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液壓介質中空氣含量過大對液壓系統可靠性的影

文章出處:威海戥同測試設備有限公司 人氣:發表時間:2017-12-12
威海戥同測試設備有限公司,威海264209
 
      摘  要 本文提出液壓系統的汙染控制發展到今天,應對各種附件在工作條件下的汙染生成率指標提到日程上來,濾油器的過濾比βx應表征在真實系統中的凈化能力,以逐步實現液壓系統油液汙染度的主動控制。和本文重點討論在液壓系統中空氣含量過大可產生的各種危害,提出對空氣含量實施控制的必要性及具體控制指標和控制方法,以及全方位實施汙染控制所產生的巨大經濟效益和社會效益。
     關鍵詞  液壓系統   空氣汙染危害   控制指標
      1 概述 
       液壓油的汙染控制工作開展,已有二十多年的歷史了,對於開展這壹工作的重要性也逐漸被有關部門所重視,並且也取得了不少的成績,主要表現在“飛機液壓系統汙染度驗收水平和控制水平”標準的制定和執行,取得了因汙染物導致的故障明顯降低,平均無故障間隔時間明顯延長。但是按全方位實施油液汙染度主動控制的要求尚有很大的距離,汙染控制所產生的巨大經濟效益和社會效益尚沒有充分發揮出來,因為它可以數倍的延長機器和油液的使用壽命,數倍的減少工作故障,對於節省資源、節約能源、保護環境、提高戰鬥力和減少國防經費等方面的巨大價值,尤其是空氣含量過大對飛機液壓系統可靠性影響尚未被有關部門所充分認識。
       1.1 關於全方位、主動的實施汙染控制
       所謂全方位是指油液的汙染控制應從固態汙染、液態汙染和氣態汙染三方面實施控制,這已是眾所周知的;但是目前所實施的汙染控制僅僅是著重於固體顆粒的控制,其表現形式為各部門均著重於選擇過濾器和實施過濾凈化,最終的目的是凈化結果能滿足“汙染度驗收水平”要求。對於如何防止水分和空氣的侵入,以及應采取那些技術手段將水分和空氣從油液中清除的問題,尚未能深入開展研究。
       所謂主動控制,是指按照要求,系統應在什麽汙染度等級條件下工作,其真實的系統就能夠保證在該汙染度等級。實現這壹目標,首先必須限定系統中各種附件的汙染生成率,即在規定的汙染度等級條件下,單位時間內汙染顆粒生成的數量不超過規定的指標。其次是濾油器對汙染物的清除率,必須保證大於或等於系統中各種附件汙染生成率的總和,才可以保證系統在工作中汙染度不上升。而目前的技術狀態,沒有限制汙染生成的數量,只是將其凈化到出廠驗收水平;濾油器的凈化能力即過濾比βx的指標也沒能與系統的汙染度水平相掛鉤,對濾油器精度的要求帶有壹定的盲目性,系統的汙染控制是被動的;為保證系統的清潔,只好經常檢測,經常地面清洗來滿足要求。只有當實現了濾油器的納汙容量和過濾比βx的指標,保證在規定的時間內濾除汙染顆粒的能力可以超過或等於系統內汙染生成率,才能實現系統的汙染度等級長時間不上升,也可以免於經常檢測和經常清洗的煩惱。
       固體顆粒汙染已有許多文獻論述,本文僅就液壓油中空氣汙染對液壓系統產生的危害及其如何控制等問題提出討 論意見。
       2  空氣汙染對液壓系統危害的分析
定性的論述空氣對液壓系統的危害已見過不少文獻,但是定量的分析尚未見報道,而在工程實踐中采取那些技術手段有效的降低空氣汙染的危害更是無人問津,在這壹方面無論是國外還是國內均屬空白。本文通過空氣汙染的分析和試驗數據,闡述控制空氣汙染的重要性,以促進空氣汙染控制技術的開展,實現全方位、主動的汙染控制。
 
       2.1降低油液的彈性模量  
       當油液中有遊離氣體存在時,就大幅度降低油液的彈性模量。例如:液壓油在無遊離氣體時彈性模量平均值為1510MPa,如果夾雜空氣,油液的彈性模量會降到353 MPa以下,能造成系統響應遲緩,工作不穩定,會影響飛機操縱的跟隨性,尤其是自動化程度很高的第四代戰機,要求高機動性,快速響應,如果出現跟隨性不好,又是低空飛行時,會引起飛行員驚恐,甚至可造成機毀人亡的事故。
      由於液壓彈性增大,影響操縱力的穩定,迂有復合操縱,大流量條件下工作,瞬間有氣泡析出,更容易產生操縱不到位的情況,對於全電傳自動操縱影響更大。由於這壹故障的發生是隨機的,有太多的不確定性,造成故障現象不易再現,也為故障分析工作造成困難。以至於長期存在的問題但壹直被忽略。
      2.2 產生氣蝕
      當系統的油液由低壓區進到高壓區時,氣泡會瞬間被壓縮破滅,此時產生的局部高溫和高壓沖擊,造成元件表面惡化和劇烈振動,氣泡破裂會產生巨大的沖擊力。例如,某航空液壓件廠,試驗臺油箱用氮氣直接增壓,在試制ZB56液壓泵時,發生了配油盤被打裂的故障,配油盤是高強度合金鋼制造,雖然有多年行之有效的設計經驗,但在28MPa壓力,4200轉/分時產生的爆炸力遠比以往的21MPa壓力級的大,說明含氣量大,會產生壹些事前無法估計的沖擊力。
      伴隨著高壓和高溫火花,除了引起機件破壞以外,還產生油液燃燒後殘留的灰分,這些灰分來源於油中的無機鹽、金屬有機物和灰塵等,當灰分進入積炭中變得堅硬耐磨,加劇了機件磨損。
      2.3 引起電液伺服閥工作失靈    
      四代機是全電傳操縱,大量應用電液伺服閥,以實現快速準確的改變飛機姿態,而當油液中有微小氣泡出現時,氣泡會影響節流孔的通油能力,可影響力矩馬達的正常工作,造成伺服閥工作瞬間失靈,影響操縱特性,自動化程度越高此項問題越突出。
       2.4 增加系統的溫升   
       當油液中氣體含量太多,低壓區必然遊離出氣泡,而氣泡被壓縮耗費的能量轉變成熱量,引起系統溫升嚴重,溫度過高會帶來壹系列弊病,例如:膠圈老化,系統漏油,油液潤滑性能變差引起磨損嚴重,有資料介紹,當系統中油液溫度降低8℃,油液壽命即可延長壹倍。
       為得到因含氣量的增加引起油溫升高的定量概念,於2003年戥同公司同貴陽液壓件廠共同做壹次試驗;試驗狀態是用同壹個試驗臺,使用同壹臺液壓泵,只改變油箱狀態,壹個狀態是用氮氣增壓的油箱,含氣量約為27%,另壹個狀態是與空氣隔離的閉式油箱,含氣量約為5%;試驗程序相同,記錄並對比在兩種油箱狀態下,液壓泵進口油溫T1、出口油溫T2和泵殼體回油溫度T3;試驗結果見表1
 
           表1       含氣量對油液溫度影響的試驗數據  
           測試點
狀態
油泵進口平
均溫度T1
油泵出口平
均溫度T2
泵殼體回油
平均溫度T3
進出口溫升
   T2-T1
殼體回油溫升
   T3-T1
 氮氣增壓油箱狀態
40.1℃
51.5℃
64.5℃
11.4℃
24.4℃
閉式油箱狀態
38.5℃
42.3℃
49.3℃
3.8℃
10.8℃
  
     試驗結果說明:
      (1)油泵出口與進口溫升之差T2-T1,閉式油箱只相當於氣體增壓油箱的33%;
      (2)油泵殼體回油與進口溫升之差T3-T1,閉式油箱只相當氣體增壓油箱的44%。
      (3)減少油液中含氣量對於降低系統溫升,有著十分可觀的效果。
       此外,依據本試驗流量測試結果,閉式油箱顯著的增加了流量,當油泵進口表壓分別為0.061 MPa,0.041MPa,0.01 MPa和0 MPa時,閉式油箱出口平均流量為33.73升/分,而氣體增壓油箱平均流量為32.26升/分,容積效率增加了4.5%,顯著的增加了油泵的有效功率。
    2.5 促進油液氧化變質   
      空氣含量增多必然對油液產生氧化腐蝕,增加油液的酸值,縮短油液的使用壽命。
此外,氣泡可破壞油膜,造成摩擦副失去潤滑,即破壞了摩擦表面又生成了大量汙染顆粒,等等;總之系統中空氣含量增加,給系統帶來的危害是巨大的。
    3  如何控制液壓系統的空氣汙染
      3.1 制定液壓油空氣含量的定量標準
      為有效的控制油液中的空氣含量,須有強制性定量的標準,雖然礦物油中溶解空氣是不可避免的,從液壓油的生產、貯存和使用各環節,想要不與空氣接觸是無論如何也做不到的;但是,油中溶解空氣是有規律的,空氣含量與壓力呈線性關系,比如,在大氣條件下溶解量為10%,而當在負壓條件下就小於10%,此時過飽和部分就自然以氣泡形式逸出,利用這壹特性,我們就可以利用負壓條件來減少空氣的含量,將逸出的空氣排除。經過負壓條件下排氣後再加入到系統中去。
      3.1.1 推薦指標為6%   空氣含量指標究竟多少合適,我們推薦為6%,因為此時的空氣含量相當於表壓-0.04 MPa時的溶解量,而小於表壓-0.04 MPa的壓力在液壓系統中是很少發生的,無論有多大流量的系統,油泵進口壓力或節流閥出口壓力在設計上都不會低於這壹指標,該壓力下油液中空氣的飽和溶解度為6%,此時就不會有氣泡逸出,則可從根本上消滅產生氣泡的可能性。
      3.2如何在系統中實現空氣含量不超過6%的指標
      3.2.1 設計要求
      在設計上除符合壹般汙染控制要求以外,應特別強調如下壹些要求:
          a. 采用與空氣隔離的閉式油箱   減少油液直接與空氣接觸,並且應設置放氣活門,便於地面隨時排氣。
          b. 在回油路的高點和附件集中區設置排氣閥,排氣閥應便於操作,因為每次飛行前都應進行排氣,應有快卸口蓋。
          c. 與地面設備接口和機身分離口及加油均應設快速接頭,盡量減少操作時進入空氣。
          d. 濾油器濾碗處必須設快速切斷閥,以保證在拆下濾碗時能將油路迅速切斷,以防大量空氣進入系統。
          e. 盡量避免死區、盲端等易積氣區域,如有應設排氣裝置。
     3.2.2 使用維護要求
      防止空氣進入系統,維護工作是重要的壹環,除人員素質必須經專門培訓以外,必須有下述壹些方面的規定。
         a. 油液  加油車的油液必須經過凈化,空氣含量不超過6%;
         b. 加油車中油液的增壓方式不允許用氣體直接增壓。
         c. 維修中拆卸導管、附件和濾碗後全系統必經地面設備連網凈化,排除各部分可能進入的空氣;汙染度檢測,除符合固體汙染度等級以外,空氣含量應不超過6%要求。
         d. 油液凈化裝置   必須采用可以真空排氣的地面凈化裝置,現行的僅僅過濾凈化裝置是無法排氣的。
     3.2.3 關於采用閉式油箱的排氣問題
         閉式油箱是現代軍機所必須采用的,它隔絕了空氣和空氣中的固體汙染物及水分。但是它也存在著壹旦空氣進入系統中,排除就困難的問題。為液壓泵進口提供足夠的流量,保證在發動機啟動時也能提供增壓壓力,地面停放時也必須有增壓,例如,國產的幾種機型,油箱由彈簧增壓壓力為0.01 MPa~0.02MPa,而引進的某機型用蓄壓器氣腔增壓,地面停放時仍有0.12MPa的表壓壓力,此種壓力的空氣飽和溶解度約為22%,所以即使在停機時,油箱通過放氣閥排氣,也只能是排除比22%多的空氣,系統其他部分空氣的含量必將超過22%,所以有資料介紹,閉式油箱的系統含空氣量超過30%。
 
        筆者根據自己在全機模擬試驗中的體會,排氣十分困難。當維修後,即使是每天首先從排氣閥門放氣,以及擰開最高點管路上的螺母放氣後,測出的壓力、脈動壓力、流量等參數都是很不規律的,噪聲也很大,直到反復放氣,開機壹段時間以後,再停機放氣,多次反復,測試的數據才能有壹定的重復性。由於該機種油箱的彈簧增壓壓力為0.01 MPa,加上活塞膠圈的摩擦力,此時空氣含量最少也不低於15%,是否還會有氣蝕的產生,當時也無法測試。所以閉式油箱的液壓系統,在維修後的排氣是至關重要的,除通過排氣活門排氣以外,還必須經地面凈化設備連網凈化,通過真空排氣,才有可能達到小於10%進而達到6%的指標。
     4       結論   
        油液的汙染除固體顆粒和水以外,空氣汙染的危害也不可忽視,汙染控制工程開展到今天,除應進壹步深化固體顆粒汙染控制以外,治理空氣汙染也應提到日程上來了,國外有關報導,固體汙染度降低壹級,壽命延長壹倍;油溫降低8℃,油液壽命也能延長壹倍,如果我們能將油液的汙染度控制在GJB420 A  7級以內,空氣含量不超過6%,則我們真的可以實現,液壓系統長壽命無故障的工作,為國家節約資源、節省能源和提高勞動生產率,將是不可估量的數字。
 
參考文獻
 
       [1](日)竹中利夫  蒲田英三著   液壓流體力學   科學出版社   1980
       [2]鄧起孝、昌滋著  流體液壓系統現代設計方法   中國建築工業出版社  1985
       [3]胡雲龍、夏立成  液壓系統的空氣汙染與試驗分析  中國航空學會論文   2004
 
    作者簡介
    胡雲龍:男,1962年出生,河北懷柔人,高級工程師,1982年畢業於南京航空學院,就業於航空工業618所自動控制專業,後創業於威海戥同測試設備有限公司。航空學會會員,會員證:E12800014017M。
     夏立成:男,1937年出生,沈陽市人,高級工程師,1962畢業於哈爾濱工業大學,就業於航空工業601所液壓控制專業,現服務於威海戥同測試設備有限公司,研究方向,油液的汙染控制。
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