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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

此文關鍵詞:凈油機,凈油機生產廠家,濾油機生產廠家