飛機液壓系統(tǒng)污染控制研究

溫育明， 張 垚， 汪 艷

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 四川 成都 610092)

引言

現(xiàn)代飛機對液壓系統(tǒng)產(chǎn)品的精密和精度要求越來越高，要求液壓系統(tǒng)具有大功率、高壓力、流量大等功能。在飛機液壓系統(tǒng)的故障中，70%～80%的故障是由于液壓系統(tǒng)污染度超標(biāo)引起的，嚴重影響了飛機液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。由此可見，飛機液壓系統(tǒng)的污染控制對提高飛機安全可靠性具有重要意義，應(yīng)引起飛機設(shè)計、制造和使用維護等相關(guān)人員的高度重視[1]。

我國的污染控制技術(shù)起源于20世紀80年代，是在研究和借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前，我國飛機污染控制水平基本在GJB 420B的8～10級，美國等歐美國家已經(jīng)將液壓系統(tǒng)的污染控制在NAS 1638的5～7級。唐有才等[2]分析了軍用飛機液壓系統(tǒng)污染的主要原因及危害，從設(shè)計、制造、裝配、使用和維修等方面提出預(yù)防措施。楊化龍[3]對民用飛機液壓系統(tǒng)污染原因、污染危害及污染控制等問題進行了研究與分析。高承雍等[4]結(jié)合A380等型號飛機，給出了飛機液壓系統(tǒng)污染控制設(shè)計目標(biāo)和原則，以及地面油液污染凈化設(shè)備設(shè)計方案。現(xiàn)有研究均從概念上給出了飛機液壓系統(tǒng)污染控制的指導(dǎo)意見，但尚未給出飛機液壓系統(tǒng)污染控制具體的工程技術(shù)途徑。本研究針對某型飛機液壓系統(tǒng)污染控制展開深入研究，首先分析了污染來源，在此基礎(chǔ)上給出了飛機設(shè)計、制造、使用維護各階段中具體的污染控制技術(shù)與工程實際方法，總結(jié)了當(dāng)前飛機液壓系統(tǒng)污染控制存在的主要問題及解決措施，以期填補現(xiàn)有研究的不足。

1 液壓系統(tǒng)污染物的來源

液壓系統(tǒng)的污染來源分為兩大類，即外部侵入的污染源和液壓系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的污染源。

1.1 外部侵入的污染源

外部侵入的污染源分為維護產(chǎn)生的污染源和工作環(huán)境產(chǎn)生的污染源。維護產(chǎn)生的污染是指在維修、更換與正常維護液壓系統(tǒng)元件時，進入液壓系統(tǒng)的污染物；工作環(huán)境產(chǎn)生的污染源是正常運轉(zhuǎn)的過程中進入液壓系統(tǒng)的外部污染物。

1.2 內(nèi)部產(chǎn)生的污染源

內(nèi)部產(chǎn)生的污染源分為固有的污染源和系統(tǒng)內(nèi)部生成的污染源。固有的污染源是指制造過程中進入液壓元件的污染物，然后又進入系統(tǒng)；系統(tǒng)內(nèi)部生成的污染源是指液壓系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)元器件互相摩擦而生成的污染物，如液壓泵在工作的過程中就會因摩擦、磨損產(chǎn)生一定的污染物[5]。

2 液壓系統(tǒng)污染控制

液壓系統(tǒng)污染控制必須是各方面著手，全方位開展，否則難以達到比較理想效果。下面分別從設(shè)計、制造和維護對液壓系統(tǒng)污染控制進行研究。

2.1 設(shè)計階段污染控制

在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段，應(yīng)合理選擇液壓系統(tǒng)參數(shù)以及構(gòu)型，將污染的客觀渠道堵死。以某型飛機液壓系統(tǒng)研制為例，其液壓系統(tǒng)僅用于驅(qū)動起落架收放。

1) 液壓油濾污染控制設(shè)計

根據(jù)飛機液壓系統(tǒng)功能的具體要求，合理選擇液壓系統(tǒng)油濾。液壓油濾的過濾精度選取并非越精越好，精度要求太高，會大量增加系統(tǒng)維護工作量和維護經(jīng)費，精度要求過低，又無法滿足液壓系統(tǒng)要求。由于某型飛機液壓系統(tǒng)僅用于驅(qū)動起落架收放，液壓系統(tǒng)中沒有伺服元器件，所以在設(shè)計飛機液壓系統(tǒng)時，供壓、回油油濾都選用5 μm過濾精度，過濾比β5≥200就能滿足某型飛機要求。同時回油油濾上設(shè)計了污染指示和旁通功能，供壓油濾僅設(shè)計了污染指示功能。液壓油濾污染指示后，將以電信號傳輸給地面綜檢系統(tǒng)并發(fā)出告警信息，地勤維護人員可以實時監(jiān)控液壓油濾污染情況。而安裝傳統(tǒng)液壓油濾需要經(jīng)常打開飛機口蓋檢查機械污染設(shè)計值。該液壓油濾的設(shè)計與安裝極大減小地勤人員檢查液壓系統(tǒng)污染指示的維護工作量。當(dāng)液壓系統(tǒng)回油油濾污染到一定程度后，由于液體流阻增加，超過某一起落架的正常收放和飛機的安全。

2) 單向限流活門組件設(shè)計

單向限流活門組件安裝在主起落架和前起落架放下管路中，其功能是使放起落架的油液流速受到節(jié)流，從而控制起落架放下速度，因為放下速度太快容易撞壞護板，影響飛機安全。單向限流活門組件的限流孔孔徑設(shè)計尤為重要，孔徑太大，造成起落架放下速度過快，孔徑太小容易堵塞，影響系統(tǒng)正常工作。為此在設(shè)計過程中，用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行仿真，初步設(shè)置限流孔徑，然后通過鐵鳥臺試驗反復(fù)驗證，最后確定限流孔徑0.7 mm能夠滿足起落架放下時間和同步性技術(shù)要求。由于單向限流活門組件的限流孔偏小，為了防止限流孔堵塞，在其進口端設(shè)置了濾網(wǎng)組件，因為過濾是控制液壓系統(tǒng)污染最直接、最容易的方法。如果限流孔發(fā)生部分或全部堵塞，回油壓力上升至某設(shè)定值時，活門組件的安全活門向右移動打開，保證了液壓系統(tǒng)正常回油和起落架的正常放下，從而保障飛機的安全著陸[6]。飛機返回后，地勤人員應(yīng)該對單向活門組件的濾網(wǎng)和限流孔進行更換，同時對全機液壓油進行更換和污染度檢測。單向限流活門組件結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 試驗臺總體布局

3) 液壓油箱設(shè)計

飛機液壓油箱一般為密閉液壓油箱，這種液壓油箱采用密閉加油和自增壓方式。自增壓一般可分為液壓增壓和彈簧增壓2種形式，可以有效防止外界雜質(zhì)對液壓系統(tǒng)的污染。在液壓油箱的設(shè)計過程中，在條件允許的情況下，吸油口和回油口的距離應(yīng)盡可能遠，液壓油箱容積應(yīng)盡可能大，這樣有利于液壓油在液壓油箱中散熱，防止油液氧化變質(zhì)，污染整個液壓系統(tǒng)。現(xiàn)代飛機一般不再采取從發(fā)動機引氣對液壓油箱進行增壓，雖然發(fā)動機引氣也經(jīng)過氣濾過濾，但仍然會對液壓油箱中的液壓油造成污染。

由于某型飛機高空長時間巡航時，液壓系統(tǒng)不工作，液壓油的溫度迅速下降，液壓油的運動黏度增大，液壓泵的吸油容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，液壓泵吸油不足甚至無法吸油，液壓泵內(nèi)部容易產(chǎn)生異常磨損，從而污染整個液壓系統(tǒng)，同時還會影響液壓系統(tǒng)成附件的使用壽命，大量增加液壓系統(tǒng)故障率。為了解決低溫對液壓系統(tǒng)造成污染的問題，在液壓油箱上增加了溫度檢測與油箱加熱功能。采用在殼體靠近前端蓋的外表面上加裝了PTC加熱片，加熱片安裝在液壓油箱底部和兩側(cè)，液壓油被加熱后通過對流可以迅速實現(xiàn)液壓油熱量傳遞，使液壓油箱內(nèi)液壓油溫度迅速提高。隨著溫度提高，加熱電阻越來越大，電流越來越小，加熱功率越來越小，在液壓油溫度達到40 ℃左右時，加熱和散熱達到熱平衡，液壓油溫度不再升高，從而防止液壓油因為溫度高發(fā)生炭化和氧化而污染整個液壓系統(tǒng)。在液壓油箱的前端蓋上設(shè)置溫度傳感器，溫度傳感器將油箱內(nèi)液壓油的溫度實時反饋給飛機，飛機根據(jù)液壓油溫度，自動控制液壓油箱加熱的啟停[7-8]，液壓油溫度升高后才能保證液壓泵正常吸油，減少異常磨損引起液壓系統(tǒng)污染。液壓油箱結(jié)構(gòu)原理見圖2。

圖2 液壓油箱結(jié)構(gòu)原理圖

發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，液壓泵和發(fā)動機長時間工作，液壓油的溫度容易過高，造成液壓油的氧化或炭化變質(zhì)，從而給液壓系統(tǒng)帶來嚴重污染。為了解決該問題，可在液壓系統(tǒng)的回油總管路上設(shè)計散熱器并或者通過綜合熱管理來管理全機各個系統(tǒng)溫度。由于某型飛機沒有設(shè)置發(fā)動機驅(qū)動泵，液壓泵由電機驅(qū)動，只在收放起落架時短時間工作，在高空巡航時液壓系統(tǒng)長時間不工作，液壓油溫度隨著環(huán)境溫度下降而降低。經(jīng)過飛行試驗測溫表明：液壓油溫度可以低至-50 ℃左右，所以通過PTC加熱片給液壓油箱內(nèi)液壓油加熱，徹底解決了液壓油因低溫問題造成液壓系統(tǒng)嚴重污染，在國內(nèi)尚屬首次。

總之，液壓系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)飛機具體要求來考慮液壓系統(tǒng)污染問題。設(shè)計是液壓系統(tǒng)污染控制的第一步，設(shè)計階段存在的缺陷可能是先天性的，一旦設(shè)計方面存在先天性缺陷，僅靠提高制造水平和使用維護水平是無法徹底解決的。

2.2 制造階段污染控制

制造階段主要通過清除存在于成附件和液壓導(dǎo)管內(nèi)的固有污染物進行污染控制。

液壓系統(tǒng)成附件裝配時，必須保證環(huán)境清潔，所有成附件裝配時應(yīng)使用干裝配方式，需選擇與工作介質(zhì)相容的沖洗介質(zhì)進行清洗。不立即裝機或裝配的成附件應(yīng)用相應(yīng)工作液油封，并用潔凈的堵頭、堵帽和塑料薄膜封堵后，用塑料薄膜整個包扎儲存，儲存期滿足要求，超過儲存期時，裝機前應(yīng)再次清洗。某型飛機配置了液壓系統(tǒng)多功能保障車，該保障車具有液壓系統(tǒng)密閉加油功能，所加入的液壓油優(yōu)于GJB 420B的6級[9]，同時還具有液壓系統(tǒng)清洗和污染度在線檢測功能。清洗時，反復(fù)收放起落架，當(dāng)液壓系統(tǒng)污染度在線檢測值優(yōu)于GJB 420B的7級時，停止清洗；若通過多次清洗仍無法滿足要求，則更換新液壓油。

液壓系統(tǒng)多功能保障車設(shè)置了比飛機液壓系統(tǒng)過濾精度更高的精密油濾，精密油濾的過濾精度為3 μm。該液壓系統(tǒng)多功能保障車從污染來源上減少了液壓系統(tǒng)污染可能。

2.3 使用維護階段污染控制

在使用維護階段，為了保證飛機液壓系統(tǒng)污染滿足要求，首先應(yīng)保證機上液壓油濾始終處于正常工作狀態(tài)。因此對于一些高精度的液壓油濾污染指示，直接采取定期更換濾芯的方法來保證其始終處于正常工作狀態(tài)，而不再使用超聲波振動對液壓油濾進行清洗。某型飛機壽命初期，液壓系統(tǒng)成附件均為新品，工作初期內(nèi)部磨損容易產(chǎn)生更多污染物，因此每飛行30 h取樣1次，累計不少于3次取樣，通過油液污染度檢測，判斷系統(tǒng)污染度是否穩(wěn)定，至少連續(xù)3次取樣合格之后，以后每飛行100 h進行1次液壓油污染度檢測。對污染度敏感的成附件，例如單向限流活門組件每年定期對濾網(wǎng)組件和限流孔進行清洗，流阻測試合格后，才能再次裝機使用。為了防止多次清洗后清洗效果不佳，在維護規(guī)程中規(guī)定：連續(xù)清洗3次后，更換新濾網(wǎng)組件。

液壓成附件在外場拆裝時，必須保證環(huán)境清潔，拆裝完成后，必須及時用潔凈的塑料薄膜或綢布進行包扎，防止系統(tǒng)污染。

綜上所述，飛機液壓系統(tǒng)的污染控制是一個相當(dāng)復(fù)雜而又棘手的問題，必須從液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計、精心制造和日常使用維護等多方面來控制污染，從而盡可能地減少液壓系統(tǒng)污染引發(fā)的危害。

3 液壓油的采樣和檢測

液壓系統(tǒng)采樣方法現(xiàn)在常用的有2種：對于靜態(tài)附件應(yīng)采用晃動法；對于動態(tài)附件應(yīng)采用流通法。目前，某型飛機液壓油液采樣采取流通法和動態(tài)在線檢測相結(jié)合進行。流通法采樣時反復(fù)收放起落架3～5次，使液壓系統(tǒng)的油液都充分流通起來，將全機液壓油液盡量充分混合均勻，使所取液壓油樣能夠接近液壓系統(tǒng)污染的真實情況，同時還需盡量避免采樣過程中的二次污染。

當(dāng)前液壓油污染度的檢測有多種方式，其中較為常用的是顯微鏡顆粒計數(shù)法以及自動顆粒計數(shù)法[10]。顯微鏡顆粒計數(shù)法是將油液倒在精細的濾膜上，然后在顯微鏡下進行觀察記數(shù)，具體方法參考GJB 380.5《飛機液壓系統(tǒng)污染測試用顯微鏡記數(shù)法測定油液固體顆粒污染度》[11]； 自動顆粒計數(shù)法是通過自動顆粒記數(shù)器來實現(xiàn)，這種電子裝置的原理是測量經(jīng)過光路顆粒的擋光量，顆粒的大小決定了擋光量的大小，擋光的程序轉(zhuǎn)換成電信號并轉(zhuǎn)換為顆粒的尺寸，具體方法參考GJB 380.4《飛機液壓系統(tǒng)污染測試用自動顆粒計數(shù)器測定油液固體顆粒污染度》[12]。目前某型飛機主要采取自動顆粒計數(shù)法來測定液壓油的污染度和液壓系統(tǒng)多功能保障車在線動態(tài)檢測液壓系統(tǒng)污染度，后者能夠更科學(xué)、更準(zhǔn)確、實時反饋液壓系統(tǒng)油液真實污染情況，值得進一步推廣。

4 液壓系統(tǒng)污染控制的初步成果

近些年來，在新機的研制過程中，各主機廠所已經(jīng)逐步提高了對液壓系統(tǒng)污染的控制。針對某型飛機在外場使用情況，在2015～2019年期間，對多架飛機液壓系統(tǒng)油液污染度檢測等級進行了詳細統(tǒng)計，統(tǒng)計情況見表1。

從外場統(tǒng)計情況可以得出以下結(jié)論：某型飛機液壓系統(tǒng)的污染控制水平基本保持在GJB 420B的6～8級，超過GJB 420B的8級總計發(fā)生4次，不合格率僅為3.9%，污染控制水平得到顯著提高，5年來很少發(fā)生因液壓油污染引起的液壓系統(tǒng)典型故障，相比較現(xiàn)在外場飛機GJB 420B的8～10級污染度控制水平已經(jīng)有了質(zhì)的飛越，從而驗證了該飛機從設(shè)計、制造和使用維護階段對液壓系統(tǒng)污染控制方法的可靠性與有效性。

5 液壓系統(tǒng)污染控制存在問題及解決措施

5.1 二次污染和取樣油液代表性問題及解決措施

不管采用晃動法還是流通法采樣，采樣條件都無法保證所采樣油液能對整個液壓系統(tǒng)的油液污染度具有完全代表性， 同時采樣過程中容易對液壓油造成二次污染。由于所采樣油液不能完全代表液壓系統(tǒng)的污染情況，使檢測結(jié)果在一定的程度上存在假相。因此，可以采用液壓系統(tǒng)多功能保障車代替機載泵長時間工作，這樣液壓油混合十分均勻，液壓系統(tǒng)多功能保障車具有實時動態(tài)檢測液壓油污染情況和在線清洗液壓系統(tǒng)的功能，這樣避免取樣過程中造成液壓油二次污染，同時徹底解決了被采樣油液不具有代表性問題。

表1 某型飛機液壓系統(tǒng)油液污染度統(tǒng)計

5.2 進口的金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)制精濾存在問題及解決措施

現(xiàn)在飛機上使用的液壓油濾的濾芯多數(shù)都是金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)，呈氈型，過濾效果好，目前已在YYL系列精密油濾上得到證明。金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)在污染物侵入金屬氈孔隙后，不管用反沖擊法還是超聲波振動清洗法，都很難清洗出污染物，清洗后繼續(xù)使用，濾芯流阻上升很快，重復(fù)使用性差。另外，清洗該種濾芯和檢查清洗效果必須配備流阻試驗臺、冒泡試驗臺和超聲波清洗機設(shè)備。這將增加許多外場維護設(shè)備，每個機場都配備一套油濾清洗和檢測設(shè)備也難于實現(xiàn)。所以這種金屬纖維燒結(jié)網(wǎng)濾材雖然有過濾精度高、納污容量大的優(yōu)點，但也存在不易清洗、難于重復(fù)使用和直接更換維護費用高等缺點[15]。鑒于此，現(xiàn)在研制出來非金屬濾紙NF-S-5已經(jīng)在外場飛機上得到廣泛應(yīng)用，在同樣過濾效果的前提下，非金屬濾材的成本低，濾芯一次性使用，不必進行重復(fù)清洗，實行定期更換，這樣減少濾芯清洗設(shè)備和試驗采購維護費用。但是非金屬濾紙NF-S-5在生產(chǎn)過程中存在報廢率偏高的問題，國內(nèi)液壓油濾專業(yè)廠家正在開展研究可靠性更高、成本更低的非金屬濾芯和納污能力更強的多層逐級過濾的濾芯。

6 結(jié)論

首先介紹了液壓系統(tǒng)污染的來源，在此基礎(chǔ)上給出了某型飛機設(shè)計、制造、使用維護各階段中具體的污染控制技術(shù)與實際方法，數(shù)據(jù)顯示上述方法使某型飛機污染控制水平得到顯著提高，5年來因液壓油污染引起的液壓系統(tǒng)典型故障顯著減少，驗證了本研究污染控制方法措施的有效性；總結(jié)了液壓系統(tǒng)污染控制存在的問題及解決措施，對飛機液壓系統(tǒng)污染控制具有重要指導(dǎo)與參考價值。