威海戥同測試設(shè)備有限公司，威海264209

 

      摘  要 本文提出液壓系統(tǒng)的污染控制發(fā)展到今天，應(yīng)對各種附件在工作條件下的污染生成率指標(biāo)提到日程上來，濾油器的過濾比βx應(yīng)表征在真實系統(tǒng)中的凈化能力，以逐步實現(xiàn)液壓系統(tǒng)油液污染度的主動控制。和本文重點討論在液壓系統(tǒng)中空氣含量過大可產(chǎn)生的各種危害，提出對空氣含量實施控制的必要性及具體控制指標(biāo)和控制方法，以及全方位實施污染控制所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益和社會效益。

     關(guān)鍵詞  液壓系統(tǒng)   空氣污染危害   控制指標(biāo)

      1 概述 

       液壓油的污染控制工作開展，已有二十多年的歷史了，對于開展這一工作的重要性也逐漸被有關(guān)部門所重視，并且也取得了不少的成績，主要表現(xiàn)在“飛機液壓系統(tǒng)污染度驗收水平和控制水平”標(biāo)準(zhǔn)的制定和執(zhí)行，取得了因污染物導(dǎo)致的故障明顯降低，平均無故障間隔時間明顯延長。但是按全方位實施油液污染度主動控制的要求尚有很大的距離，污染控制所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益和社會效益尚沒有充分發(fā)揮出來，因為它可以數(shù)倍的延長機器和油液的使用壽命，數(shù)倍的減少工作故障，對于節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提高戰(zhàn)斗力和減少國防經(jīng)費等方面的巨大價值，尤其是空氣含量過大對飛機液壓系統(tǒng)可靠性影響尚未被有關(guān)部門所充分認(rèn)識。

       1.1 關(guān)于全方位、主動的實施污染控制

       所謂全方位是指油液的污染控制應(yīng)從固態(tài)污染、液態(tài)污染和氣態(tài)污染三方面實施控制，這已是眾所周知的；但是目前所實施的污染控制僅僅是著重于固體顆粒的控制，其表現(xiàn)形式為各部門均著重于選擇過濾器和實施過濾凈化，最終的目的是凈化結(jié)果能滿足“污染度驗收水平”要求。對于如何防止水分和空氣的侵入，以及應(yīng)采取那些技術(shù)手段將水分和空氣從油液中清除的問題，尚未能深入開展研究。

       所謂主動控制，是指按照要求，系統(tǒng)應(yīng)在什么污染度等級條件下工作，其真實的系統(tǒng)就能夠保證在該污染度等級。實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先必須限定系統(tǒng)中各種附件的污染生成率，即在規(guī)定的污染度等級條件下，單位時間內(nèi)污染顆粒生成的數(shù)量不超過規(guī)定的指標(biāo)。其次是濾油器對污染物的清除率，必須保證大于或等于系統(tǒng)中各種附件污染生成率的總和，才可以保證系統(tǒng)在工作中污染度不上升。而目前的技術(shù)狀態(tài)，沒有限制污染生成的數(shù)量，只是將其凈化到出廠驗收水平；濾油器的凈化能力即過濾比β_x的指標(biāo)也沒能與系統(tǒng)的污染度水平相掛鉤，對濾油器精度的要求帶有一定的盲目性，系統(tǒng)的污染控制是被動的；為保證系統(tǒng)的清潔，只好經(jīng)常檢測，經(jīng)常地面清洗來滿足要求。只有當(dāng)實現(xiàn)了濾油器的納污容量和過濾比β_x的指標(biāo)，保證在規(guī)定的時間內(nèi)濾除污染顆粒的能力可以超過或等于系統(tǒng)內(nèi)污染生成率，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的污染度等級長時間不上升，也可以免于經(jīng)常檢測和經(jīng)常清洗的煩惱。

       固體顆粒污染已有許多文獻(xiàn)論述，本文僅就液壓油中空氣污染對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的危害及其如何控制等問題提出討 論意見。

       2  空氣污染對液壓系統(tǒng)危害的分析

定性的論述空氣對液壓系統(tǒng)的危害已見過不少文獻(xiàn)，但是定量的分析尚未見報道，而在工程實踐中采取那些技術(shù)手段有效的降低空氣污染的危害更是無人問津，在這一方面無論是國外還是國內(nèi)均屬空白。本文通過空氣污染的分析和試驗數(shù)據(jù)，闡述控制空氣污染的重要性，以促進(jìn)空氣污染控制技術(shù)的開展，實現(xiàn)全方位、主動的污染控制。

 

       2.1降低油液的彈性模量  

       當(dāng)油液中有游離氣體存在時，就大幅度降低油液的彈性模量。例如：液壓油在無游離氣體時彈性模量平均值為1510MPa，如果夾雜空氣，油液的彈性模量會降到353 MPa以下，能造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，工作不穩(wěn)定，會影響飛機操縱的跟隨性，尤其是自動化程度很高的第四代戰(zhàn)機，要求高機動性，快速響應(yīng)，如果出現(xiàn)跟隨性不好，又是低空飛行時，會引起飛行員驚恐，甚至可造成機毀人亡的事故。

      由于液壓彈性增大，影響操縱力的穩(wěn)定，迂有復(fù)合操縱，大流量條件下工作，瞬間有氣泡析出，更容易產(chǎn)生操縱不到位的情況，對于全電傳自動操縱影響更大。由于這一故障的發(fā)生是隨機的，有太多的不確定性，造成故障現(xiàn)象不易再現(xiàn)，也為故障分析工作造成困難。以至于長期存在的問題但一直被忽略。

      2.2 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，氣泡會瞬間被壓縮破滅，此時產(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，氣泡破裂會產(chǎn)生巨大的沖擊力。例如，某航空液壓件廠，試驗臺油箱用氮氣直接增壓，在試制ZB56液壓泵時，發(fā)生了配油盤被打裂的故障，配油盤是高強度合金鋼制造，雖然有多年行之有效的設(shè)計經(jīng)驗，但在28MPa壓力，4200轉(zhuǎn)/分時產(chǎn)生的爆炸力遠(yuǎn)比以往的21MPa壓力級的大，說明含氣量大，會產(chǎn)生一些事前無法估計的沖擊力。

      伴隨著高壓和高溫火花，除了引起機件破壞以外，還產(chǎn)生油液燃燒后殘留的灰分，這些灰分來源于油中的無機鹽、金屬有機物和灰塵等，當(dāng)灰分進(jìn)入積炭中變得堅硬耐磨，加劇了機件磨損。

      2.3 引起電液伺服閥工作失靈    

      四代機是全電傳操縱，大量應(yīng)用電液伺服閥，以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的改變飛機姿態(tài)，而當(dāng)油液中有微小氣泡出現(xiàn)時，氣泡會影響節(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，自動化程度越高此項問題越突出。

       2.4 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，而氣泡被壓縮耗費的能量轉(zhuǎn)變成熱量，引起系統(tǒng)溫升嚴(yán)重，溫度過高會帶來一系列弊病，例如：膠圈老化，系統(tǒng)漏油，油液潤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℃，油液壽命即可延長一倍。

       為得到因含氣量的增加引起油溫升高的定量概念，于2003年戥同公司同貴陽液壓件廠共同做一次試驗；試驗狀態(tài)是用同一個試驗臺，使用同一臺液壓泵，只改變油箱狀態(tài)，一個狀態(tài)是用氮氣增壓的油箱，含氣量約為27%，另一個狀態(tài)是與空氣隔離的閉式油箱，含氣量約為5%；試驗程序相同，記錄并對比在兩種油箱狀態(tài)下，液壓泵進(jìn)口油溫T1、出口油溫T2和泵殼體回油溫度T3；試驗結(jié)果見表1

 

           表1       含氣量對油液溫度影響的試驗數(shù)據(jù)  

  

     試驗結(jié)果說明：

      （1）油泵出口與進(jìn)口溫升之差T2-T1，閉式油箱只相當(dāng)于氣體增壓油箱的33%；

      （2）油泵殼體回油與進(jìn)口溫升之差T3-T1，閉式油箱只相當(dāng)氣體增壓油箱的44%。

      （3）減少油液中含氣量對于降低系統(tǒng)溫升，有著十分可觀的效果。

       此外，依據(jù)本試驗流量測試結(jié)果，閉式油箱顯著的增加了流量，當(dāng)油泵進(jìn)口表壓分別為0.061 MPa，0.041MPa，0.01 MPa和0 MPa時，閉式油箱出口平均流量為33.73升/分，而氣體增壓油箱平均流量為32.26升/分，容積效率增加了4.5%，顯著的增加了油泵的有效功率。

    2.5 促進(jìn)油液氧化變質(zhì)   

      空氣含量增多必然對油液產(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，造成摩擦副失去潤滑，即破壞了摩擦表面又生成了大量污染顆粒，等等；總之系統(tǒng)中空氣含量增加，給系統(tǒng)帶來的危害是巨大的。

    3  如何控制液壓系統(tǒng)的空氣污染

      3.1 制定液壓油空氣含量的定量標(biāo)準(zhǔn)

      為有效的控制油液中的空氣含量，須有強制性定量的標(biāo)準(zhǔn)，雖然礦物油中溶解空氣是不可避免的，從液壓油的生產(chǎn)、貯存和使用各環(huán)節(jié)，想要不與空氣接觸是無論如何也做不到的；但是，油中溶解空氣是有規(guī)律的，空氣含量與壓力呈線性關(guān)系，比如，在大氣條件下溶解量為10%，而當(dāng)在負(fù)壓條件下就小于10%，此時過飽和部分就自然以氣泡形式逸出，利用這一特性，我們就可以利用負(fù)壓條件來減少空氣的含量，將逸出的空氣排除。經(jīng)過負(fù)壓條件下排氣后再加入到系統(tǒng)中去。

      3.1.1 推薦指標(biāo)為6%   空氣含量指標(biāo)究竟多少合適，我們推薦為6%，因為此時的空氣含量相當(dāng)于表壓－0.04 MPa時的溶解量，而小于表壓－0.04 MPa的壓力在液壓系統(tǒng)中是很少發(fā)生的，無論有多大流量的系統(tǒng)，油泵進(jìn)口壓力或節(jié)流閥出口壓力在設(shè)計上都不會低于這一指標(biāo)，該壓力下油液中空氣的飽和溶解度為6%，此時就不會有氣泡逸出，則可從根本上消滅產(chǎn)生氣泡的可能性。

      3.2如何在系統(tǒng)中實現(xiàn)空氣含量不超過6%的指標(biāo)

      3.2.1 設(shè)計要求

      在設(shè)計上除符合一般污染控制要求以外，應(yīng)特別強調(diào)如下一些要求：

          a. 采用與空氣隔離的閉式油箱   減少油液直接與空氣接觸，并且應(yīng)設(shè)置放氣活門，便于地面隨時排氣。

          b. 在回油路的高點和附件集中區(qū)設(shè)置排氣閥，排氣閥應(yīng)便于操作，因為每次飛行前都應(yīng)進(jìn)行排氣，應(yīng)有快卸口蓋。

          c. 與地面設(shè)備接口和機身分離口及加油均應(yīng)設(shè)快速接頭，盡量減少操作時進(jìn)入空氣。

          d. 濾油器濾碗處必須設(shè)快速切斷閥，以保證在拆下濾碗時能將油路迅速切斷，以防大量空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

          e. 盡量避免死區(qū)、盲端等易積氣區(qū)域，如有應(yīng)設(shè)排氣裝置。

     3.2.2 使用維護(hù)要求

      防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)，維護(hù)工作是重要的一環(huán)，除人員素質(zhì)必須經(jīng)專門培訓(xùn)以外，必須有下述一些方面的規(guī)定。

         a. 油液  加油車的油液必須經(jīng)過凈化，空氣含量不超過6%；

         b. 加油車中油液的增壓方式不允許用氣體直接增壓。

         c. 維修中拆卸導(dǎo)管、附件和濾碗后全系統(tǒng)必經(jīng)地面設(shè)備連網(wǎng)凈化，排除各部分可能進(jìn)入的空氣；污染度檢測，除符合固體污染度等級以外，空氣含量應(yīng)不超過6%要求。

         d. 油液凈化裝置   必須采用可以真空排氣的地面凈化裝置，現(xiàn)行的僅僅過濾凈化裝置是無法排氣的。

     3.2.3 關(guān)于采用閉式油箱的排氣問題

         閉式油箱是現(xiàn)代軍機所必須采用的，它隔絕了空氣和空氣中的固體污染物及水分。但是它也存在著一旦空氣進(jìn)入系統(tǒng)中，排除就困難的問題。為液壓泵進(jìn)口提供足夠的流量，保證在發(fā)動機啟動時也能提供增壓壓力，地面停放時也必須有增壓，例如，國產(chǎn)的幾種機型，油箱由彈簧增壓壓力為0.01 MPa～0.02MPa，而引進(jìn)的某機型用蓄壓器氣腔增壓，地面停放時仍有0.12MPa的表壓壓力，此種壓力的空氣飽和溶解度約為22%，所以即使在停機時，油箱通過放氣閥排氣，也只能是排除比22%多的空氣，系統(tǒng)其他部分空氣的含量必將超過22%，所以有資料介紹，閉式油箱的系統(tǒng)含空氣量超過30%。

 

        筆者根據(jù)自己在全機模擬試驗中的體會，排氣十分困難。當(dāng)維修后，即使是每天首先從排氣閥門放氣，以及擰開最高點管路上的螺母放氣后，測出的壓力、脈動壓力、流量等參數(shù)都是很不規(guī)律的，噪聲也很大，直到反復(fù)放氣，開機一段時間以后，再停機放氣，多次反復(fù)，測試的數(shù)據(jù)才能有一定的重復(fù)性。由于該機種油箱的彈簧增壓壓力為0.01 MPa，加上活塞膠圈的摩擦力，此時空氣含量最少也不低于15%，是否還會有氣蝕的產(chǎn)生，當(dāng)時也無法測試。所以閉式油箱的液壓系統(tǒng)，在維修后的排氣是至關(guān)重要的，除通過排氣活門排氣以外，還必須經(jīng)地面凈化設(shè)備連網(wǎng)凈化，通過真空排氣，才有可能達(dá)到小于10%進(jìn)而達(dá)到6%的指標(biāo)。

     4       結(jié)論   

        油液的污染除固體顆粒和水以外，空氣污染的危害也不可忽視，污染控制工程開展到今天，除應(yīng)進(jìn)一步深化固體顆粒污染控制以外，治理空氣污染也應(yīng)提到日程上來了，國外有關(guān)報導(dǎo)，固體污染度降低一級，壽命延長一倍；油溫降低8℃，油液壽命也能延長一倍，如果我們能將油液的污染度控制在GJB420 A  7級以內(nèi)，空氣含量不超過6%，則我們真的可以實現(xiàn)，液壓系統(tǒng)長壽命無故障的工作，為國家節(jié)約資源、節(jié)省能源和提高勞動生產(chǎn)率，將是不可估量的數(shù)字。

 

參考文獻(xiàn)

 

       ［1］（日）竹中利夫  蒲田英三著   液壓流體力學(xué)   科學(xué)出版社   1980

       ［2］鄧起孝、昌滋著  流體液壓系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法   中國建筑工業(yè)出版社  1985

       ［3］胡云龍、夏立成  液壓系統(tǒng)的空氣污染與試驗分析  中國航空學(xué)會論文   2004

 

    作者簡介

    胡云龍：男，1962年出生，河北懷柔人，高級工程師，1982年畢業(yè)于南京航空學(xué)院，就業(yè)于航空工業(yè)618所自動控制專業(yè)，后創(chuàng)業(yè)于威海戥同測試設(shè)備有限公司。航空學(xué)會會員，會員證：E12800014017M。

     夏立成：男，1937年出生，沈陽市人，高級工程師，1962畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，就業(yè)于航空工業(yè)601所液壓控制專業(yè)，現(xiàn)服務(wù)于威海戥同測試設(shè)備有限公司，研究方向，油液的污染控制。