HM和HV VG 68油在类似压机压力-温度条件下的比较研究

《Results in Engineering》：Comparative study of HM and HV VG 68 oils under press-like pressure - temperature conditions

　　

摘要
液压系统，如液压压机，在苛刻的工业条件下运行，其中压力、流量和温度的变化显著影响液压液体的物理性质——特别是粘度和密度。本研究调查了这些参数对两种矿物液压油ISO HM VG 68和ISO HV VG 68行为的影响，并评估了它们在维持系统效率和可靠性方面的作用。研究通过五个集成阶段进行，包括在运行压机上的实时实验测试、过滤前后的流体性质分析、多压力工况（80-120 bar）下的模拟，以及通过数学建模内部泄漏以估算容积效率。结果表明，HV油在热应力下能更有效地保持粘度，减少内部泄漏并维持更高的容积效率——高达93.8%，而HM油为85.5%。过滤通过减少固体颗粒和水的污染，使流量恢复了4-6%。这些结果具有新颖性，因为它们突出了在工业液压系统中选择合适油型和采用针对性过滤策略的操作优势。

论文解读文章

**研究背景与问题**
液压压机系统依赖于工作流体的性质，因为粘度和密度影响润滑、内部泄漏和整体泵性能。在ISO 6743/4分类中，HM油为具有正常粘度指数（VI）的矿物抗磨液压油，而HV油为通过粘度指数改进剂获得高粘度指数（VI）的抗磨液压油。VG表示在40°C下的ISO粘度等级。液压油状态与系统故障密切相关，先前研究报道流体相关问题占液压系统故障的很大比例。油液的摩擦学功能直接与液压组件中的润滑和磨损控制相关，而在高温下，HV油因其更高的粘度指数预期比HM油更有效地保持粘度。先前对VG 32油在轴向柱塞泵系统中的研究表明，高粘度指数流体在高温下能更有效地保持粘度，并提供更高的容积效率和更稳定的压力。除温度和压力外，油液状态还受固体颗粒和水污染的影响。当前诊断方法能够在不中断生产的情况下进行在线监测清洁度、水分和粘度。先前研究已将液压系统中齿轮泵和阀门的组件退化与颗粒污染联系起来，同时描述了颗粒如何增加磨损、流动限制和故障风险。水污染进一步降低润滑性能，促进腐蚀和氧化，并改变流体性质。对于外啮合齿轮泵，这些效应尤为重要，因为通过径向和轴向间隙的内部泄漏强烈依赖于油液粘度，泄漏直接降低容积效率。在此背景下，过滤被视为一个集成工程问题的一部分，将油液清洁度与粘度保持和泵性能联系起来。尽管有这些贡献，先前研究未能充分地将油类型、油污染、过滤响应、压力-温度依赖的粘度损失、内部泄漏和容积效率在同一工业液压压机系统内联系起来。大多数可用研究涉及新鲜油、不同粘度等级、受控实验室条件或液压流体退化的单个方面。因此，在实际应用中对使用过的ISO HM VG 68和ISO HV VG 68油在配备外啮合齿轮泵的运行压机中的行为存在研究空白，其中油液状态、热负荷、压力工况和泵间隙同时作用。

**研究内容与结论**
本研究通过检查取自运行液压压机的使用过的ISO HM VG 68和ISO HV VG 68油来填补这一空白，其中VG 68是所观察系统中应用的标准粘度等级。研究结合了压机上的实时测量、过滤前后的油液性质评估、压力-温度模拟以及基于泄漏的容积效率估算。研究的新颖性在于，在单一实验和建模框架内对使用过的VG 68油、类似压机的压力-温度条件、污染和过滤效应以及泵级泄漏分析进行了集成工业工程评估，而非开发全新的理论泄漏模型。因此，目标并非引入根本性的新泄漏理论，而是展示如何将已建立的流体性质和泄漏关系与工厂测量相结合，以支持工业液压系统中的油液选择和维护决策。

**主要技术方法**
研究人员采用五阶段集成方法：使用过的油样采集与准备（来自工业液压压机，约24个月连续运行，107.520小时累积运行时间）；油液性质实验分析（包括运动粘度、密度、ISO 4406清洁度、相对湿度，使用便携式粘度计、比重瓶和ISO 4406合规设备）；固体颗粒过滤（2 μm，β_x=2000，便携式Hydac过滤系统）和水分离（Parker Hannifin离心分离器）；基于Kne?evi?和Savi? [14]的报告关系模拟四种压力工况（80、95、105、120 bar）下的粘度和密度；基于Poiseuille流动理论的数学泄漏模型（通过径向和轴向间隙的层流，考虑间隙高度h、长度L、宽度b）估算内部泄漏并计算容积效率。

**研究结果**
*3.1 大气压和理想温度下的油液分析*：初始分析显示，HM和HV油在过滤前均超出要求的清洁度等级（19/17/14），相对湿度约39-43%（相当于约400-430 ppm，视为有风险）。过滤后，HM油清洁度改善至19/17/15，湿度降至32%（约320 ppm），运动粘度从54 mm2/s增至57 mm2/s；HV油清洁度改善至19/18/14，湿度降至33%，粘度从55 mm2/s增至61 mm2/s。过滤使相对湿度降低约7-10个百分点，40°C运动粘度增加约5-11%，ISO 4406清洁度等级改善1-3个代码。
*3.2 不同操作参数下运动粘度行为模拟*：图4显示，增加压力和温度导致两种油运动粘度下降，HM VG 68退化更严重。在温度超过60°C且压力超过105 bar时，粘度降低尤为显著，可能损害润滑膜、增加内部泄漏并导致容积效率下降。过滤改善了粘度保持，尤其在较高操作工况下。
*3.3 不同操作参数下比重行为模拟*：密度变化较小。在120 bar、70°C下，HM油密度增加0.55%，HV油增加0.6%，远小于相应粘度变化，因此密度对摩擦损失和能量消耗的影响次要。
*3.4 运动粘度对外啮合齿轮泵腔室流动行为的影响*：基于层流通过间隙的数学模型（方程9：Q = b h³ Δp / (12 μ L)），考虑径向和轴向间隙。在120 bar、70°C最苛刻工况下，HM油实测平均流量12.4 L/min（理论14.5 L/min），容积效率85.5%；HV油实测13.6 L/min，容积效率93.8%，差异大于测量不确定度带（±1.5%）。过滤后流量恢复4-6%。

**讨论与结论**
讨论部分指出，在低温度下两种油行为相似，在60-70°C且105/120 bar时差异显著。HV油因高粘度指数更稳定，过滤提高了性能但未消除油型差异。粘度损失直接转化为容积效率下降，通过泄漏模型得到验证。密度变化影响次要。研究局限性包括：在单一工业压机和齿轮泵上进行，结果适用于该泵型；泄漏模型使用有效平均间隙而非实测间隙；过滤效果无法单独分离水和颗粒的贡献。未来工作应扩展至其他油型和泵设计，并耦合长期磨损模型。结论：在高温高压下，HV油比HM油显著降低粘度损失（过滤后HV油降低约12-13%，而HM油降低约42%），容积效率提高8.3个百分点（93.8% vs 85.5%）；过滤使流量恢复4-6%；层流泄漏模型预测与实验数据一致。研究表明，联合使用HV油和有效过滤可提高液压系统效率、减少磨损并延长组件寿命。论文发表在《Results in Engineering》。