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民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)油液污染及其控制分析論文
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, 可能相互轉(zhuǎn)化。
1 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象,世界各國都有廣泛研究,總結(jié)起來有如下幾個特性。
( 1 ) 細(xì)微性。
我們所研究的固體顆粒也是以微米為計量單位的物質(zhì), 肉眼可見的最小顆粒尺寸為40μm,不同類型的微小固體顆粒尺寸范圍見表1。
( 2 ) 沉降性。
存在于油液中的固體顆粒都受到三種力的作用,一是重力,二是擴(kuò)散力,三是浮力;當(dāng)重力大于浮力和擴(kuò)散力時,就會自然下沉, 稱為沉降性。
( 3 ) 聚集性。
細(xì)顆粒粘結(jié)或聚集成團(tuán)塊的現(xiàn)象稱為聚集性, 在大多數(shù)情況下是不利的。
( 4 ) 吸附性。
如同墻壁落灰一樣, 油液在系統(tǒng)內(nèi)流動時污染物也會附著在壁面上, 并逐漸增厚,當(dāng)受到外界振動沖擊后會一起脫落,造成集中污染。它比分散污染更為有害,甚至是致命危害。
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, 才能對金屬表面產(chǎn)生磨損;反之,顆粒硬度小于金屬表面硬度時, 對金屬產(chǎn)生的磨損作用是很小的。
( 6 ) 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油液氧化起著重要的催化作用。試驗研究表明,當(dāng)油液中同時存在金屬顆粒和水時,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1 0和3 0倍以上。
固體顆粒污染的危害主要表現(xiàn)如下。
1 . 1 運動件表面磨損引起功能失效
( 1 )液壓泵和液壓馬達(dá)功能失效。高速運轉(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,劃傷運動表面。
( 2 )齒輪齒面磨損引起失效各種齒輪。在工作中是滑動和滾動同時存在, 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。
( 3 )其他元件表面破壞各種類型的運動件。如軸承、油缸筒、閥類以及密封裝置等,都會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。
( 4 )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)會越多, 造成膠圈被劃傷、剝落。
1 . 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。
1 . 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。
1 . 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, 也可以保證高溫條件下的潤滑性能,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),無法滿足高、低溫條件下的工作需要。
2 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。對礦物油,水一般沉淀于底部, 對磷酸酯或含氯碳?xì)浠衔锏群铣梢?則浮于頂部。在充分?jǐn)噭拥那闆r下,如通過泵的多次循環(huán),水與液體可組成乳化液。
水對液壓系統(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,對系統(tǒng)增加腐蝕;在低溫下,游離水常以冰塊形式存在, 會引起運動件被卡住;水的含量超過3 0 0 p pm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)無法正常工作, 現(xiàn)實中發(fā)生過因水污染飛機(jī)起落架放不下的故障。
3 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,同時又隨溫度的降低而不同程度的減小。
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,超過飽和溶解度的空氣就會逸出成游離態(tài), 而當(dāng)壓力升高時又溶解, 所以空氣在系統(tǒng)中有時溶解有時逸出, 這種時隱時現(xiàn)的變化過程對系統(tǒng)有很大的危害, 是系統(tǒng)中的頑癥�？諝庠谝簤河椭幸彩莾煞N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)存在對系統(tǒng)的破壞最為嚴(yán)重。其危害主要表現(xiàn)為:
3 . 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1 5 1 0MP a ,如果夾雜空氣,油液的彈性模量會降到3 5 3M P a以下,能造成系統(tǒng)響應(yīng)遲緩,工作不穩(wěn)定,會影響飛機(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。
3 . 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。
3 . 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,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。
3 . 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。
3 . 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, 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)帶來的危害是巨大的。
4 污染控制及設(shè)計要求
系統(tǒng)污染度控制, 材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計各環(huán)節(jié)都十分重要。
4 . 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(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程中生成的, 關(guān)鍵的摩擦副應(yīng)選擇有試驗結(jié)論的材料和參數(shù)。
4 . 2 過濾設(shè)計
過濾設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計時不可忽視的重要內(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。深度型過濾器的過濾元件為多孔性材料,內(nèi)有曲折迂回的通道,對固體顆粒的清除主要是靠堵截沉積和吸附作用,深度型過濾器過濾介質(zhì)的孔徑是不均勻的, 它的過濾作用有更大的機(jī)率性。
4 . 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。
5 結(jié)語
通過對各種污染物的分析和研究有利于系統(tǒng)設(shè)計時更好地實現(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、有效地運行。
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