液壓系統的空氣汙染與試驗分析
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:本文簡要論述了空氣汙染對液壓系統的危害,並通過試驗證明了減少液壓油中氣體溶
解度,能大幅度降低液壓泵出口和殼體回油溫度,大幅度提高液壓泵的效率。可成倍的延長液壓泵、元件及油液的使用壽命。並提出用氣體直接給液壓油箱增壓的方案是不可取的。
關鍵詞 液壓系統 空氣汙染 試驗 研究
1 概述
液壓油的汙染主要是指固體顆粒、水份和空氣的汙染。據部隊統計,液壓系統故障占飛機故障總數的37.2%,而液壓系統的故障和失效有70%以上是因汙染產生的,所以液壓油的汙染已成為液壓技術發展的主要障礙;因此,近30年世界各發達國家無不投巨資加以研究,主要包括汙染機理研究、汙染物檢測手段、汙染物凈化設備、產品汙染耐受度的設計研究、各項汙染控制標準的制定等。這些方面已使汙染控制技術構成獨立的科學領域,至今已初見成效,取得高精密液壓附件在航空航天上的可靠應用,各種磨擦副長壽命工作,故障率明顯降低等技術成果。
但是,國內外關於汙染控制的研究方向主要是針對固體顆粒和水的研究,在現行的標準中無論是NAS1638還是ISO4406都是對固體顆粒規定了等級標準,產品的汙染控制等級也都是固體顆粒的等級,對含水量也只有在MIL—0—5606油和我國15號航空液壓油GJB1177—91中有出廠驗收定量的規定,使用中的控制水平尚未規定。而對空氣的汙染卻沒有得到應有的重視,定量分析,尚未見報導。在固體顆粒汙染已受到普遍重視的今天,如何控制空氣對液壓系統的影響也應當提到議程上來了,本文著重談空氣汙染問題。
2 關於空氣汙染
液壓油中溶解空氣是不可避免的,因無論是在生產過程和應用過程中都無法做到與空氣隔絕。液壓油中空氣溶解量是依壓力和溫度的不同而不同,在1個大氣壓條件下,礦物油飽和溶解度約為體積的9—10%,不同氣體在礦物油中的溶解度見表1。
氣體在四種礦物油中的溶解度(%) 表1
氣體 | 溫度℃ | 油A | B | C | D | 平均 |
氮 氣 | 20 | 7.76 | 7.80 | 7.59 | 7.59 | 7.69 |
40 | 7.90 | 7.95 | 7.78 | 7.78 | 7.85 | |
60 | 8.37 | 8.26 | 8.17 | 8.15 | 8.24 | |
80 | 8.35 | 8.44 | 8.47 | 8.57 | 8.46 | |
氧 氣 | 20 | 14.7 | 14.9 | 14.5 | 14.43 | 14.63 |
40 | 14.4 | 14.3 | 13.9 | 14.1 | 14.18 | |
60 | 14.2 | 14.1 | 13.3 | 13.7 | 13.83 | |
80 | 13.3 | 13.8 | 13.3 | 13.8 | 13.55 | |
空 氣 | 20 | 9.56 | 9.39 | 9.13 | 9.14 | 9.31 |
40 | 9.50 | 9.46 | 9.16 | 9.33 | 9.36 | |
60 | 9.62 | 9.45 | 9.51 | 9.41 | 9.50 | |
80 | 9.73 | 9.64 | 9.64 | 9.68 | 9.67 |
隨著壓力的增加,飽和溶解度是呈線性的增加(如圖1),同時又隨溫度的增加而不同程度的減小。

圖1 在礦物油中空氣的溶解度
正因如此,在系統中,不同位置壓力是不同的,溫度也是變化的,所以空氣在系統中有時溶解有時逸出,這種時隱時現的變化過程對系統有很大的危害,是系統中的頑癥。
3 空氣汙染的危害
3﹒1 降低了液壓油的剛度 當液壓油未摻混氣泡時,油的體積彈性系數約為1600MPa,而摻混氣泡後就大幅度下降,有時能到500MPa以下,引起系統響應遲緩。對飛機的低空大機動危害就十分嚴重。
3﹒2 增大系統峰值壓力 當油中溶解空氣量太多時,在液壓泵工作中其吸油口處易分離出氣泡,大氣泡可產生氣塞,而小氣泡到高壓區又發生瞬時崩潰,產生較大的局部沖擊力和局部高溫,該局部沖擊力可在系統中產生很大的峰值壓力,這種周期性的峰值壓力也是附件疲勞破壞的主要因素。局部高溫可引起材料表面剝蝕和油溫的升高。同時加大了液壓泵的噪聲。
3.3 空氣引起系統溫升的試驗 空氣對液壓油的危害從定性的角度,國內外文獻多有論述;而定量的特性,幾乎沒有實測的例子,在這方面的工作幾乎是個空白。為初步得到壹些定量的數據,本公司於2003年9月做了壹次空氣對液壓系統溫度影響試驗。
試驗方法:
a、用ZB—34M液壓泵的試驗臺,該試驗臺是用0.35MPa的氮氣給油箱直接增壓(以下稱開式增壓油箱),在工作轉速4000r/min下,測ZB—34M泵壓力—流量特性和液壓泵進口、出口和殼體回油的溫度。
b、用壹個與空氣隔離的液壓油箱,以下稱閉式油箱,代替開式增壓油箱,並用GHP70凈油機將油箱和系統內油液中的空氣凈化到見不到氣泡為止,散熱條件不變,做與a項相同的試驗。
試驗結果:
a、在進口壓力相同的條件下,泵出口流量平均增加了1.526L/min,容積效率平均增加了4.4%。
b、在流量為0、50%、80%、100%不同狀態下,開式增壓油箱狀態和閉式油箱狀態液壓泵進口溫度、出口溫度和殼體回油溫度,見圖2、圖3和圖4。

圖2 泵進口油溫度

圖3 泵出口油溫度

圖4 泵殼體回油溫度
3﹒4 對試驗結果的初步分析
該對比試驗是在試驗臺散熱狀態相同的條件下進行的。測試設備為批生產狀態的測試儀表,精度不高,盡管如此,測試數據也足以說明壹些現象。開式增壓油箱是以0.35MPa的氮氣直接在油面上增壓,氮氣的溶解量約占體積的27%以上,而閉式油箱沒有增壓,且將油箱和系統內的氣體用GHP70凈油機凈化30分鐘,溶氣量約為5%。兩種狀態的試驗結果出現很大差別。
3﹒4﹒1 平均溫度大幅度下降,見表2。
油泵進口、出口和回油口平均溫度對比 表2
泵進口溫度T1(℃) | 泵出口溫度T2(℃) | 泵殼體回油溫度T3(℃) | |
開式增壓油箱狀態 | 40.1 | 51.5 | 64.5 |
閉式油箱狀態 | 38.5 | 42.3 | 49.3 |
開式油箱液壓泵出口比進口油溫平均增加了11.4℃,而閉式油箱卻只增加了3.8℃,說明閉式油箱的溫升只有開式油箱的33%;
開式油箱泵殼體回油口比泵進口油溫平均增加了24.4℃,而閉式油箱只增加了10.8℃,閉式油箱狀態泵回油溫升只相當開式油箱狀態的44%。
3﹒4﹒2 兩種油箱狀態,液壓泵效率估算:
在沒有測得輸入扭矩的條件下,將熱損耗與有用功之和看成是輸入總功率,計算如下:
液壓泵有用功率N1=PQ/60;
泵出口溫升熱損耗N2=Q·ΔT2·C·ρ/60;
泵殼體回油溫升熱損耗N3=q·ΔT3·C·ρ/60;
式中 Q——泵出口流量,L/min;
P——泵出口壓力,MPa;
q——泵殼體回油流量,L/min;
ΔT2——泵出口與進口溫差,℃;
ΔT3——泵殼體回油口與進口溫差,℃;
ρ——油液密度,g/cm3;
C——油液的比熱容為2.05,J/(g·K)。
總功率 N=N1+N2+N3
總效率 η=N1/N;
式中 N——總輸入功率,KW;
N1——有用功功率,KW;
N2——泵出口熱損耗,KW;
N3——泵殼體回油熱損耗,KW;
η——總效率。
計算結果見圖5

圖5 液壓泵總效率對比
取流量為50%、80%和100%三種狀態泵效率的平均值,開式增壓油箱(進口壓力0.155MPa)為44%,最大功率點的效率為48%,而用閉式油箱的平均效率為61%(進口壓力平均為-0.06MPa),最大功率點效率為79%。
註:試驗所用泵為舊泵。
4 結束語
試驗結果說明了油中溶氣量減少,除大幅度提高液壓泵效率以外,使液壓泵出口溫升平均降低了67%,泵殼體回油溫升平均降低了56%,必將使全系統溫度大幅度下降,見圖2。有資料介紹,油溫每降低8℃,液壓油的壽命可增長1倍,噪聲和動態峰值均大大減少,成倍的提高液壓泵和其他元件的使用壽命。正因如此,在MIL—H—87227中明確提出“切勿用氣體增壓式的油車油箱來維護飛機。油箱中的油液溶有大量的增壓氣體,在進行維護工作時,這些氣體將會有機會進入飛機系統。”我們航空系統內有許多試驗臺和加油車仍然用空氣直接增壓,這為系統帶來的危害是不能不關註的。
參考文獻
1 〔日〕竹中利夫 浦田暎三著 液壓流體力學 科學出版社 1980
2 〔美〕液壓系統軍用規範 MIL—H—87227 1985
3 鄧起孝、戚昌滋著 流體液壓系統現代設計方法 中國建築工業出版社 1985
上壹篇:液壓介質中空氣含量過大對液壓系統可靠性的影 下壹篇:液壓系統油液的汙染與控制技術
此文關鍵詞:凈油機,凈油機生產廠家,濾油機生產廠家