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液压系统的空气污染与试验分析

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:本文简要论述了空气污染对液压系统的危害,并通过试验证明了减少液压油中气体溶
     解度,能大幅度降低液压泵出口和壳体回油温度,大幅度提高液压泵的效率。可成倍的延长液压泵、元件及油液的使用寿命。并提出用气体直接给液压油箱增压的方案是不可取的。
     关键词    液压系统    空气污染    试验    研究
                                        
    1  概述
    液压油的污染主要是指固体颗粒、水份和空气的污染。据部队统计,液压系统故障占飞机故障总数的37.2%,而液压系统的故障和失效有70%以上是因污染产生的,所以液压油的污染已成为液压技术发展的主要障碍;因此,近30年世界各发达国家无不投巨资加以研究,主要包括污染机理研究、污染物检测手段、污染物净化设备、产品污染耐受度的设计研究、各项污染控制标准的制定等。这些方面已使污染控制技术构成独立的科学领域,至今已初见成效,取得高精密液压附件在航空航天上的可靠应用,各种磨擦副长寿命工作,故障率明显降低等技术成果。
     但是,国内外关于污染控制的研究方向主要是针对固体颗粒和水的研究,在现行的标准中无论是NAS1638还是ISO4406都是对固体颗粒规定了等级标准,产品的污染控制等级也都是固体颗粒的等级,对含水量也只有在MIL—0—5606油和我国15号航空液压油GJB1177—91中有出厂验收定量的规定,使用中的控制水平尚未规定。而对空气的污染却没有得到应有的重视,定量分析,尚未见报导。在固体颗粒污染已受到普遍重视的今天,如何控制空气对液压系统的影响也应当提到议程上来了,本文着重谈空气污染问题。
     2  关于空气污染
     液压油中溶解空气是不可避免的,因无论是在生产过程和应用过程中都无法做到与空气隔绝。液压油中空气溶解量是依压力和温度的不同而不同,在1个大气压条件下,矿物油饱和溶解度约为体积的9—10%,不同气体在矿物油中的溶解度见表1。
     气体在四种矿物油中的溶解度(%)              表1
气体
温度℃
油A
B
C
D
平均
氮    气
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    气
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    气
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

随着压力的增加,饱和溶解度是呈线性的增加(如图1),同时又随温度的增加而不同程度的减小。
 
图1  在矿物油中空气的溶解度
 
     正因如此,在系统中,不同位置压力是不同的,温度也是变化的,所以空气在系统中有时溶解有时逸出,这种时隐时现的变化过程对系统有很大的危害,是系统中的顽症。
     3  空气污染的危害
     3﹒1 降低了液压油的刚度    当液压油未掺混气泡时,油的体积弹性系数约为1600MPa,而掺混气泡后就大幅度下降,有时能到500MPa以下,引起系统响应迟缓。对飞机的低空大机动危害就十分严重。
     3﹒2 增大系统峰值压力    当油中溶解空气量太多时,在液压泵工作中其吸油口处易分离出气泡,大气泡可产生气塞,而小气泡到高压区又发生瞬时崩溃,产生较大的局部冲击力和局部高温,该局部冲击力可在系统中产生很大的峰值压力,这种周期性的峰值压力也是附件疲劳破坏的主要因素。局部高温可引起材料表面剥蚀和油温的升高。同时加大了液压泵的噪声。
    3.3 空气引起系统温升的试验    空气对液压油的危害从定性的角度,国内外文献多有论述;而定量的特性,几乎没有实测的例子,在这方面的工作几乎是个空白。为初步得到一些定量的数据,本公司于2003年9月做了一次空气对液压系统温度影响试验。
  试验方法:
      a、用ZB—34M液压泵的试验台,该试验台是用0.35MPa的氮气给油箱直接增压(以下称开式增压油箱),在工作转速4000r/min下,测ZB—34M泵压力—流量特性和液压泵进口、出口和壳体回油的温度。
      b、用一个与空气隔离的液压油箱,以下称闭式油箱,代替开式增压油箱,并用GHP70净油机将油箱和系统内油液中的空气净化到见不到气泡为止,散热条件不变,做与a项相同的试验。
  试验结果:
      a、在进口压力相同的条件下,泵出口流量平均增加了1.526L/min,容积效率平均增加了4.4%。
      b、在流量为0、50%、80%、100%不同状态下,开式增压油箱状态和闭式油箱状态液压泵进口温度、出口温度和壳体回油温度,见图2、图3和图4。
图2   泵进口油温度
图3   泵出口油温度
  图4   泵壳体回油温度
     3﹒4 对试验结果的初步分析
      该对比试验是在试验台散热状态相同的条件下进行的。测试设备为批生产状态的测试仪表,精度不高,尽管如此,测试数据也足以说明一些现象。开式增压油箱是以0.35MPa的氮气直接在油面上增压,氮气的溶解量约占体积的27%以上,而闭式油箱没有增压,且将油箱和系统内的气体用GHP70净油机净化30分钟,溶气量约为5%。两种状态的试验结果出现很大差别。
      3﹒4﹒1 平均温度大幅度下降,见表2。
      油泵进口、出口和回油口平均温度对比                                  表2
 
泵进口温度T1(℃)
泵出口温度T2(℃)
泵壳体回油温度T3(℃)
开式增压油箱状态
40.1
51.5
64.5
闭式油箱状态
38.5
42.3
49.3
 
     开式油箱液压泵出口比进口油温平均增加了11.4℃,而闭式油箱却只增加了3.8℃,说明闭式油箱的温升只有开式油箱的33%;
     开式油箱泵壳体回油口比泵进口油温平均增加了24.4℃,而闭式油箱只增加了10.8℃,闭式油箱状态泵回油温升只相当开式油箱状态的44%。
     3﹒4﹒2 两种油箱状态,液压泵效率估算:
    在没有测得输入扭矩的条件下,将热损耗与有用功之和看成是输入总功率,计算如下:
    液压泵有用功率N1=PQ/60;
    泵出口温升热损耗N2=Q·ΔT2·C·ρ/60;
    泵壳体回油温升热损耗N3=q·ΔT3·C·ρ/60;
    式中   Q——泵出口流量,L/min;
       P——泵出口压力,MPa;
       q——泵壳体回油流量,L/min;
       ΔT2——泵出口与进口温差,℃;
       ΔT3——泵壳体回油口与进口温差,℃;
       ρ——油液密度,g/cm3
       C——油液的比热容为2.05,J/(g·K)。
      总功率    N=N1+N2+N3
      总效率    η=N1/N;
   式中    N——总输入功率,KW;
             N1——有用功功率,KW;
             N2——泵出口热损耗,KW;
             N3——泵壳体回油热损耗,KW;
              η——总效率。
计算结果见图5
图5  液压泵总效率对比
     取流量为50%、80%和100%三种状态泵效率的平均值,开式增压油箱(进口压力0.155MPa)为44%,最大功率点的效率为48%,而用闭式油箱的平均效率为61%(进口压力平均为-0.06MPa),最大功率点效率为79%。
注:试验所用泵为旧泵。
4  结束语
     试验结果说明了油中溶气量减少,除大幅度提高液压泵效率以外,使液压泵出口温升平均降低了67%,泵壳体回油温升平均降低了56%,必将使全系统温度大幅度下降,见图2。有资料介绍,油温每降低8℃,液压油的寿命可增长1倍,噪声和动态峰值均大大减少,成倍的提高液压泵和其他元件的使用寿命。正因如此,在MIL—H—87227中明确提出“切勿用气体增压式的油车油箱来维护飞机。油箱中的油液溶有大量的增压气体,在进行维护工作时,这些气体将会有机会进入飞机系统。”我们航空系统内有许多试验台和加油车仍然用空气直接增压,这为系统带来的危害是不能不关注的。
 
参考文献
 
1 〔日〕竹中利夫  浦田暎三著  液压流体力学  科学出版社  1980
2 〔美〕液压系统军用规范  MIL—H—87227  1985
3   邓起孝、戚昌滋著  流体液压系统现代设计方法  中国建筑工业出版社  1985

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