淺談油濾流阻特性對液壓系統性能影響

李立恒 楊國斌

摘要：油濾在液壓系統中被普遍應用，其功用和結構原理相對簡單，但在實際應用中，油濾常因未正確選擇和定期維護導致流動阻力變化，造成液壓系統運行異常。本文通過典型案例分析油濾流阻特性對液壓系統性能的影響，提高液壓系統設計和使用人員對應用合適的過濾系統延長液壓系統使用可靠性和壽命的認識。

關鍵詞：油濾；流阻特性；液壓系統；性能；影響

Keywords：oil filter；flow resistance；hydraulic system；performance；influence

0 引言

液壓過濾器簡稱油濾，是液壓系統中的重要輔助裝置，其功用在于濾除油液中的雜質，降低油液污染度，防止雜質進入對油液污染度敏感的液壓元件內而導致液壓系統運行異常。合適的油濾是液壓系統長壽命運行必不可少的條件。

由于油濾是利用濾芯表面的小孔和微小間隙來濾除油液介質中的雜質，油液流過濾芯時必然會產生流動阻力，形成壓力損失。正常情況下，合理選用油濾，該壓力損失一般不會影響系統的使用性能，甚至還可以起到減小壓力脈動和穩壓作用，但當油濾的流動阻力超出設計指標時，就可能影響液壓系統的壓力和流量性能，造成液壓系統運行異常，且引起的系統性能故障常常呈隱性而難以發現，使故障排除難度變大。本文通過對三例油濾流阻變化導致液壓系統性能紊亂情況的分析，闡述正確選擇和清潔維護油濾的重要性。

1 設備油濾未清潔

1）故障現象

某型電機驅動式齒輪泵（下稱燃油泵）進行零壓性能試驗時，要求燃油泵進口壓力為0MPa，出口流量為0L/min，在規定轉速條件下，檢測燃油泵出口壓力值。設備原理圖如圖1所示。在燃油泵穩定運轉試驗過程中，發現進口壓力P1逐漸由0MPa降低至-40kPa，而正常情況下 P1壓力值應始終保持為0MPa不變。

2）故障原因排查

根據設備結構原理分析，逐一排查了“設備油箱與外界大氣連通狀態”“P1壓力變送器良好狀況”和“油箱加注量”等可能引起進口負壓的因素，均未能有效排除壓力異常故障。

分解油濾2，使用超聲波清洗后恢復安裝，燃油泵重新裝聯試驗，進口壓力P1恢復正常，故障排除。

3）故障機理分析

設備使用維護規程規定，油濾每三個月應清洗或更換濾芯一次，在設備出現故障前，距離上一次油濾清潔維護時間間隔將近兩個月，期間設備用于燃油泵分解前性能檢測和裝配后調試、試驗的次數累計達80余次。燃油泵在進行分解前性能檢測時，燃油泵外表和內部通道可能殘留有雜質，在試驗過程中雜質被帶入系統內部，經油濾過濾后附著在油濾濾芯表面，隨著試驗數量和時間的積累，濾芯表面附著的雜質增加，網孔被堵塞，油濾流動阻力增大，通流能力下降。燃油泵為定量泵，供油量基本保持不變（不考慮泄露損失、填充損失情況），當油濾的通流能力降低至無法滿足正常供油給燃油泵時，出現Q需求>Q供應情況，那么油濾至燃油泵進口之間的容積腔內會出現真空現象，導致進口壓力P1由大氣環境壓力下降至真空狀態，壓力顯示為負壓。

2 設備油濾規格改變

1）故障現象

某型滑油泵結構為內嚙合式齒輪泵，抽真空能力較強，進口壓力在一定負壓范圍內仍具備良好的吸油性能。根據滑油泵的使用特性，修理過程中需要模擬試驗空中供油性能，即檢測不同進口負壓和轉速條件下滑油泵的出口供油量，其中最小進口壓力為-80kPa。某滑油泵在性能試驗臺上進行進口壓力為-80kPa的空中性能試驗時，滑油泵的出口供流量低于設計指標要求，不滿足工藝規定要求，其他進口負壓和常壓條件下供油性能試驗結果合格，如圖2所示。

2）故障原因排查

使用試驗合格的滑油泵進行試驗驗證，滑油泵在-80kPa狀態下出口供油量不合格，排除滑油泵自身故障原因。

滑油泵出口供油量用渦輪流量計測量，檢查渦輪流量計性能狀況良好，清洗流量計渦輪及內部通道后恢復裝配，重新進行空中性能試驗，進口壓力為-80kPa狀態下穩定運轉一定時間后，故障復現。

采取向滑油箱加注滑油至最大液位和更換供油管路連接處密封墊圈（密封墊圈材質為氟塑料，擠壓變形后密封環內徑會減小即通油截面減小，容易影響供油量）措施，故障仍未排除。

分解滑油泵試驗臺進口油濾并用超聲波進行清洗后再次試驗，在進口壓力為-80kPa狀態下空中供油性能試驗合格，反復試驗，試驗數據穩定，故障排除。

3）故障機理分析

設備使用維護規程規定，完成規定的試驗臺次后應進行油液固體顆粒污染度檢測，當固體顆粒污染度檢測結果劣于規定要求時應清洗系統和更換油液。考慮到試驗臺原進口油濾精度等級較低，滑油泵自身工作環境惡劣容易使試驗油液介質被污染從而造成設備維護頻次增加、油液浪費，出于延長試驗臺維護間隔的目的將進口油濾濾芯規格由30μm更換為10μm，提高了油濾過濾精度，但同時造成了油濾的通流能力減小，流動阻力增大。

此外，試驗所使用的油液介質為4109合成航空潤滑油，該潤滑油運動粘度較大，加之進口油濾過濾能力提高，濾芯表面附著雜質增速加快，濾芯表面小孔和微小間隙被堵塞，油液介質的流動阻力進一步增大，導致進口滑油壓力過度降低。當進口壓力低于空氣分離壓時，溶解在滑油中的空氣析出，形成游離狀態的氣泡被吸入滑油泵進口，吸入空氣占據一定的有效容積，形成填充損失，故滑油泵供油性能下降。這也說明了為什么滑油泵供油性能只在進口壓力為-80kPa狀態下異常的原因，是因為-80kPa為最低試驗進口壓力，表明在該壓力下最早形成空氣分離壓。

3 油濾外形結構變形

1）故障現象

某型發動機試車過程中出現80%狀態以上轉速跳動量超標和燃油出口壓力脈動幅度偏大現象，經故障定位為發動機供油調節系統中的供油機構供油異常。

2）故障原因排查

供油機構返修后進行性能復測，試驗結果滿足工藝規定要求。通過研究分析，認為發動機試車轉速和燃油出口壓力異常的主要原因可能是供油機構供油不穩定。由于當前供油機構修理性能考核指標中沒有供油穩定性檢測項目，因此通過模擬發動機不同試車狀態下對應的輸入供油機構的轉速和油門角度，檢查供油機構供油穩定情況，并隨機抽取多臺修理合格的供油機構進行試驗數據對比。對比發現，供油機構的供油量脈動差異較大，脈動范圍為0～40L/h，返修供油機構出口供油量在一定周期內的最大脈動量為31L/h（見圖3），而供油穩定性能較好的產品的供油脈動量不超過10L/h。將供油穩定性較好的供油機構串裝后試車，發動機試車性能恢復正常。故根據供油機構結構原理，查找可能誘發供油機構出口流量脈動的關聯因素。

如圖4所示，供油機構主要由燃油泵（齒輪泵）、電機油門控制組合、限壓活門、壓差活門和油濾組成，其中電機油門控制組合為通流截面可調的節流裝置，當發動機處于某試車狀態時，油門角度固定即表示供油截面積固定，不會引起供油不穩定。

限壓活門用于控制供油機構出口壓力，通過平衡作用于活門的彈簧力來控制油壓，因該處彈簧剛性較大且出口壓力相對穩定，故閥口的節流特性穩定，說明其不是導致供油機構出口流量脈動的主要原因。

如圖5所示，燃油泵采用外嚙合齒輪泵，主要由殼體、主動齒輪、從動齒輪、固定軸承、浮動軸承和彈簧組成，其中，浮動軸承受多個彈簧作用力，使浮動軸承與齒輪端面緊密貼合，減小齒輪泵端面間隙。由于各彈簧之間存在自由高度、剛性等個性差異，導致浮動軸承端面承受的作用力不均勻，齒輪在高速運轉過程中浮動軸承圓周端面承受的彈簧作用力就可能存在周期性振蕩，在振蕩周期內齒輪泵內部泄漏量不一致，就會導致燃油泵供油量不穩定。此外，外嚙合齒輪泵自身還存在周期性供油脈動特性，兩種關聯因素疊加，極有可能造成供油脈動量增大。通過選配燃油泵的主從動齒輪和彈簧后，重新進行調試、試驗，供油穩定性無明顯改善，因此排除此可能原因。

通過更換不同油濾試驗驗證，發現供油穩定情況存在差異，選用穩定性能較好的油濾后，供油機構重新裝機試車，發動機轉速和出口燃油壓力穩定性良好，故障排除。

3）故障原因分析

油濾主要由骨架和濾網組成，其中濾網為多個均勻、規則彎折的波紋結構，如圖6所示。通過對比已裝機使用的油濾和新件油濾的外形結構，發現裝機使用的油濾存在液壓沖擊造成的濾網結構變形。油液流經變形油濾后的動態特性會發生改變，油液流速和流向將發生急劇變化，油液內部形成擾動、沖擊等紊流現象，不僅流動阻力增大，而且容易造成供油壓力振蕩，又因供油流量穩定性與壓力脈動相互關聯，故供油流量產生響應，從而誘發供油量脈動不穩定。

4 結論

參考文獻

[1]吳琪華，賀惠珠，張加幀.航空發動機調節[M]. 北京：國防工業出版社，1986.

[2]王積偉.液壓傳動[M]. 北京：機械工業出版社，1986.

作者簡介

李立恒，助理工程師，從事機電附件修理技術研究。