直升機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染控制系統(tǒng)建模與分析

劉欽榛,鮑嘉楓

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展, 航空技術(shù)也得到了快速發(fā)展,航空科學(xué)技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的重要作用越發(fā)凸顯。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由于具有操作控制方便、元件尺寸小、單位功率質(zhì)量輕、工作安全性高、易與電控結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空航天、冶金機(jī)械、工程機(jī)械等設(shè)備中。液壓系統(tǒng)是直升機(jī)的肌肉,是機(jī)上重要的能量傳遞系統(tǒng),其可靠運(yùn)行對(duì)于保證直升機(jī)操縱能力至關(guān)重要。研究表明,液壓系統(tǒng)故障導(dǎo)致的飛機(jī)故障約占飛機(jī)故障總數(shù)的40%;在等級(jí)嚴(yán)重的航空事故中,液壓系統(tǒng)故障引起的事故比例更是高達(dá)15%～20%[1];液壓系統(tǒng)的污染物引起的故障占液壓系統(tǒng)總故障的70%左右[2]。

液壓系統(tǒng)的油液污染狀況在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。液壓油獨(dú)有的優(yōu)越性與油液污染造成的可靠性問(wèn)題是無(wú)法調(diào)和的矛盾[3]。隨著液壓系統(tǒng)朝著高精度和高可靠發(fā)展,液壓系統(tǒng)對(duì)油液污染越發(fā)敏感。因此,為保證液壓系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,需準(zhǔn)確控制其油液污染程度。本文以液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立了液壓系統(tǒng)污染控制模型,分析影響油液清潔度的相關(guān)因素,提出了有利于油液污染控制的技術(shù)措施,進(jìn)而全面提高液壓系統(tǒng)的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)油液污染

液壓系統(tǒng)油液中的污染物是指油液中不希望有的且對(duì)系統(tǒng)有危害的物質(zhì),可分為物質(zhì)型污染物和能量形式污染物[4]。物質(zhì)型污染物主要有空氣、水、固體顆粒、化學(xué)物質(zhì)和微生物等。能量形式的污染物包括靜電、磁場(chǎng)、熱能、腐蝕等能量。

物質(zhì)型污染物以氣體、液體和固體三種物理狀態(tài)存在于油中。氣體污染物可呈溶解狀態(tài),或以氣泡的形式混雜于油液中。液體污染物呈游離狀態(tài),溶解于基礎(chǔ)油或使基礎(chǔ)油成為乳化液。固體污染物通常以微粒狀態(tài)出現(xiàn),通稱(chēng)為固體顆粒。靜電會(huì)造成元件電流腐蝕。磁場(chǎng)會(huì)致使鐵磁性磨屑吸附在零件表面或間隙內(nèi),造成元件的污染磨損、堵塞和卡滯。過(guò)多的熱能使油溫升高,引起油液潤(rùn)滑性能下降和元件泄漏增大,并加速油液變質(zhì)和系統(tǒng)密封老化失效。

液壓系統(tǒng)污染物能夠加速液壓元件的磨損,造成各種各樣的故障。尤其是固體顆粒污染物,是液壓系統(tǒng)中最普遍、危害最大的污染物,會(huì)導(dǎo)致泵、閥等元件的磨損和堵塞,使控制元件動(dòng)作失靈而引起液壓故障。因此,采取有效的措施保證液壓油液的清潔度,是污染控制的重要任務(wù)。

2 油液污染控制建模與分析

液壓系統(tǒng)污染控制過(guò)程實(shí)質(zhì)上是污染物產(chǎn)生、侵入和濾除的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程[5]。其目標(biāo)就是保障油液的清潔度,使液壓系統(tǒng)中各元件能工作在允許的污染濃度范圍內(nèi),提高液壓系統(tǒng)的可靠性。為了研究直升機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染度的變化規(guī)律,需要建立油液污染控制模型,為液壓系統(tǒng)污染控制技術(shù)的研究提供依據(jù)[6]。

依據(jù)油液流動(dòng)的物理規(guī)律,通過(guò)分析油液及其內(nèi)部包含的污染顆粒在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞擴(kuò)散方式,建立油液污染控制模型,闡述油液污染在液壓系統(tǒng)中的狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)某一處的污染量為該處原有污染量、侵入污染量、生成污染量的和與過(guò)濾凈化的污染量的差的思想,可建立油液污染控制方程,用于定量分析系統(tǒng)各點(diǎn)的油液污染程度[7],其原理如式(1)所示。

(1)

令CY,dN為液壓系統(tǒng)各元件油液中尺寸大于dN的初始顆粒污染濃度;RS,dN為控制、執(zhí)行元件工作中尺寸大于dN的顆粒污染物生成速率;RQ,dN為系統(tǒng)中尺寸大于dN的顆粒污染物的外界侵入速率;Rp,dN為液壓泵工作中顆粒尺寸大于dN的磨屑生成率;βdN為過(guò)濾器對(duì)顆粒尺寸大于dN的污染物的過(guò)濾比,即過(guò)濾器上、下游單位體積油液內(nèi)大于尺寸dN的顆粒污染物個(gè)數(shù)之比;V為系統(tǒng)油液體積;Q為液壓泵的流量。

液壓系統(tǒng)中過(guò)濾器的安裝位置以及濾芯的過(guò)濾性能,都會(huì)對(duì)系統(tǒng)油液污染控制產(chǎn)生重要影響。按照過(guò)濾器安裝位置的不同,液壓系統(tǒng)過(guò)濾方式可分為吸油管路過(guò)濾(見(jiàn)圖1)、壓油管路過(guò)濾(見(jiàn)圖2)、回油管路過(guò)濾(見(jiàn)圖3)、旁通管路過(guò)濾(見(jiàn)圖4)。對(duì)于采用吸油管路過(guò)濾的系統(tǒng),由式(1)可知,在任意Δt時(shí)間內(nèi),可得變化后的油箱油液瞬時(shí)顆粒污染度為:

圖1 吸油管路過(guò)濾

圖2 壓力管路過(guò)濾

圖3 回油管路過(guò)濾

圖4 旁通管路過(guò)濾

Ct,dNV=CY,dNV+RS,dNΔt+RQ,dNΔt+

(2)

當(dāng)Δt→0時(shí),有微分方程:

(3)

同理可得,采用壓力管路過(guò)濾的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

(4)

采用回油管路過(guò)濾的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

(5)

旁通管路過(guò)濾的數(shù)學(xué)模型為:

(6)

為降低模型復(fù)雜度,本文在推導(dǎo)污染平衡方程時(shí),做如下假設(shè):

1)油箱的油液污染顆粒分布均勻,且外部污染物侵入率均勻;

2)過(guò)濾器工作過(guò)程中過(guò)濾比不變;

3)油液無(wú)泄漏,油箱中油液的容積即為液壓系統(tǒng)全部油液的容積;

4)液壓系統(tǒng)無(wú)超壓現(xiàn)象,即安全閥關(guān)閉Q2=0。

依據(jù)液壓系統(tǒng)污染控制基本理論對(duì)直升機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,建立直升機(jī)液壓系統(tǒng)通用模型。簡(jiǎn)化后的模型如圖5所示。依據(jù)式(1)-(6)有:

圖5 直升機(jī)液壓系統(tǒng)系統(tǒng)通用模型

(7)

當(dāng)Δt→無(wú)窮小時(shí),有:

(8)

式(8)通解為:

(9)

其中,參數(shù)k、β3,dN、β2,dN、β1,dN、V、Q、RS,dN、Rp,dN、RQ,dN可基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)得到。

由摩擦學(xué)原理[8]可知:機(jī)械零件的正常磨損過(guò)程可分為磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段。當(dāng)液壓元件工作在穩(wěn)定磨損階段時(shí),其磨損率大致為常數(shù),即顆粒濃度的生成速率為恒定值,故有RS,dN、Rp,dN為定值。令外界侵入污染物侵入率RQ,dN不變,則α、β為常數(shù),式(9)可化簡(jiǎn)為:

(10)

根據(jù)污染物守恒原理,過(guò)濾器當(dāng)前納污量為:

(11)

(12)

相同參數(shù)設(shè)置條件下,按圖1-圖4所示過(guò)濾器設(shè)置的系統(tǒng)的過(guò)濾結(jié)果見(jiàn)圖6。其中,回油管路過(guò)濾和旁通管路過(guò)濾的過(guò)濾效果最佳,并且這兩種過(guò)濾方式可以減小液壓泵的吸油阻力。直升機(jī)液壓系統(tǒng)過(guò)濾系統(tǒng)的過(guò)濾結(jié)果見(jiàn)圖7-圖8。

圖6 不同初始污染濃度下四種過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾結(jié)果對(duì)比

圖7 不同油箱初始污染濃度下油箱油液污染物濃度

圖8 不同油箱初始污染濃度下油濾納污量

由圖可知,對(duì)于同一系統(tǒng),在不同油箱初始污染濃度的情況下:①油箱瞬時(shí)污染物濃度最終將趨于穩(wěn)定;②回油濾納污量最大,壓力油濾納污量次之,吸油油濾納污量最小;③污染物濃度排序:控制、執(zhí)行元件出口>液壓泵出口>回油慮出口>液壓油箱>壓力油濾出口>吸油油濾出口。

3 油液凈化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 初始污染物濃度對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)污染度的影響

液壓元件對(duì)油液污染物濃度較敏感,油液污染度越高,液壓元件摩擦副磨損越嚴(yán)重。液壓泵試驗(yàn)結(jié)果表明,泵的壽命隨工作液污染物濃度的增加而降低,當(dāng)工作液污染物濃度超過(guò)某一值后,液壓泵的磨損速率顯著增大,壽命急劇下降[9]。因此,為保證液壓系統(tǒng)正常、可靠地工作,必須將系統(tǒng)固體污染物濃度極限值控制在某一臨界值以下,該臨界值即為液壓系統(tǒng)污染度控制水平。

由式(3)和(4)可知:

(13)

當(dāng)節(jié)流閥全關(guān)時(shí),即k=0,有:

(14)

由式(13)和(14)可知,當(dāng)系統(tǒng)流量一定時(shí),油箱污染濃度穩(wěn)定值與系統(tǒng)過(guò)濾器過(guò)濾比、污染物侵入速率、污染物生成速率、液壓泵磨損速率有關(guān),與油箱體積和初始污染物濃度無(wú)關(guān)。

3.2 過(guò)濾器過(guò)濾性能對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)污染度的影響

當(dāng)過(guò)濾器的過(guò)濾比βi,dN→+∞時(shí),β/α→RS,dN/Q。即系統(tǒng)中過(guò)濾器的過(guò)濾比選擇很大時(shí),油箱油液的瞬時(shí)污染度也僅僅趨于RQ,dN/Q,見(jiàn)圖9、圖10。當(dāng)過(guò)濾器過(guò)濾比由2增加到5時(shí),油箱穩(wěn)態(tài)污染物濃度顯著降低;當(dāng)過(guò)濾器過(guò)濾比由50增加到200時(shí),油箱穩(wěn)態(tài)污染物濃度基本保持不變。故在選擇過(guò)濾器時(shí),并不是過(guò)濾能力越高越好,選用時(shí)要結(jié)合液壓系統(tǒng)本身的需求和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇。

圖9 不同初始污染濃度下系統(tǒng)各液壓元件處污染物濃度

圖10 不同油濾過(guò)濾比下油箱污染物濃度

3.3 系統(tǒng)流量與油箱體積對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)污染物的影響

由式(5)可知,當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí),流量Q與油箱體積V之比決定了油液污染物濃度趨于污染度控制水平的時(shí)間(臨界時(shí)間)。如圖11所示,Q/V越大,系統(tǒng)的臨界時(shí)間越小。由圖可知,在過(guò)濾效率和Q1一定時(shí),Q/V值不同,油箱中油液污染度變化規(guī)律不同,Q/V值越大,油液污染度衰減速度越快,油液過(guò)濾凈化速率越高。流量一定的情況下,油箱容積V越小,油液污染物過(guò)濾凈化速率越快,即直升機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染度將會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定清潔度水平。

圖11 不同油箱體積下的臨界時(shí)間

4 總結(jié)

本文闡述了直升機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染物的來(lái)源、種類(lèi)及危害。通過(guò)分析油液及其內(nèi)部包含的污染顆粒在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞擴(kuò)散方式,建立了直升機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染控制模型,分析了模型中各因素對(duì)油液污染控制的影響,提出了油液污染控制的建議:合理減小油箱體積,能夠加快油液的凈化速率;控制液壓系統(tǒng)初始污染物濃度,能夠提升系統(tǒng)壽命;需要根據(jù)系統(tǒng)污染侵入速率、生成速率、過(guò)濾器過(guò)濾比確定系統(tǒng)目標(biāo)清潔度要求。