民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染及其控制

張存訪

摘 要：系統(tǒng)工作中不需要的物質(zhì)，并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生有害的作用，此種物質(zhì)統(tǒng)稱為污染物。油液污染是引起各種機(jī)械壽命縮短和工作故障的主要因素。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因機(jī)械故障導(dǎo)致的飛機(jī)失事中，20%左右是由于液壓系統(tǒng)污染引起的，而其中70%以上的故障是因液壓油的污染造成的。液壓系統(tǒng)的污染控制現(xiàn)已發(fā)展成為一項(xiàng)專門的技術(shù)，它主要包括污染物的分析和檢測(cè)；油液中污染物的凈化；控制污染物的來(lái)源，減少污染物的生成等等。液壓系統(tǒng)污染度控制是民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；污染度控制；

中圖分類號(hào)：V233 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1 引言

根據(jù)污染物存在的形式，可分為固態(tài)污染物（固體顆粒）、氣態(tài)污染物和液態(tài)污染物。污染物的上述三種狀態(tài)在外部環(huán)境改變時(shí)，可能相互轉(zhuǎn)化。

2 固態(tài)污染物（固體顆粒）特性及危害

固體顆粒是引起油液污染及機(jī)械磨損排在第一位的因素，也是污染控制研究的主要對(duì)象，世界各國(guó)都有廣泛研究，總結(jié)起來(lái)有如下幾個(gè)特性：

a. 細(xì)微性

我們所研究的固體顆粒也是以微米為計(jì)量單位的物質(zhì)，肉眼可見(jiàn)的最小顆粒尺寸為40μm，不同類型的微小固體顆粒尺寸范圍見(jiàn)表1。

表1常見(jiàn)固體顆粒的尺寸范圍

從式中可知，如果顆粒的硬度等于或小于表面的硬度，表面的磨損量就很小。 只有當(dāng)顆粒硬度大于金屬表面硬度時(shí)，才能對(duì)金屬表面產(chǎn)生磨損；反之，顆粒硬度小于金屬表面硬度時(shí)，對(duì)金屬產(chǎn)生的磨損作用是很小的。

f. 催化作用

油液中的水和空氣，以及熱能是油液氧化的必要條件，而油液中的金屬微粒對(duì)油液氧化起著重要的催化作用。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)油液中同時(shí)存在金屬顆粒和水時(shí)，油液的氧化速度急劇增快，鐵和銅的催化作用使油液氧化速度分別增加10和30倍以上。

固體顆粒污染的危害主要表現(xiàn)如下：

2.1運(yùn)動(dòng)件表面磨損引起功能失效

a. 液壓泵和液壓馬達(dá)功能失效 高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的配油盤與轉(zhuǎn)子、柱塞與柱塞孔等部件，都是在大載荷、小間隙條件下工作，油中的固體污染物可破壞油膜，劃傷運(yùn)動(dòng)表面。

b. 齒輪齒面磨損引起失效 各種齒輪在工作中是滑動(dòng)和滾動(dòng)同時(shí)存在，而齒輪的主要工作狀態(tài)是重載、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固體污染物又都能進(jìn)入齒面接觸區(qū)，造成齒面的劇烈磨蝕，硬度大的顆粒劃傷更為嚴(yán)重；此外，重載摩擦的瞬時(shí)高溫可使齒面產(chǎn)生凹痕，反復(fù)工作使表面疲勞破壞，引起機(jī)械失效。

c. 其他元件表面破壞 各種類型的運(yùn)動(dòng)件如軸承、油缸筒、閥類以及密封裝置等，都會(huì)因油液污染并在高壓、高溫和高速條件下不斷破壞工作表面，到一定程度引起功能失效。

d. 密封膠圈的破壞 膠圈是流體系統(tǒng)不可缺少的密封裝置，密封件的壽命與油液固體污染度息息相關(guān)，污染度越高，固體顆粒嵌入膠圈摩擦面的機(jī)會(huì)越多，造成膠圈被劃傷、剝落。

2.2金屬顆粒促進(jìn)油液氧化變質(zhì)

由于油液中進(jìn)入水份和空氣，可引起油液乳化，也可產(chǎn)生微生物和膠質(zhì)狀物質(zhì)，更易引起酸堿度的變化，尤其是在某些金屬微粒的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，還可能產(chǎn)生偶發(fā)故障。

2.3堵塞網(wǎng)孔

因油液變質(zhì)生成微生物和各種膠狀物質(zhì)，可堵塞各類濾油器的網(wǎng)孔，造成濾油器功能提前失效；油濾失效后，可引起微孔被堵塞，或者是伺服閥的噴嘴擋板被堵塞，造成伺服控制系統(tǒng)失去控制功能，釀成嚴(yán)重后果。

2.4油液粘度變化

粘度是液壓油的重要指標(biāo)，要求能滿足低溫條件下順利起動(dòng)，也可以保證高溫條件下的潤(rùn)滑性能，在水、空氣和金屬微粒的作用，破壞了油液的理化性能，也破壞了油液的粘度指標(biāo)，無(wú)法滿足高、低溫條件下的工作需要。

3 水污染特性及危害

液壓系統(tǒng)難免在不同程度上存在著水份。水可以溶解在油中（稱為溶解水），也可以自由狀態(tài)存在于油中（稱游離水）。自由狀態(tài)水可以是沉淀水或乳化液。沉淀水由長(zhǎng)期靜止的水珠形成，存在于液體的底部或頂部，這取決于它們的比重。對(duì)礦物油，水一般沉淀于底部，對(duì)磷酸酯或含氯碳?xì)浠衔锏群铣梢?，則浮于頂部。在充分?jǐn)噭?dòng)的情況下，如通過(guò)泵的多次循環(huán)，水與液體可組成乳化液。

水對(duì)液壓系統(tǒng)的危害也是相當(dāng)嚴(yán)重的，它可使油液粘度下降，破壞油膜，引起嚴(yán)重的機(jī)械磨損；可產(chǎn)生酸性物質(zhì)，增加油液的酸值，對(duì)系統(tǒng)增加腐蝕；在低溫下，游離水常以冰塊形式存在，會(huì)引起運(yùn)動(dòng)件被卡??；水的含量超過(guò)300ppm就可以引起碳素鋼或合金鋼生銹，造成滑閥被卡死，操縱系統(tǒng)無(wú)法正常工作，現(xiàn)實(shí)中發(fā)生過(guò)因水污染飛機(jī)起落架放不下的故障。

4空氣污染特性及危害

液壓油中溶解空氣是不可避免的，液壓油中空氣溶解量是依壓力和溫度的不同而不同， 隨著壓力的增加，各種液體飽和溶解度都是呈線性的增加（如下圖1），同時(shí)又隨溫度的降低而不同程度的減小。

圖 1 典型液體空氣溶解度

正因如此，在液壓系統(tǒng)中不同位置其壓力是不同的，隨著壓力的降低，超過(guò)飽和溶解度的空氣就會(huì)逸出成游離態(tài)，而當(dāng)壓力升高時(shí)又溶解，所以空氣在系統(tǒng)中有時(shí)溶解有時(shí)逸出，這種時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的變化過(guò)程對(duì)系統(tǒng)有很大的危害，是系統(tǒng)中的頑癥。

空氣在液壓油中也是兩種狀態(tài)存在，一是溶解在油中，一是以游離狀態(tài)存在。以游離狀態(tài)存在對(duì)系統(tǒng)的破壞最為嚴(yán)重。其危害主要表現(xiàn)為：

4.1 降低油液的彈性模量

當(dāng)油液中有游離氣體存在時(shí)，就大幅度降低油液的彈性模量。例如：液壓油在無(wú)游離氣體時(shí)彈性模量平均值為1510MPa，如果夾雜空氣，油液的彈性模量會(huì)降到353 MPa以下，能造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，工作不穩(wěn)定，會(huì)影響飛機(jī)操縱的跟隨性，影響操縱力的穩(wěn)定。由于這一故障的發(fā)生是隨機(jī)的，有太多的不確定性因素，造成故障現(xiàn)象不易再現(xiàn)，也為故障分析工作造成困難。

4.2 產(chǎn)生氣蝕

當(dāng)系統(tǒng)的油液由低壓區(qū)進(jìn)到高壓區(qū)時(shí)，氣泡會(huì)瞬間被壓縮破滅，此時(shí)產(chǎn)生的局部高溫和高壓沖擊，造成元件表面惡化和劇烈振動(dòng)，氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力。

4.3 引起電液伺服閥工作失靈

現(xiàn)代飛機(jī)大量采用電傳操縱，大量應(yīng)用電液伺服閥，以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的改變飛機(jī)姿態(tài)，而當(dāng)油液中有微小氣泡出現(xiàn)時(shí)，氣泡會(huì)影響節(jié)流孔的通油能力，可影響力矩馬達(dá)的正常工作，造成伺服閥工作瞬間失靈，影響操縱特性，自動(dòng)化程度越高此項(xiàng)問(wèn)題越突出。

4.4 增加系統(tǒng)的溫升

當(dāng)油液中氣體含量太多，低壓區(qū)必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費(fèi)的能量轉(zhuǎn)變成熱量，引起系統(tǒng)溫升嚴(yán)重，溫度過(guò)高會(huì)帶來(lái)一系列弊病，例如：膠圈老化，系統(tǒng)漏油，油液潤(rùn)滑性能變差引起磨損嚴(yán)重，有資料介紹，當(dāng)系統(tǒng)中油液溫度降低8℃，油液壽命即可延長(zhǎng)一倍。

4.5 促進(jìn)油液氧化變質(zhì)

空氣含量增多必然對(duì)油液產(chǎn)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(rùn)滑，既破壞了摩擦表面又生成了大量污染顆粒，等等?？傊到y(tǒng)中空氣含量增加，給系統(tǒng)帶來(lái)的危害是巨大的。

5. 污染控制及設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)污染度控制，材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)都十分重要。

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)貫徹提高附件污染耐受度原則

應(yīng)合理的選擇間隙和最小孔徑，盡可能降低因污染所能引起的嚴(yán)重后果；在選擇材料和磨擦副時(shí)應(yīng)貫徹低污染生成率原則，因低的污染生成率是降低系統(tǒng)污染度等級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。除產(chǎn)品交付之前就帶進(jìn)系統(tǒng)的污染物以外，污染物主要是在工作過(guò)程中生成的，關(guān)鍵的摩擦副應(yīng)選擇有試驗(yàn)結(jié)論的材料和參數(shù)。

5.2過(guò)濾設(shè)計(jì)

過(guò)濾設(shè)計(jì) 是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不可忽視的重要內(nèi)容，首先是裝機(jī)濾油器的參數(shù)選擇和配置方案，其次是采用地面凈化裝置定期凈化。

將系統(tǒng)工作中自身生成的和外面侵入的各種固體污染物從油液中清除，最普遍使用的方法是過(guò)濾。利用多孔性的介質(zhì)濾除油液中非可溶性固體顆粒的元件稱為濾油器。濾油器可分為表面型和深度型兩大類，表面型濾油器的通孔認(rèn)為大小是均勻的，因而，所有大于通孔尺寸的污染顆粒均能被堵截在表面，而小于通孔尺寸的顆粒均能通過(guò)。深度型過(guò)濾器的過(guò)濾元件為多孔性材料，內(nèi)有曲折迂回的通道，對(duì)固體顆粒的清除主要是靠堵截沉積和吸附作用，深度型過(guò)濾器過(guò)濾介質(zhì)的孔徑是不均勻的，它的過(guò)濾作用有更大的機(jī)率性。

5.3推廣采用封閉式油箱

液壓油箱中的油液與空氣直接接觸，即開式油箱，是外界污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)的主要渠道，盡管開式油箱都加“呼吸器”阻擋空氣中灰塵進(jìn)入，但是這種濾網(wǎng)起到的作用仍然有限。另外，大氣中的水分和空氣都通過(guò)開式油箱進(jìn)入系統(tǒng)，它的危害在前面已經(jīng)闡述。采用封閉式油箱，隔絕油液與大氣的通道，是堵截污染物侵入系統(tǒng)的有效方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)各種污染物的分析和研究有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更好地實(shí)現(xiàn)污染度控制的目標(biāo)，以保證飛機(jī)液壓系統(tǒng)平穩(wěn)、安全、有效地運(yùn)行。

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