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液压介质中空气含量过大对液压系统可靠性的影

文章出处:威海戥同测试设备有限公司 人气:发表时间:2017-12-12
威海戥同测试设备有限公司,威海264209
 
      摘  要 本文提出液压系统的污染控制发展到今天,应对各种附件在工作条件下的污染生成率指标提到日程上来,滤油器的过滤比βx应表征在真实系统中的净化能力,以逐步实现液压系统油液污染度的主动控制。和本文重点讨论在液压系统中空气含量过大可产生的各种危害,提出对空气含量实施控制的必要性及具体控制指标和控制方法,以及全方位实施污染控制所产生的巨大经济效益和社会效益。
     关键词  液压系统   空气污染危害   控制指标
      1 概述 
       液压油的污染控制工作开展,已有二十多年的历史了,对于开展这一工作的重要性也逐渐被有关部门所重视,并且也取得了不少的成绩,主要表现在“飞机液压系统污染度验收水平和控制水平”标准的制定和执行,取得了因污染物导致的故障明显降低,平均无故障间隔时间明显延长。但是按全方位实施油液污染度主动控制的要求尚有很大的距离,污染控制所产生的巨大经济效益和社会效益尚没有充分发挥出来,因为它可以数倍的延长机器和油液的使用寿命,数倍的减少工作故障,对于节省资源、节约能源、保护环境、提高战斗力和减少国防经费等方面的巨大价值,尤其是空气含量过大对飞机液压系统可靠性影响尚未被有关部门所充分认识。
       1.1 关于全方位、主动的实施污染控制
       所谓全方位是指油液的污染控制应从固态污染、液态污染和气态污染三方面实施控制,这已是众所周知的;但是目前所实施的污染控制仅仅是着重于固体颗粒的控制,其表现形式为各部门均着重于选择过滤器和实施过滤净化,最终的目的是净化结果能满足“污染度验收水平”要求。对于如何防止水分和空气的侵入,以及应采取那些技术手段将水分和空气从油液中清除的问题,尚未能深入开展研究。
       所谓主动控制,是指按照要求,系统应在什么污染度等级条件下工作,其真实的系统就能够保证在该污染度等级。实现这一目标,首先必须限定系统中各种附件的污染生成率,即在规定的污染度等级条件下,单位时间内污染颗粒生成的数量不超过规定的指标。其次是滤油器对污染物的清除率,必须保证大于或等于系统中各种附件污染生成率的总和,才可以保证系统在工作中污染度不上升。而目前的技术状态,没有限制污染生成的数量,只是将其净化到出厂验收水平;滤油器的净化能力即过滤比βx的指标也没能与系统的污染度水平相挂钩,对滤油器精度的要求带有一定的盲目性,系统的污染控制是被动的;为保证系统的清洁,只好经常检测,经常地面清洗来满足要求。只有当实现了滤油器的纳污容量和过滤比βx的指标,保证在规定的时间内滤除污染颗粒的能力可以超过或等于系统内污染生成率,才能实现系统的污染度等级长时间不上升,也可以免于经常检测和经常清洗的烦恼。
       固体颗粒污染已有许多文献论述,本文仅就液压油中空气污染对液压系统产生的危害及其如何控制等问题提出讨 论意见。
       2  空气污染对液压系统危害的分析
定性的论述空气对液压系统的危害已见过不少文献,但是定量的分析尚未见报道,而在工程实践中采取那些技术手段有效的降低空气污染的危害更是无人问津,在这一方面无论是国外还是国内均属空白。本文通过空气污染的分析和试验数据,阐述控制空气污染的重要性,以促进空气污染控制技术的开展,实现全方位、主动的污染控制。
 
       2.1降低油液的弹性模量  
       当油液中有游离气体存在时,就大幅度降低油液的弹性模量。例如:液压油在无游离气体时弹性模量平均值为1510MPa,如果夹杂空气,油液的弹性模量会降到353 MPa以下,能造成系统响应迟缓,工作不稳定,会影响飞机操纵的跟随性,尤其是自动化程度很高的第四代战机,要求高机动性,快速响应,如果出现跟随性不好,又是低空飞行时,会引起飞行员惊恐,甚至可造成机毁人亡的事故。
      由于液压弹性增大,影响操纵力的稳定,迂有复合操纵,大流量条件下工作,瞬间有气泡析出,更容易产生操纵不到位的情况,对于全电传自动操纵影响更大。由于这一故障的发生是随机的,有太多的不确定性,造成故障现象不易再现,也为故障分析工作造成困难。以至于长期存在的问题但一直被忽略。
      2.2 产生气蚀
      当系统的油液由低压区进到高压区时,气泡会瞬间被压缩破灭,此时产生的局部高温和高压冲击,造成元件表面恶化和剧烈振动,气泡破裂会产生巨大的冲击力。例如,某航空液压件厂,试验台油箱用氮气直接增压,在试制ZB56液压泵时,发生了配油盘被打裂的故障,配油盘是高强度合金钢制造,虽然有多年行之有效的设计经验,但在28MPa压力,4200转/分时产生的爆炸力远比以往的21MPa压力级的大,说明含气量大,会产生一些事前无法估计的冲击力。
      伴随着高压和高温火花,除了引起机件破坏以外,还产生油液燃烧后残留的灰分,这些灰分来源于油中的无机盐、金属有机物和灰尘等,当灰分进入积炭中变得坚硬耐磨,加剧了机件磨损。
      2.3 引起电液伺服阀工作失灵    
      四代机是全电传操纵,大量应用电液伺服阀,以实现快速准确的改变飞机姿态,而当油液中有微小气泡出现时,气泡会影响节流孔的通油能力,可影响力矩马达的正常工作,造成伺服阀工作瞬间失灵,影响操纵特性,自动化程度越高此项问题越突出。
       2.4 增加系统的温升   
       当油液中气体含量太多,低压区必然游离出气泡,而气泡被压缩耗费的能量转变成热量,引起系统温升严重,温度过高会带来一系列弊病,例如:胶圈老化,系统漏油,油液润滑性能变差引起磨损严重,有资料介绍,当系统中油液温度降低8℃,油液寿命即可延长一倍。
       为得到因含气量的增加引起油温升高的定量概念,于2003年戥同公司同贵阳液压件厂共同做一次试验;试验状态是用同一个试验台,使用同一台液压泵,只改变油箱状态,一个状态是用氮气增压的油箱,含气量约为27%,另一个状态是与空气隔离的闭式油箱,含气量约为5%;试验程序相同,记录并对比在两种油箱状态下,液压泵进口油温T1、出口油温T2和泵壳体回油温度T3;试验结果见表1
 
           表1       含气量对油液温度影响的试验数据  
           测试点
状态
油泵进口平
均温度T1
油泵出口平
均温度T2
泵壳体回油
平均温度T3
进出口温升
   T2-T1
壳体回油温升
   T3-T1
 氮气增压油箱状态
40.1℃
51.5℃
64.5℃
11.4℃
24.4℃
闭式油箱状态
38.5℃
42.3℃
49.3℃
3.8℃
10.8℃
  
     试验结果说明:
      (1)油泵出口与进口温升之差T2-T1,闭式油箱只相当于气体增压油箱的33%;
      (2)油泵壳体回油与进口温升之差T3-T1,闭式油箱只相当气体增压油箱的44%。
      (3)减少油液中含气量对于降低系统温升,有着十分可观的效果。
       此外,依据本试验流量测试结果,闭式油箱显著的增加了流量,当油泵进口表压分别为0.061 MPa,0.041MPa,0.01 MPa和0 MPa时,闭式油箱出口平均流量为33.73升/分,而气体增压油箱平均流量为32.26升/分,容积效率增加了4.5%,显著的增加了油泵的有效功率。
    2.5 促进油液氧化变质   
      空气含量增多必然对油液产生氧化腐蚀,增加油液的酸值,缩短油液的使用寿命。
此外,气泡可破坏油膜,造成摩擦副失去润滑,即破坏了摩擦表面又生成了大量污染颗粒,等等;总之系统中空气含量增加,给系统带来的危害是巨大的。
    3  如何控制液压系统的空气污染
      3.1 制定液压油空气含量的定量标准
      为有效的控制油液中的空气含量,须有强制性定量的标准,虽然矿物油中溶解空气是不可避免的,从液压油的生产、贮存和使用各环节,想要不与空气接触是无论如何也做不到的;但是,油中溶解空气是有规律的,空气含量与压力呈线性关系,比如,在大气条件下溶解量为10%,而当在负压条件下就小于10%,此时过饱和部分就自然以气泡形式逸出,利用这一特性,我们就可以利用负压条件来减少空气的含量,将逸出的空气排除。经过负压条件下排气后再加入到系统中去。
      3.1.1 推荐指标为6%   空气含量指标究竟多少合适,我们推荐为6%,因为此时的空气含量相当于表压-0.04 MPa时的溶解量,而小于表压-0.04 MPa的压力在液压系统中是很少发生的,无论有多大流量的系统,油泵进口压力或节流阀出口压力在设计上都不会低于这一指标,该压力下油液中空气的饱和溶解度为6%,此时就不会有气泡逸出,则可从根本上消灭产生气泡的可能性。
      3.2如何在系统中实现空气含量不超过6%的指标
      3.2.1 设计要求
      在设计上除符合一般污染控制要求以外,应特别强调如下一些要求:
          a. 采用与空气隔离的闭式油箱   减少油液直接与空气接触,并且应设置放气活门,便于地面随时排气。
          b. 在回油路的高点和附件集中区设置排气阀,排气阀应便于操作,因为每次飞行前都应进行排气,应有快卸口盖。
          c. 与地面设备接口和机身分离口及加油均应设快速接头,尽量减少操作时进入空气。
          d. 滤油器滤碗处必须设快速切断阀,以保证在拆下滤碗时能将油路迅速切断,以防大量空气进入系统。
          e. 尽量避免死区、盲端等易积气区域,如有应设排气装置。
     3.2.2 使用维护要求
      防止空气进入系统,维护工作是重要的一环,除人员素质必须经专门培训以外,必须有下述一些方面的规定。
         a. 油液  加油车的油液必须经过净化,空气含量不超过6%;
         b. 加油车中油液的增压方式不允许用气体直接增压。
         c. 维修中拆卸导管、附件和滤碗后全系统必经地面设备连网净化,排除各部分可能进入的空气;污染度检测,除符合固体污染度等级以外,空气含量应不超过6%要求。
         d. 油液净化装置   必须采用可以真空排气的地面净化装置,现行的仅仅过滤净化装置是无法排气的。
     3.2.3 关于采用闭式油箱的排气问题
         闭式油箱是现代军机所必须采用的,它隔绝了空气和空气中的固体污染物及水分。但是它也存在着一旦空气进入系统中,排除就困难的问题。为液压泵进口提供足够的流量,保证在发动机启动时也能提供增压压力,地面停放时也必须有增压,例如,国产的几种机型,油箱由弹簧增压压力为0.01 MPa~0.02MPa,而引进的某机型用蓄压器气腔增压,地面停放时仍有0.12MPa的表压压力,此种压力的空气饱和溶解度约为22%,所以即使在停机时,油箱通过放气阀排气,也只能是排除比22%多的空气,系统其他部分空气的含量必将超过22%,所以有资料介绍,闭式油箱的系统含空气量超过30%。
 
        笔者根据自己在全机模拟试验中的体会,排气十分困难。当维修后,即使是每天首先从排气阀门放气,以及拧开最高点管路上的螺母放气后,测出的压力、脉动压力、流量等参数都是很不规律的,噪声也很大,直到反复放气,开机一段时间以后,再停机放气,多次反复,测试的数据才能有一定的重复性。由于该机种油箱的弹簧增压压力为0.01 MPa,加上活塞胶圈的摩擦力,此时空气含量最少也不低于15%,是否还会有气蚀的产生,当时也无法测试。所以闭式油箱的液压系统,在维修后的排气是至关重要的,除通过排气活门排气以外,还必须经地面净化设备连网净化,通过真空排气,才有可能达到小于10%进而达到6%的指标。
     4       结论   
        油液的污染除固体颗粒和水以外,空气污染的危害也不可忽视,污染控制工程开展到今天,除应进一步深化固体颗粒污染控制以外,治理空气污染也应提到日程上来了,国外有关报导,固体污染度降低一级,寿命延长一倍;油温降低8℃,油液寿命也能延长一倍,如果我们能将油液的污染度控制在GJB420 A  7级以内,空气含量不超过6%,则我们真的可以实现,液压系统长寿命无故障的工作,为国家节约资源、节省能源和提高劳动生产率,将是不可估量的数字。
 
参考文献
 
       [1](日)竹中利夫  蒲田英三著   液压流体力学   科学出版社   1980
       [2]邓起孝、昌滋著  流体液压系统现代设计方法   中国建筑工业出版社  1985
       [3]胡云龙、夏立成  液压系统的空气污染与试验分析  中国航空学会论文   2004
 
    作者简介
    胡云龙:男,1962年出生,河北怀柔人,高级工程师,1982年毕业于南京航空学院,就业于航空工业618所自动控制专业,后创业于威海戥同测试设备有限公司。航空学会会员,会员证:E12800014017M。
     夏立成:男,1937年出生,沈阳市人,高级工程师,1962毕业于哈尔滨工业大学,就业于航空工业601所液压控制专业,现服务于威海戥同测试设备有限公司,研究方向,油液的污染控制。
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