夜雨聆风
众所周知，液压系统中很多的故障都是由于工作油液污染造成的，因此，要想提高液压系统的可靠性及寿命，必须要了解液压元件及系统在污染环境下的性能，并以此作为系统可靠性设计的理论依据。目前，液压系统的污染分析多以试验为主，在线检测污染仅仅是控制油液污染程度不超标准而已，而对油液污染与系统使用寿命关系知之甚少。为了获得更多液压系统在污染环境下的性能数据，除了要进行大量针对液压元件的污染试验外，还必须有成熟可靠的油液污染分析软件，来对实验结果进行汇总、分析，并结合液压系统的不同工况进行仿真模拟，分析液压系统在各种污染环境下的性能。
FESCON软件就是一款能够完成液压系统污染控制仿真的软件，该软件除了可以对液压系统分析压力、流量等性能外，还可以针对油液污染的影响进行仿真分析，获取液压元件和系统在油液污染环境下的性能衰减量，为进行污染控制提供了量化的数据支持。
二、污染控制仿真模块的用途
液压泵、液压阀、液压马达等元件对于油液中的污染颗粒比较敏感，反复工作于污染油液的环境下，泵的流量会逐渐衰减，阀的响应速度也会变慢，还有可能发生卡死现象，液压马达的转速也会发生衰减。诸如此类的油液污染引起的性能衰退，如没有做量化的污染影响评估，就不可能由此得到元件或系统在工作中的可靠度和寿命。
可将元件对污染的敏感数据包含进来，所以可以在设计之初就创建出较为逼近实际污染环境的系统，并进行仿真。 对于给定的系统，设计师可以通过FESCON软件，更精确地预测其在各种不同的污染环境下的可靠性和工作寿命。 通过FESCON污染分析，可以得到整个系统维持可接受性能所允许的油液污染阈值，就可以更有效地对该系统进行维护并维持较长的可靠性和工作寿命。
三、污染控制仿真模块的使用
污染控制仿真模块是以美国俄克拉何马州立大学的流体动力研究中心创建的污染Omega 理论为基础，依据 Omega 理论的数学模型，由试验测得或理论推导得到元件污染敏感度系数，就可以计算出系统中不同元件的工作寿命，对液压系统整体污染特性进行分析。
Omega理论中，有几个关键的参数需要注意：
污染敏感度指数(CSI) —— 通过元件污染敏感度试验或理论推导得到，用来表征元件受单位污染物影响程度的量。 关键性能参数(CPP) —— 用于显示元件性能衰退的可测量参数，因此它必须是可以被观测的并且对失效模式具有敏感性的量。 Omega 寿命—— 元件在实际工作条件下由于油液污染导致失效的工作寿命。
FESCON污染控制仿真模块主要需要进行以下几方面的参数设置：
3.1、工作油液污染环境设置
在软件中可以设置工作油液的污染程度（清洁度等级标准），污染颗粒分布通常用SAE AS4059标准的清洁度等级来表示，如下图所示。设置了清洁度等级，软件就可以计算单位油液内任意尺寸段污染颗粒的数量。
也可以通过专用的元件SI5670（下图中左图）来输入任意的污染颗粒分布，即输入污染颗粒尺寸和对应的数量（下图中右图），其他任意尺寸的污染颗粒数量软件可以自动插值计算出来。
某些情况下，要考虑油液中含有多种污染物类型叠加造成的影响，就可以利用FESCON污染控制仿真模块提供的工具MSPD Calculator（下图所示）进行污染物混合计算，然后将混合的污染物分布应用到FESCON污染控制仿真模型中。
3.2、元件的污染敏感度指数（CSI）
元件对污染物的敏感程度，可分为反映材料磨损的磨损敏感度（Wear CSI）和反映阻碍运动的卡滞敏感度（Lock CSI），如下图所示。
软件针对不同的液压元件类型（泵、液压马达、普通阀、伺服阀、油缸、油箱、过滤器等）内置了不同的污染计算模型，因此不同类型的液压元件污染参数也不同。有的使用污染磨损敏感度，有的使用污染卡滞敏感度，而且不同元件的关键性能参数（CPP）也不同。
3.3、油滤参数
油滤是污染控制的关键元件，可以过滤油液中的污染物，减少油液污染对元件的影响。但是油滤过滤精度过高，也会导致油滤容易堵死，需要频繁更换。在污染控制仿真中，油滤参数除了常规的流阻参数外，还需要输入过滤比（Beta Ratio）、纳污量与净压差数据，如下图所示。
设置的油滤参数后，就可以仿真计算液压系统中污染物浓度变化曲线和油滤的流阻和纳污量变化（下图所示）。然后根据分析结果，判断油滤参数是否适合，能够达到预期的控制污染效果。
3.4、污染物的侵入率
污染物侵入是指环境中的污染颗粒以及液压元件本身产生的污染物进入油液中，引起污染物浓度变化，污染物侵入率就是污染物侵入的速度。FESCON软件中可以设置污染物侵入率（下图）
软件中还提供了动态污染物侵入率的元件SH5112（下图中左图），能够设置随时间变化的污染物侵入率，可以更精确地设置污染物变化。另外，软件中油滤元件也考虑了纳污量增加导致过滤效率下降的特性。因此，利用动态的污染物侵入率配合动态的油滤过滤特性，能够得到更为准确的动态的污染物动态变化情况（下图中右图）。
3.5、加速因子
油液污染对元件的影响往往需要较长时间才能体现出来，与之对应的，油液污染仿真也需要很长的时间。例如，要看到泵的污染磨损效果，往往是要“上百小时”的时间来仿真，相较于通常以“秒”为单位的仿真时间，以“小时”为单位的仿真几乎是不现实。根据污染Omega相关理论，单位时间的关键性能衰减量是与污染敏感度和污染物浓度成正比的，可以采用增加污染物浓度或者提高CSI的方法来进行寿命加速，减少仿真时间。软件的仿真设置中，有一项ALT Acceleration Fator（加速因子）可以实现在虚拟平台上的系统加速运行。
软件进行污染控制仿真时，会将元件的污染敏感度乘以加速因子，就能用更少的时间得到需要的结果。例如加速因子为3600，则仿真1秒就代表实际的1小时，这样只需要仿真1000秒就能够得到1000小时的计算结果。
四、污染控制仿真模块示例
4.１、泵的污染磨损分析
当暴露于污染油液环境下，泵在使用过程中会一直经历性能衰减的过程。泵的流量可作为在任何系统中都适用的临界性能参数，用于查看泵性能衰减的程度。下图所示为由节流阀为负载的简单液压系统，该例的目的是分析泵在污染油液中的磨损状况及因磨损而造成的流量损失情况。
4.2、阀的污染卡滞示例
阀在油液污染环境中静置时，污染物逐渐淤积到阀的运动间隙中，增加了阀芯的阻力，产生了污染卡滞现象。用于测量的关键性能参数（CPP）就是阀的零区增加量或是打开阀所需的驱动力增加量。
阀的卡滞效果除了与油液清洁度等级有关外，还与泄漏量和静置时间有关。静置时间是指阀在污染油液中没有动作，阀芯、阀套均为静置状态的时间。静置时间越长，阀的污染卡滞越严重。下图所示的单个伺服阀，分别进行两次仿真，第一次的静置时间为20s，第二次的静置时间为60s。
仿真结果如下图所示。可以看出，阀在污染油液中静置一段时间后，输入信号，必须有足够大的信号才能使阀开启，输出流量。
4.3、油滤过滤的动态分析
污染分析模块还可以显示加装了油滤对系统的污染度等级的影响，可以利用污染模块进行油滤的选取和优化分析。仿真模型如下图所示，在该系统中加入了滤油器，并给该滤油器输入适当的Beta值，来观察滤油器对油液的过滤作用。
下图显示油滤前的仿真污染颗粒浓度，具体的颗粒尺寸可以在仿真设置中规定，本例子，显示大于2微米、5微米、10微米、20微米、40微米和60微米的污染颗粒的浓度。可以看出各个尺寸段的污染颗粒浓度都随时间增加而降低。
软件还可以显示任意位置的污染颗粒浓度，例如显示油滤前和油滤后的大于2微米的颗粒浓度，如下图所示，可以看出，经过油滤，污染颗粒浓度明显降低，降低的程度就取决于油滤的过滤比。
软件还可以显示油滤的压力（反映流阻大小）和纳污量，如下图所示。这两个量可以做为油滤寿命的指标，例如当压力超过规定值就必须进行更换或维护。
4.4、污染侵入效果示例
污染物侵入是几乎所有在真实世界环境中运行的系统都要面临的问题。污染模块允许用户在仿真中加入污染物侵入的影响，大大提高了系统分析的精度和实用性能。下图所示的系统中，在油箱处加入污染侵入率参数，表示外界尺寸有污染粉尘持续进入油箱中的油液中，并通过液压油的运动影响到系统中所有的液压元件。
下图的仿真结果显示了有污染侵入的系统中的污染物浓度，可以看出，在仿真过程中，污染颗粒数量，由于对油箱持续加入的污染物的原因而使上游颗粒数不断增加。但因有滤油器而使用污染物的增长达到稳态。
4.5、其他元件的污染仿真
1）液压缸的污染磨损示例
较长时间的仿真后，可以看出液压缸的泄漏系数增加（下图中左图），即相同压差下的泄漏量更多了。泄漏系数不便于测量，但是从液压缸的速度曲线（下图中右图）可以看出液压缸往复运动的最高速度有了一些下降，这就是污染磨损对液压缸的影响效果。如果规定了液压缸的运行的运动速度或泄漏量，就可以通过仿真判定液压缸的寿命（工作循环次数）。
2）液压马达污染磨损示例
五、总结
油液污染状态既可以设定标准的油液清洁度等级，也可以自定义油液污染颗粒分布，甚至可以设置混合污染分布。仿真模型中可以加入污染物侵入率来模拟实际的工作环境中不断增加的污染物，同时加入油滤来控制污染物浓度。污染控制仿真模块可以对泵、阀、液压缸、马达等多种常用液压元件进行污染分析，给出量化的受油液污染影响的性能曲线，如磨损导致的泄漏量变曲线、输出流量变化曲线、油缸运动速度变化曲线、液压马达转速变化曲线等，污染卡滞导致的阀死区增大，开启阻力增加等。
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