定流体传动系统中的液压介质污染的质量分析方法。对于石油和石油产品及添加剂机械杂质测定，可用GB/T511—2010《石油和石油产品及添加剂机械杂质测定法》标准，当杂质含量在0.005%以内时，一般来说可忽略不计。但这两标准没有规定如何确定污染物杂质微粒的粒度和数量，而GB/T20082—2006《液压传动液体污染采用光学显微镜测定颗粒污染度的方法》标准给出了检测每100mL液样中大于等于所选颗粒尺寸的颗粒数的方法。或者使用ISO11500—1997标准，该标准仅适用于同类的单相液体，通常测量悬浮于原始样液中的颗粒。现在许多国家都制订了按粒度组成规定机械用液及机械工作腔清洁度的标准。我国的GB/T14039—2002《液压传动油液固体颗粒污染等级代号》标准规定了三十个液体清洁度等级，按每毫升油液中含颗粒数分级，颗粒尺寸分为≥5μm和≥15μm（用显微镜计数）或≥4μm、≥6μm和≥14μm（用自动颗粒计数器计数），该标准适用于液压传动系统中使用的液压油。国外有许多标准按照机械用液的使用条件，分别规定液体清洁度的要求。在某些情况下，也有按净化条件来规定。美国制订了NAS1638标准，这个标准供汽车工业和船舶制造业的企业使用。NAS1638标准规定将液压系统所使用的液体的清洁度分为十四个等级。英国采用了与美国NAS1638标准相仿的技术标准来确定液体清洁度等级。国际标准化组织ISO/TC131（国际标准化组织流体传动系统技术委员会）于1978年8月提出的标准草案ISO/DIS4406中建议按照每毫升的液体试样中粒度大于5μm和15μm的微粒数量来确定清洁度的等级，。尽管已经有许多关于工作液及机械工作腔清洁度方面的标准，仍希望不久的将来能采用使用可靠且方便的工业清洁度的国际标准。第2章机械产品中污染物的来源、组成和性质2.1污染物的种类与其物理性能和化学成分所谓机械产品中的污染物(污染杂质)是指存在于产品工作腔中，对机械的技术特性、功能、可靠性和工作寿命，有不良影响的固态、液态和气态物质。是机械产品受到外界物理的、化学的或生物的作用，在表面形成的污染层或覆盖层。实际污染物的组成和性质决定于机械制造、组装和试验工艺的特点，所采用的工艺和工作用介质(液体和气体)的状态和性质，使用条件以及机械制造、试验和使用中的工艺文明水平。大多数的机械制造生产中，一般最常见的污染物是金属微粒、金属氧化物、研磨膏各组成成分、毛刺、未除去的润滑油、溶剂、油脂、工艺溶液的残渣、油漆微粒、木质纤维、织物纤维、塑料、灰尘、砂粒、锈蚀产物、水分、空气、工作液和工艺用液的分解产物、微生物及其生命活动的产物等等。污染物通常可根据以下几种不同的方法进行分类：(1)根据污染物存在的形状分类1)颗粒状污染物2)覆盖膜状污染物3)无定形污染物4)溶解状态污染物还可根据污染物微粒的物理状态分为固态、液态或气态。在这里，对机械零件上常有的颗粒、切屑、毛刺、纤维、毛发等污染物的概念明确一下。颗粒是指很小的固体污染物；切屑是长度至少1mm、长径比大于等于3且小于10是颗粒，它通常有一定的几何形状，比纤维坚固；在标准DINISO13715—2000中，毛刺、毛边是与切屑不同的，但这里通常把它们归为一类，自由颗粒或粘性毛刺也和切屑一样处理；长径比大于等于10的颗粒称为纤维，且宽度不超过25μm，绒毛、细线、线状物都归成纤维；长径比大于等于30和显示的宽度大于25μm的颗粒称为毛发。(2)根据化学组成分类根据这种分类方法，污染物可分为无机物和有机物两大类：1)无机物污染物2)有机物污染物(3)根据亲水性和亲油性分类1)亲水性污染物2)亲油性污染物(4)根据在物体表面存在的形态分类1)污染物的粒子在物体表面单纯靠重力作用而沉降与堆积2)污染物的分子与清洗物体表面的分子靠分子间作用力结合3)污染物粒子靠静电吸引力吸附于表面4)污染物在物体表面形成变质层5)污染物渗入物体表面内部6)坚硬的污染物微粒刺破物体表面而楔入内部(5)混合污染物实际情况中往往是多种类型的污染物以复杂的方式结合在一起的，称之为混合污染物。根据污染物的物理性能、化学成分和污染物的粒度组成，可以确定进入机械加工中的污染物来源和各种污染物对机械部件和装置可靠性与工作寿命的影响，制订出机械清洗方法、清洗器具和机械污染度的检测方法。制订清洗工艺和设计清洗设备时，必须了解污染物的组成和污染物的特性，才能选用最合理的清洗方法和清洗规范，并据此设计相应的清洗设备。许多专家的论著中都研究了各类机械中污染物的物理性能、化学成分和粒度组成，很大部分污染物是无机物，而污染物中的有机物只占污染物总量的15%～20%。在无机物中有硬度很高的微粒，它的硬度比机械结构材料的硬度要高好几倍，这就使得零件的磨损加剧。2.2机械制造、组装、试验和使用时产生的污染物防止机械工作腔污染的问题应从机械设计阶段就开始注意，机械设计师在选用材料和进行部件和装置结构设计时，应使机械中的污染物减少到最低限度。机械的污染程度取决于其元件的原始清洁度以及机械组装、安装、试验和运用中产生的污染物。在机械结构中，应采取防止系统污染的措施，保证在机械制造和使用的各阶段都能有效地降低整个系统的污染度。在零件制造、部件和装置组装时，必须按照技术文件中有关清洗工序和监测生产环境状态的全部规定去做。在制造中必须清除零件上的铁屑、残余研磨膏、润滑油和润滑脂、油漆微粒、灰尘和泥土。清洗时只许使用技术文件(图纸、规程等)所规定的用于该零件的清洗剂、清洗装置和清洗设备。零件清洗后必须存放于能防止污染的环境中。安装机械时应仔细检查是否有污染物，机械在运行中产生的污染物包括机械零件的磨损、在机械内产生的污染物以及从外面掉到机械工作腔的污染物，这些污染物是零件磨合的结果。如果机械系统中设有工作液的取样点，则通过分析工作液便可以研究某一具体的系统或其某一区段的污染度随工作时间的变化规律。经常检测系统的污染度，就可以防止系统发生故障。2.3油液产生的污染物根据国家标准GB/T511—2010《石油和石油产品及添加剂机械杂质测定法》规定，当液体中的机械杂质含量不超过0.005%(按质量计)时，可以认为液体中不含有杂质。按此工作液中污染物的质量浓度为40mg/L，如工作液中含有这么多的污染物，不经预先净化是不能用于许多机械系统和装置中去的，因为这会增大零件的磨损。参考ISO4406—1999和NAS1638标准，规定：产品出厂时液压油颗粒污染不得超过GB/T14039—2002《液压传动油液固体颗粒污染等级代号》的19/16（相等NAS1638的11级），产品使用过程中液压油颗粒污染不得超过GB/T14039—2002的20/16（相等NAS1638的12级），加入整机油箱的液压油颗粒污染不得超过GB/T14039—2002的18/15（相等NAS1638的10级）。在石油化工企业生产中以及储存和运往用户的路途中，技术用液不断地受到污染。分析机械中液压介质使用情况，造成液压介质污染的原因有：(1)残留污染物(2)生成污染物　　(3)侵入污染物　　(4)生物污染物　　(5)逃脱污染物　　液压介质的污染一般用污染浓度来评价，为了将液压介质的污染危害降低至最小的限度，应减小其污染浓度，通常采用防、治相结合的方法。　　　　1.防　　(1)防止污染杂质混入液压油(2)防止空气进入液压系统(3)防止水分混入液压系统。(4)防止油温过高。　　(5)防止液压系统泄。2.治　　(1)合理设计液压油箱，保证油箱既能起沉淀杂质，分离油中气泡的作用，又可防止外界尘埃和空气混入液压介质。　　(2)合理设计液压系统，采取必要的散热、冷却措施，保证液压介质的温度处于正常工作范围。　　(3)在液压系统中装设适当的滤油器，滤除液压介质中各种污染物。许多专家的研究中都指出：在生产、运输、储存过程中，燃油、润滑油及液压系统工作液的污染度已经很高，因此，工作液及工艺用液在用于机械中之前都必须仔细地予以净化。2.4工艺用气与生产环境产生的污染物机械生产时所使用的工艺用气可能含有固态金属微粒、灰尘、油水混合物等污染物。用于工艺过程之前，气体所含的上述污染物量应减至最少，要做到这一点，应对气体进行专门的净化。用于液压箱增压的空气或氮气，由于它们是与燃油和润滑油系统及液压系统中的工作液直接接触的，因此对这些气体须非常仔细地进行净化和干燥。为液压箱增压时，为了避免污染工作液，建议采用软隔板、膜板、活塞式液腔和气腔分隔装置。自然条件下的空气中常有尘埃、油类、水分、炭黑，灰分、烟和雾的微粒。空气中最大微粒的粒度约为160μm。空气中的灰尘来源于工业企业、运输和土木工程作业等。空气中含尘量决定于该处的土壤种类。空气中的含尘量还决定于制造和使用机械的地方的土壤水份和气候条件。土壤是成分非常复杂的高分散性系统，由粒度为0.0001μm到1mm的固态微粒组成。土壤的粒度组成、物理性能和化学成分决定于粒度在10μm以内的固态微粒，绝大多数种类的土壤都是如此。土壤的基本组分是石英。由于石英微粒的硬度高于结构材料的硬度，因而大大地强化了零件的磨损过程。土壤灰尘中石英含量随尘埃微粒粒度的增大而增加。灰尘是机械的工作腔、燃油、润滑油以及液压系统工作液的主要污染源之一。一升空气中可能有一万到二十万个灰尘微粒。组装部件和装置过程中灰尘沉积在零件表面上，经过通风系统和油罐加油口渗入到系统中，落到活塞杆上，进入油缸内。机械运用中灰尘对机械的各种机构的工作均产生极不良的影响，增大零件的磨损。为了制造零件和组装精密部件和装置，需建立专用厂房——洁净室。根据对生产环境的不同要求，洁净室分为若干型号(见GB50073—2013《洁净厂房》)。洁净室通常由标准统一的壁板、天花板和地板组成，规定了几种除尘度、温度和湿度调节范围、气流速度、空气流量、换气次数和洁净室面积等。第3章机械产品清洁度对机械的质量、可靠性和寿命的影响3.1污染物对机械性能的影响工作液允许的污染度与工作液压力之间存在一定的关系，这种关系可用下式表示：（3-1）式中Nl、N2——分别是工作液压力为p1、p2时的污物微粒数。污物对机械的性能及工作能力的影响决定于机械结构特点、工作规范和使用条件。一般情况下，可以肯定地说，机械的工作腔中的污物会导致下列有害影响：最重要的零件的磨损量增大，节流装置工作孔隙和其它小截面通道完全或局部堵塞，相互间作相对运动的零件卡住；液压机构过热和损坏；柱塞副中摩擦力增大，柱塞起动和运动所需的力增大；工作液中出现空化现象；工作液氧化和工作性能恶化；泵的流量降低以及其它不良现象。污物，特别是固态微粒会大大降低机械的使用寿命，常常引起机械故障和损坏。污物杂质及其微粒的粒度、质量和性质以及微粒粒度与机械部件和机组中的工作间隙之比具有极其重要的意义。如果最大污物微粒的粒度小于间隙值，则污物微粒与工作液一起自由地通过间隙，不会损坏机械，这些污物仅仅加速工作液的老化。污物微粒的粒度比间隙值大很多时，不能通过间隙，可能在间隙外发生局部堵塞。污物微粒的粒度与间隙大小相近，特别是污物微粒的硬度高于零件材料的硬度时，对机械部件和装置的危害最大。这种粒度的强磨料微粒加速接触间隙的磨损，结果，也就破坏了部件或装置的工作性能，增加泄漏、增大功率的无效损失。同时，由于继续产生新的污物，工作液中污物的总量迅速增多，零件的磨损也大为增加。在—定条件下，也可能发生污物微粒卡在间隙内。这时污物微粒嵌入零件表面，使活动副不能活动，装置和液压系统失灵。某些研究人员认为，在零件磨粒磨损过程中，粒度小于零件表面油膜厚度的极小微粒也起作用，这些微粒以极高的速度在零件表面运动，引起零件的磨粒磨损。固体颗粒和空气污染物对液压系统的危害主要有：(1)固体颗粒的危害液压系统的固体颗粒物带有腐蚀作用。它随着液压油流动，在系统中通过泵、阀和执行元件时，会加剧摩擦副的磨损，产生新的颗粒物。(2)纤维、胶膜、焊渣、漆片的危害纤维、胶膜、焊渣、漆片的危害，常常是堵塞元件的节流孔或阻尼孔，使液压系统的动作紊乱或失灵。(3)空气的危害液压系统进入大量的空气，当汽车起重机在高速行驶状态制动时，起重机臂架会因为惯性窜出，严重时会影响到行驶安全性，导致吊钩固定装置拉裂和损坏，滑轮碰损等事故。为了弄清固体颗粒污染物对液压传动系统危害的机理，可从以下方面来分析：(1)固体颗粒的磨损1)磨料磨损将导致尺寸改变、泄漏、效率降低和产生新颗粒(磨损加剧）。进入元件运动副间隙内的颗粒，嵌入在其中材质较软的零件表面上，犹如切削刀具，将相对运动的另一零件表面材料切削下来。等于或略大于间隙尺寸的颗粒的危害性最大。2)粘着磨损超载负荷、低速运转和流体粘度降低，都会降低油膜厚度进而发生金属对金属的直接接触。这样金属表面的凸点会彼此发生“冷焊”而粘在一起，当相对移动时这些冷焊点被剪下而产生金属颗粒。3)疲劳磨损相对运动的轴承表面，受其间颗粒的反复作用而产生疲劳磨损。由污染造成的疲劳磨损，极大地缩短了轴承寿命，并且使工作表面变得粗糙。此外还有一些别的磨损形式如液压泵的磨损、液压缸磨损、冲蚀磨损、轴承磨损和液压阀的磨损等等。4)冲蚀磨损固体颗粒随着高速流动的液流，不断向暴露在管道中元件的棱边和表面喷射冲刷，如此长期反复作用下，可使被冲刷部位受到磨损，称为冲蚀磨损。(2)固体颗粒的沉积粒度小于配合间隙的固体颗粒随液流流经运动副时，在缝隙流动的附加作用下，较易进入间隙内，在油膜附面层的吸附和阻滞下被淤积在间隙内，随着沉积量的加大，缝隙流动可能被大量小颗粒阻断，造成运动副之间静摩擦力大大增加，阀芯运动受阻，可导致工作不稳定等突发性故障；同时可促成磨损、堵塞和卡滞。淤积现象往往是暂时的，当运动副有相对运动后，淤积的颗粒会被液流带走，运动副又能恢复正常工作。(3)运动副的卡滞现象卡滞一般发生在滑阀机构的阀芯与阀套配合面，造成配合面出现划纹和划伤、阀芯运动受阻甚至卡死，导致突发性故障。颗粒的不规则运动，还会对油液起反复剪切作用，降低油液粘度和润滑性，催化油液氧化变质，缩短其使用寿命，需要强调的是，颗粒污染的上述几种危害方式在系统中是多种方式并存。因此，在液压传动系统中，严格控制固体颗粒污染物是有效减少液压故障的主要措施。3.2污染物对燃油、润滑油和工作液使用性能的影响燃油、润滑油和液压系统的工作液中含有固态杂质、水、空气和微生物等污物，对于其润滑性、抗氧化性、热稳定性和其它性能都会产生不利的影响。工作液中有气泡会使摩擦面上的油膜破裂，液体散热条件恶化并降低过滤器的通过能力。液压阀作用滞后的时间与工作液中空气含量的关系如图3-5所示。空气中的氧促使工作液氧化，而工作液又为其氧化物(棉絮状沉淀物和残渣等)所污染。虽然这些产物不是坚硬的物质，但对各种装置的工作产生不良影响。工作液中氧化产物还大大加速各装置的金属零件的锈蚀。燃油、润滑油和工作液中有了水份会使金属(包括有色金属)锈蚀。低温条件下水冻结成冰使过滤元件为结冰的晶粒所堵塞。燃油和润滑油容器中沉淀出来的水结冰使容器的保护层遭到机械破坏。润滑油中有了水会生成有机酸，使油的酸度增大。水与油混合生成稳定的乳浊液，其稳定性决定于油的物理化学性能。液压机构中零件的磨损程度与工作液中水份含量的关系如图3-6所示。工业用液压系统的工作液中含水量不允许超过其质量的0.01%～0.02%。变压器油中即使只有少量的水也会增强油中所含的低分子有机酸的腐蚀能力，使腐蚀速度提高14～19倍以上，从石油制取的工作液中有了水会形成一种十分稳定的油水乳浊液，并在—定条件下可形成有机残渣，堵塞过滤器、泵和调节装置。形成油水乳浊液后，油的粘度发生变化，导致各种机构的快速作用和位置精度的丧失。燃油和润滑油中有了水促使其中微生物繁殖。作为碳氢化物的燃油和润滑油受微生物污染后其腐蚀能力大大增强，改变油的粘度，使润滑油的润滑性能恶化。微生物还能促使金属发生电化学腐蚀。燃油表的传感器表面有了微生物会使读数飘移，甚至发生故障。在高湿度和高温度的环境条件下，微生物的作用最为活跃。第4章净化理论基础把污物从物体上清除的过程称清洗，一个清洗体系要有四个要素：清洗物体、污物、介质及清洗作用力，清洗过程是在一定的介质环境中，在清洗作用力的作用下，使物体表面上的污物脱离、去除，恢复物体表面本来面貌的过程。通常清洗在溶液中进行，这种清洗称湿式清洗，在气体介质中进行的称干式清洗。介质在清洗过程中的作用主要有二个方面，一是对清洗作用力起传输作用，使清洗剂渗入污物内部，使污物脱离物体表面；二是防止解离下来的污物再吸咐的作用，因介质有使脱离的污物悬浮分散的作用。选择清洗方法时要考虑清洗物体的材料性能、表面状况、污物的情况、要求洗净的程度、使用的清洗设备、使用的洗涤剂安全性、清洗效率和经济性等。4.1清洗材质4.1.1纺织纤维纺织纤维根据原料来源分为天然纤维和化学纤维。天然纤维主要包括植物纤维和动物纤维，植物纤维的主要化学成分是纤维素，动物纤维的主要化学成分是蛋白质。化学纤维包括再生纤维和合成纤维，以天然高分子物质为原料经过化学处理和机械加工得到的化学纤维叫再生纤维，而把以煤、石油产品为原料经过化学合成形成的高分子纤维材料称合成纤维。4.1.2金属材料通常使用的金属材料有碳素钢、合金钢等铁合金以及铝、铜等有色金属。这些金属材料的表面有着不同的物理、化学性质。1.碳素钢与铸铁把含碳量大于2%的铁碳合金叫铸铁，含碳量低于2%的铁碳合金叫碳素钢。碳素钢中除含有碳、铁元素外，还含有硅、锰、硫、磷等。钢铁的表面是富有活性的，暴露在空气中时会与空气中的二氧化碳和水反应生成碳酸铁，或与水和氧气反应生成氢氧化铁、三氧化二铁组成的表面覆盖膜。水中含有的氢离子对铁锈的生成有促进作用，在高湿度气氛中铁锈生成很快，且这种氧化物覆盖膜结构疏松，不能阻止氧气继续渗入钢铁内部发生氧化反应。2.合金钢和不锈钢把铁合金中除了含有碳、锰、硫、磷、硅外还含有其他金属元素或非金属元素的钢叫合金钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢指耐大气、水蒸气等弱介质腐蚀的钢，耐酸钢指耐酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀的钢。3.铜铜是不太活泼的金属，在低温下不会被盐酸、磷酸和稀硫酸等非氧化性酸性溶液腐蚀，只在这些酸与空气中的氧气共同作用下才会被腐蚀。4.铝铝是很活泼的金属，在其表面上容易发生化学反应，但铝的表面能与空气中氧结合生成致密的α-Al2O3氧化膜，具有保护作用，使其在空气中不再被氧化。铝经过与硝酸、铬酸等氧化性酸生成致密氧化膜钝化后，仍可与许多酸发生反应，此时氧化膜被溶解。氯气和其他卤素单质以及各种卤素离子对铝的氧化膜都有剧烈的破坏作用，如食盐等溶液对铝都有腐蚀作用。在碱性条件下，一般在pH＞10时，铝才易被腐蚀。但偏硅酸钠例外，因它能生成胶体吸附在铝表面形成耐腐蚀的覆盖膜。上述金属材料的表面都有很好的亲油性，亲油性顺序为：铜>铁>锌>铝>镍>铬。5.镀金属钢材在工业生产中使用的金属材料还有在钢材表面通过热浸或电镀形成的镀金属钢材，主要有镀锡、锌、铬。这些金属镀层对钢材基体有良好的保护作用，在用机械清洗时或化学试剂清洗时都应特别注意不能损坏镀层，否则钢材基体在潮湿气氛中会形成电化学腐蚀。4.1.3硅和硅酸盐材料1.硅硅单质有无定形和结晶型两种状态，结晶型硅又分单晶硅和多晶硅。无定形硅易与氢氟酸反应并溶解，因此工业清洗去除含硅杂质常用氢氟酸。单晶硅化学性质较稳定，但可溶于强酸和氢氟酸。硅在高温时可溶于碱的水溶液并产生氢气。结晶型硅的表面原来是疏水性的，氧化后表面变成亲水性的。由单晶硅制造的晶片在机械加工过程中表面会出现变形层，由于大量的污物会附着在此变形层上面对半导体材料（由单晶硅制成）的性能产生恶劣影响，必须加以去除。天然硅酸盐是二氧化硅与各种金属氧化物形成的盐类，经过高温处理可制成玻璃、陶瓷、水泥、玻璃纤维等材料。由于结构中以硅氧四面体为骨架，硅氧键能很高，因此硅酸盐材料大都有机械强度高、耐高温。2.玻璃玻璃是由熔融状态物质过冷而形成的无定形状态固体物质。玻璃具有高透明度、硬脆、高阻隔性和可塑性的特点。由于玻璃复杂的化学成分和制成过程，玻璃中含有气体（水蒸气、二氧化碳等）的胶体组织易受腐蚀和污染。玻璃表面的剩余自由键能与生物体存在的羟基、氨基相吸附，所以对血液有凝结作用。玻璃表面还容易吸附霉菌。3.其他硅酸盐材料包括水泥制品、混凝土、陶瓷制品、搪瓷制品、耐火材料及砖瓦石料等建筑材料。清洗这些材料表面通常用机械方法，如用化学方法清洗，必须了解材料的具体特点，由于其基本原料是酸性的二氧化硅，所以不耐碱洗，一般较耐酸，如成分中含碱性氧化物多时，在清洗时要注意。4.1.4塑料塑料是在加工过程中能发生塑性形变、加工后形状可不变的高分子材料。根据受热后性能变化分为热塑性塑料和热固性塑料。塑料据应用范围可分为通用塑料和工程塑料两类。塑料表面大都缺少极性基团，缺乏亲水性，所以亲水性污物难以附着在其表面，相反，油性污物却易附着在表面。塑料一般绝缘性好，表面易带电荷，如污物粒子带有与之相反的电荷，则可借静电引力吸附。塑料通常是物理、化学性质稳定的物质，但在使用过程中各种因素的影响，会使塑料的物理性质发生变化，如老化。热、机械外力、酸碱和有机溶剂对塑料性质的均有影响。4.2清洗介质工业清洗剂可分为无机清洗剂和有机清洗剂。无机清洗剂有水、酸、碱和黏土类物质；有机清洗剂又分为天然有机物和合成有机物。天然有机物有石油、汽油、高分子磺酸盐、皂草苷和中性胶质等。合成有机物中有溶剂类、皂类、表面活性剂和螯合型化合物等。在清洗过程中，根据污物的性质和特点、被清洗物的材质构造及对清洗质量要求，选用一种或两种以上复配起来的清洗剂进行清洗以及适当的清洗方法。4.2.1水1.水分子结构特点水分子中三个原子核排列是以氢原子核为底，二个氧原子核为顶的等腰三角形方式，是典型的强极性分子。水分子结构特点使水具有异常的温度体积特性，即在4℃时密度最大。水的强极性使其有很强的溶解能力，强极性和氢键缔合倾向，使得表面张力比其他液体大得多。2.水的优缺点水易得、便宜，有很强的溶解力和分散力；具有合适的冰点、沸点和蒸气压；具有较大的比热容和汽化热；不可燃性；无毒无味。它是重要的溶剂。但水的强极性使对于非极性的油性污物亲和力低，溶解力差，需在水中加碱类、肥皂或合成洗涤剂来提高对油性污物的溶解力。常温下用水润湿物体表面较困难，而在湿法清洗过程中，去除物体表面污物是从溶剂润湿物体表面开始的，为此，常在水中加入少量表面活性剂。3.水中的杂质从自然界中得到的水往往含有许多杂质，或溶解或悬浮在水中。悬浮在水中的无机物包括少量砂土和灰，有机悬浮物包括有机物残渣及各种微生物。溶解在水中的气体包括来自空气中的氧气、二氧化碳、氮气和工业排放的气体污染物；溶解在水中的无机盐类主要有碳酸钙等及相应的镁盐、钠盐等和其他金属离子的盐，溶解的有机物主要是动植物分解的产物。水中溶解的气体、无机盐类和其他杂质对水质有不良影响。水可以净化与纯化。4.2.2非水溶剂1.溶解规律溶解是一种物质以分子或离子状态，均匀分散在另一种物质中的过程，把溶解形成的由几种不同物质组成的均匀体系叫溶液，它由含量少的溶质和含量多的溶剂组成。溶解过程实际上是克服溶质分子和溶剂分子内聚力而形成溶质与溶剂分子均匀结合体系的过程，只有当溶质和溶剂分子间的结合力与溶质分子间结合力相近似时，溶解过程才会发生。2.有机溶剂主要种类及性能(1)烃类溶剂烃、柠檬油(2)卤代烃溶剂用于清洗的卤代烃有氯代烃溶剂和氟氯烃溶剂两类。(3)醇类溶剂分子中脂肪烃基与羟基直接相连的有机化合物属于醇类。(4)酮类溶剂主要有丙酮和甲乙酮（2-丁酮）(5)酯类溶剂清洗用的酯类溶剂很多，常用有乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯。3.混合溶剂把两种溶解范围不同的溶剂或把一种有机溶剂与水混合得到的混合溶剂叫溶剂。混合溶剂可分五种使用方法：两相溶剂法、相溶溶剂法、乳化溶剂法、加溶混合液和共沸混合物。4.2.3表面活性剂表面活性剂不仅有洗涤去污作用，而且有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、柔软、抗静电、杀菌等多种功能，因此以表面活性剂为主要成分的清洗剂广泛应用在工业清洗中。1.表面活性剂的有关概念将不同性质的物质溶于水时，水的表面张力会发生变化，一种是随溶质深度增加而加大，另一种是逐渐减小，第三种是在稀溶液时随溶质浓度的增加而急剧下降，下降至一定程度后缓慢下来或不再下降，把物质能使溶剂表面张力降低的性质称为表面活性。普通的碳氢表面活性剂的分子结构是长链的疏水基团和亲水基团或极性基团组成的，这种活性剂的分子结构是双亲结构。表面活性剂分子在水中是以下列三种形式存在的：以分子状态溶解、吸附于相界面和以胶束状态存在于水中。2.表面活性剂水溶液的性能表面活性剂的洗涤去污原理是多种性能如吸附、润湿、渗透、乳化、分散、起泡、增溶等性能综合作用的结果。表面活性剂还有柔软、抗静电、杀菌性等性能。3.表面活性剂分类表面活性剂种类很多，分类方法也有多种，常见的是根据在水溶液中的电离特性将其分为阴离子、阳离子、两性离子及非离子四大类的分类方法。4.表面活性剂洗涤剂成分表面活性剂洗涤剂又称水剂清洗剂，一般是由表面活性剂、洗涤助剂和添加剂组成的。洗涤助剂的作用有：螯合金离子的作用、碱性介质作用、活性胶体的吸附分散作用、增强表面活性剂的表面活性作用和防止污垢再沉积作用。4.2.4化学清洗剂利用化学药剂与污垢发生化学反应，使它从清洗物体表面解离并溶解分散到水中的清洗方法叫化学清洗。化学清洗过程中使用的化学药剂则称为化学清洗剂。常用的化学清洗剂有酸、碱、氧化剂、金属离子螯合剂、杀生剂等。在用化学药剂去除污垢时，希望药剂只对污垢起化学作用而最好不与清洗物质发生化学反应，但实际往往不可能完全做到这一点，因此配合化学清洗剂（主要是酸）使用时要加入金属缓蚀剂及钝化剂等助剂。1.清洗中常用的酸(1)清洗中常用的无机酸：硫酸、盐酸、硝酸、磷酸和氢氟酸(2)清洗中常用的有机酸：氨基磺酸、乙酸、草酸和柠檬酸2.酸洗缓蚀剂与钝化剂(1)缓蚀剂与缓蚀作用在低浓度下能阻止或减缓金属在环境介质中腐蚀的物质称为缓蚀剂。缓蚀剂作用机理主要有以下几个要点：成相膜理论、吸附膜理论和电化学理论。(2)酸洗缓蚀剂的组成目前酸洗缓蚀剂由缓蚀剂、溶剂、表面活性剂以及其他添加剂多种组分组成。3.清洗常用的碱洗涤过程使用的碱性物质包括化学结构属于碱类的物质和水解显碱性的盐类，常用的盐有碳酸钠、磷酸钠和硅酸钠，要求碱性弱一些时用它们的铵盐。(1)各种碱的性质氢氧化物、碳酸盐、简单磷酸盐、聚合磷酸盐、硅酸盐(2)碱对清洗对象的腐蚀性钢铁和铸铁在通常情况下，对各种浓度的碱溶液十分耐蚀，只有在煮沸状态下的高浓度氢氧化钠水溶液中才慢慢被腐蚀；有色金属对碱的耐蚀性一般较差；一定浓度的硅酸盐溶液对有色金属的腐蚀性较小；铜、镁等有色金属对碱液有较好的耐蚀性；硅和玻璃等材料会受到碱的腐蚀。为降低金属在碱性清洗过程中的腐蚀，在清洗液中常加入缓蚀剂。(3)碱对污垢的去除作用油污中主要是动植物油或矿物质油，前者主要成分是高碳脂肪酸甘油三脂，通常油脂中含有30%左右的游离脂肪酸，脂肪酸与碱反应生成有一定水溶性的肥皂，而脂肪酸甘油三脂在强碱性高温情况下发现皂化反应生成甘油和肥皂，去除污垢。矿物油污不能单纯用碱类去除，但硅酸盐碱性物质在一定程度上对矿物油有去除作用。碱对蛋白质类污垢的去除有一定效果。4.清洗常用的氧化物使用氧化物可使有机物或金属发生氧化反应，是清洗中常用的有效方法。5.金属离子螯合剂由一个简单正离子（称为中心离子）和几个中性分子或离子（称为配位体）结合而成的复杂离子叫配离子（又称络离子），含有配离子的化合物叫配位化合物。在配位化合物中中心离子与配位体通过配位键结合。如配位体中只有一个配位原子，则中心离子与配位之间只能形成一个配位键，而有些配位体分子中含有两个以上的配位原子而且这两个原子间相隔着两至三个其他非配位原子时，这个配位体就可以与中心离子（或原子）同时形成两个以上的配位键，并形成一个包括两个配位键的五元或六元环的特殊结构，把这个配位化合物称为螯合物。螯合物比一般配位化合物更稳定。把能形成螯合物的配位体叫螯合剂，螯合剂包括无机和有机两类。4.2.5吸附剂在清洗过程中利用污垢对不同的物质表面亲和力的差别，在气体或流体介质中将污垢从原来吸附的物质表面转移到另一物质表面达到去污目的，把这种操作叫吸附清洗。1.吸附现象与机理一种物质以原子或分子形式附着在另一种物质表面上的现象称为吸附。能够吸附气体或溶液中的溶质是固体表面的一种特征性质，它与固体表面具有过剩的能量有关，固体表面上各个质点被固体内部质点吸引着，而外部没有吸力，力不平衡，存在剩余力场，这个不平衡的力场通过吸附别的分子得到某种程度的补偿。吸附按作用力性质分为物理吸附和化学吸附两类。2.吸附剂作为吸附剂，要求其具备的基本特征是与污垢有很强的亲和力而且本身有很大的吸附表面积。吸附剂的表面与污垢之间可能存在物理和化学的亲和力，这种亲和力包括分子之间作用力、氢键力、静电引力以及化学键力。通常吸附剂表面分子与吸附物之间是借分子间作用力而吸附的，这个作用力大小与吸附剂与吸附物种类有关。在另一些情况下，当污垢粒子与吸附表面带有相反电荷时，也可以靠静电引力吸附。判断物质表面的亲水性及亲油性大小，常采用测定接触角的方法。在选择吸附剂时可根据污垢的亲水性、亲油性选择合适的吸附剂。4.3清洗原理去污过程是将吸附在基质上的污垢解吸下来，从而使基质表面清洁的过程。去污大致分为以下几步：1)洗涤剂溶液对被洗基质和污垢的润湿及对两者界面之间的渗透；2)清洗剂中的表面活性剂使油性污垢乳化、增溶、分散，使污垢与固体表面分离，并分散或乳化于洗涤介质中（通常是水）；3)防止已被乳化的油性污垢和已被分散的固体污垢重新再沉积于基质表面。4.3.1固体污垢的清洗原理固体污垢的清洗原理主要利用是洗涤剂中表面活性剂具有的性能：润湿作用、乳化作用、分散作用、增溶作用和发泡作用，详见表面活性剂的性能部分内容。4.3.2液体污垢的清洗原理可以认为，洗涤作用是污垢、物体与溶剂之间发生一系列界面现象的结果。大多数洗涤过程是在水溶液中进行的，首先是洗涤液能润湿固体表面，若固体表面已吸附油污，即使完全被油污覆盖，其临界表面张力一般也不会低于30mN/m，所以表面活性剂溶液能很好地润湿固体表面，而污垢之所以牢固地附着在固体或纤维之间，主要是依靠它们之间的相互结合力。洗涤剂的去污，就是要破坏污垢与固体或织物间的黏附键，降低或削弱它们之间的引力。洗涤剂活性物分子中有良好的表面活性，其疏水基一端能吸附在污垢的表面，且可渗入污垢微粒内部，同时又能吸附在织物纤维分子上，并将细孔中的空气顶替出来，液体污垢通过“卷缩”，逐渐卷缩成油珠，最后被冲洗或因机械作用离开固体表面。除了上述所说液体污垢的去除，主要依靠洗涤剂活性物的润湿作用外，还有增溶和乳化作用机理。增溶作用的机理认为，液体污垢在表面活性剂胶束中增溶是去除油污的重要机制。当洗涤剂的浓度达到CMC(表面活性剂在水中形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度CMC)以上，从织物表面去除油污的作用才明显的，低于CMC时，增溶发生在细小的珠状胶束中，也就是说此时只有少量的油污被增溶。只有当洗涤剂的浓度高于CMC浓度时，能形成更大的胶束。同时，洗涤剂中有不少无机盐也能促进胶束的形成，增强洗涤剂的去污效果。乳化作用与许多表面活性剂的洗涤力似乎无多大直接关系，但通常洗涤剂都有不同程度的乳化性质，油污在表面活性剂的作用下，能分散成液滴，分散在水中形成乳白色，一旦油污液在液体中形成，界面增大将加速增溶，或油污液珠吸附更多的表面活性物而被乳化。4.3.3水介质中污垢的清洗原理液体污垢的去除原理，主要依靠表面活性剂溶液对固体污垢在固体表面的黏附性质不同。固体污垢在固体表面上的黏附性不同于液体污垢那样铺展，往往仅有较少的部分与固体表面接触、黏附。固体污垢的黏附主要依靠范德华力，其静电作用较弱。固体污垢微粒在固体表面的黏附程度，一般随时间的增长而增强，潮湿空气中较干燥空气中的黏附强度高，水中的黏附强度又较空气低。在洗涤过程中，首先是洗涤剂溶液对污垢微粒和固体表面的润湿，在水介质中，在固体-水溶液界面上形成扩散双电层，由于固体污垢和固体表面所带电荷的电性一般相同，两者之间发生排斥作用，使黏附强度减弱。另外，水还能使固体污垢膨胀，进一步降低污垢微粒-固体表面的相互作用，有利于污垢的去除。若在洗涤时施加外力，使其在强大的机械运动和液体冲击下，则更有利于使污垢微粒从固体表面去除。合成洗涤剂的去污能力与洗涤剂中活性物的成分和外界条件，如温度、酸碱度、深度以及机械作用的强弱等因素有关，这些因素又因不同的固体物质而异。4.3.4金属表面清洗的力学分析金属零件表面以及部件、装置和系统内腔的清洗过程是既有复杂的物理-化学过程，又有复杂的机械过程的综合过程。清洗效率决定于清洗剂的性质，污物微粒的大小和性质，清洗工艺规范，被清洗零件、部件及系统的结构特点。清洗后表面的污染度和残留污物的种类基本上取决于清洗方法和清洗剂的种类。金属表面粘附着的固态微粒、润滑油、油脂薄层等污物，可通过机械作用、溶解、化学反应或洗涤等方法清除。在某些情况下，要采用综合性的清洗方法。现在清洗机械零部件和系统时，广泛采用具有很强的物理-化学作用的清洗液。清洗液除了可以松散、破坏或溶解污物层外，在一定条件下，还可以对固态污物微粒施加机械作用。因为金属表面上的污物一般来说是固态微粒，腐蚀和氧化产物，润滑油、油脂等的聚合残渣的混合物。要清除它们往往要费很大气力，需要采用专门手段来完成该项工作。为了方便地清洗掉毛坯和零件表面聚合层中的固态污物微粒，建议用化学活性强的清洗液冲洗。大多数情况下，清洗工作需在零件制造完毕后立即进行。让我们来分析一下液流剥离、悬浮和输送污物微粒的整个过程。如果在液流方向上作用于微粒的流体动力之和超过微粒与表面之间的摩擦力，微粒就可能从表面剥离下来。这个条件可用下述不等式表示：Wx＞f(G－Wy十Fag）(4-3)式中微粒与表面间的摩擦系数f，污物微粒的重力G，微粒附着于表面上的附着力Fag，作用于微粒上的液动力主矢量的垂直分力Wy，作用于微粒上的液动力主矢量的水平分力Wx。微粒与表面之间的摩擦力取决于微粒与表面的结合力，而结合力则主要决定于微粒的重力G和附着力Fag。附着力决定于相互接触物体的性质、分子间作用力和电场作用力、毛细管作用以及其它因素。微粒的附着力随粒度减小而增大。接触面浸油和湿润也导致附着力的增强。至今还没有通过理论和试验研究解决计算燃油、润滑油和液压系统用液中污物微粒的附着力的办法。水中玻璃球贴附于钢制零件表面上的附着力，可按下式计算：Fag=kdw(4-4)式中k——与附着的玻璃球数量有关的经验系数，单位为10-5N/μm；dw——玻璃球的直径，单位为μm。升力Wy促使污物微粒剥离，而升力的产生是由于微粒周围有非对称的绕流。微粒下方有不流动的液体或是缓慢渗透着的液体，而微粒上方则有急剧流动着的液体。在具有这种非对称绕流的情况下，微粒下方的液体压力将超过微粒上方的液体压力。根据H．E．茹科夫斯基的公式，球形微粒的正向阻力(N)为：(4-5）式中du——微粒直径，单位为m；ρ——液体的密度，单位为kg/m3；v——液体相对于微粒的速度，单位为m/s。4.3.5液体过滤过程的理论基础将固态污物微粒从液体中分离出来可以采用机械的方法，也可以采用力场。前者利用缝隙式或多孔式过滤材料来过滤液体，后者从液体中清除污物微粒是利用离心力场、磁力场、电力场以及其它力场。因此，作为液体净化装置有：各种型式的过滤器或离心式、磁力式、静电式净化器。目前，在机械系统中净化燃油、润滑油和液压系统工作液时，最常应用的是过滤器。过滤器中利用滤纸、纸板、塑料、陶瓷、金属网、成套的金属片或粉末冶金制成的过滤元件滤出污物微粒。滤清精度以过滤器所能滤出的微粒的最小粒度来评定。根据达西定理，水在砂滤器中的过滤时，过滤速度与压力降成正比：（4-9）式中qV——过滤液体的体积流量；kØ——过滤系数；S——过滤材料截面积；Δp——过滤区段的压力降；δ——过滤材料的厚度。