飛機液壓系統(tǒng)的污染分析與污染控制

史飛

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司,遼寧沈陽 110000)

飛機液壓系統(tǒng)的污染分析與污染控制

史飛

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司,遼寧沈陽 110000)

本文分析了飛機液壓系統(tǒng)污染的形式,及油液污染物的種類與危害。從設(shè)計、加工、裝配等方面提出液壓系統(tǒng)污染的控制方法。

液壓系統(tǒng) 污染磨損 污染物 污染控制

液壓系統(tǒng)中存在對其工作、壽命和可靠性有害的物質(zhì)和能量統(tǒng)稱為液壓系統(tǒng)污染。飛機液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是液壓油，凡是油液成分以外的任何物質(zhì)都認(rèn)為是污染物。由于液壓系統(tǒng)的工作特點，油液不可避免地混入有害雜質(zhì)，相關(guān)污染物包括固體顆粒物、水分、空氣、化學(xué)物質(zhì)、微生物、靜電、熱能、磁場等。飛機液壓系統(tǒng)污染加劇磨損，加速工作液性能劣化，導(dǎo)致元件性能衰降，顆粒物堵塞和淤積，引起性能衰降，突發(fā)性失效，有些故障甚至直接危及飛行安全。

1 主要污染形式

1.1 污染磨損

污染磨損是液壓系統(tǒng)污染的主要形式，也是液壓系統(tǒng)元件失效的主要原因。工作液體中的固體顆粒物引起磨粒磨損，占到磨損總量的80%。此外，油液中的水、有害化學(xué)物質(zhì)和空氣、各種能量可引起液壓元件腐蝕磨損、氣蝕磨損。圖1為污染磨損的主要分類。

1.2 堵塞與卡滯

液壓系統(tǒng)清潔度控制不佳，大量污染物混入堆積，堵塞液壓閥的孔口和間隙 造成液壓系統(tǒng)工作障礙，功能下降或喪失。部分污染物，在摩擦力作用下則可能進入間隙并引起運動副的卡滯。

2 污染物及危害

2.1 固體顆粒

固體顆粒是液壓系統(tǒng)最基本的污染物，其他污染物如水、空氣、

圖1 污染磨損分類

圖2 切削磨損

圖4 粘著磨損

圖5 沖蝕磨損

圖3 疲勞磨損氯化物等引起的材料腐蝕脫落，最終也可能以固體顆粒形式出現(xiàn)。固體顆粒污染物是引起液壓系統(tǒng)性能故障，使用可靠性降低和附件使用壽命短的主要因素。尺寸較大的固體顆粒進入液壓泵、液壓閥時，污物顆粒會卡住閥芯等活動零件，使閥動作失靈。一些微粒隨著介質(zhì)在閥芯、閥套間隙內(nèi)停留導(dǎo)致淤塞，可能引起液壓泵或液壓閥卡滯堵塞，節(jié)流孔、油濾堵塞，使系統(tǒng)傳動速度下降或失效。顆粒物還可能引起濾網(wǎng)堵塞，液壓泵吸油困難，回油不暢而產(chǎn)生噪音、發(fā)熱、振動等，堵塞嚴(yán)重時會因阻力過大而將濾網(wǎng)擊穿，完全喪失過濾作用，造成液壓系統(tǒng)的惡性循環(huán)。尺寸相對微小的固體顆粒對系統(tǒng)的污染主要表現(xiàn)在磨損元件的表面，固體顆粒進入運動副間隙，增強了磨擦力，引起切削磨損、疲勞磨損、粘著磨損、沖蝕磨損，造成元件滑動面破壞，間隙增大，出現(xiàn)系統(tǒng)滲漏，降低油液的性能，導(dǎo)致液壓元件失效。相關(guān)磨損機理如下。

(1)切削磨損；圖2所示，尺寸與運動副間隙相當(dāng)?shù)念w粒進入間隙內(nèi)，嵌入在其中材質(zhì)較軟的表面上，對相對運動的另一表面產(chǎn)生切削作用。

(2)疲勞磨損；圖3所示，進入運動副中的顆粒對材料表面產(chǎn)生輾壓，使材料產(chǎn)生塑性變形和應(yīng)力，然后在表面出現(xiàn)初始裂紋，反復(fù)作用引起裂紋擴展，形成空洞，最后導(dǎo)致表面材料剝離。

(3)粘著磨損；圖4所示，固體顆粒與運動表面的相互作用使表面材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生凸起和凹陷，經(jīng)過粘著——剪切——再粘著——再剪切的循環(huán)過程，導(dǎo)致運動表面的粘著磨損。

圖6 氣蝕磨損

(4)沖蝕磨損；圖5所示，當(dāng)液流高速度流經(jīng)元件表面時，其中的固體顆粒對表面產(chǎn)生沖擊而引起沖蝕磨損。

2.2 水分

水是液壓系統(tǒng)的重要污染物。水與油液中金屬硫化物和氯化物(來自某些添加劑)以及某些氧化物作用產(chǎn)生酸類物質(zhì)，不僅會腐蝕元件，還會增加油液的酸值；水能使油液乳化，改變油液粘度，降低油液的潤滑性能；在低溫工作條件下，油液中的微粒水珠凝結(jié)成冰粒，堵塞控制元件的間隙或小孔，引起系統(tǒng)故障。

2.2.1 乳化液堵塞

水分在液壓油中能生成極難破壞的乳化液，當(dāng)有表面活性物質(zhì)時(添加劑及烴的氧化產(chǎn)物)，乳化液的穩(wěn)定性得到加強。油水乳化液能引起系統(tǒng)工作的各種故障，粘稠的有機物吸附在微小水滴的表面，乳化液生成油垢，堵塞過濾器、泵和調(diào)節(jié)設(shè)備。由于油水乳化液的粘度和密度同原工作液不同，液壓系統(tǒng)個別機件的協(xié)同動作被破壞，引起工作失調(diào)。

2.2.2 氧化腐蝕

液壓油中存在的水分可加速氧化過程和腐蝕過程．當(dāng)水分和無機污染物(金屬顆粒。它們是氧化催化劑)一起作用時．工作液的烴共氧化程度會加強。當(dāng)水存在時，氧化作用加大，增加了油的酸性，使液壓油對金屬的腐蝕作用加劇。

2.2.3 滋生微生物

液壓油中的水分子是微生物在油液中賴以生存的必要條件，微生物在脫水油液內(nèi)無法繁殖，在浸水油中繁殖迅速。微生物的生命活動產(chǎn)生有機酸和礦物酸、氨、硫、二氧化碳、硫化氫等具有侵蝕性的物質(zhì)，從而加速了化學(xué)腐蝕的過程，使液壓系統(tǒng)的金屬元件腐蝕加劇。大量微生物的生成還將引起油液的變質(zhì)劣化，降低油液的潤滑性能。

2.3 空氣

空氣是液壓系統(tǒng)的重要污染物，可造成液壓元件氣蝕與系統(tǒng)剛性損失。空氣中含有氧，對油液的氧化作用引起油液化學(xué)性能變化，產(chǎn)生腐蝕作用。

2.3.1 氣蝕

飛機液壓系統(tǒng)在工作過程中，壓力在不斷改變，空氣在液體中的溶解度與液體壓力成正比，當(dāng)系統(tǒng)壓力減少時，溶解在液體內(nèi)的氣體逸出，形成懸浮汽泡。當(dāng)工作壓力增大，液體壓力高于汽泡內(nèi)的汽化壓力，汽泡潰滅形成空穴，周圍液體瞬間以高速度沖向空穴，產(chǎn)生液壓撞擊，液壓系統(tǒng)零件表面會受到連續(xù)打擊，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，見圖6。這種撞擊頻率極高(可達2000～3000Hz)，金屬表面因沖擊疲勞而剝裂。若汽泡內(nèi)夾雜活性氣體，它們借助汽泡凝結(jié)時放出的熱量，還會形成熱電偶，產(chǎn)生電解，形成電化學(xué)腐蝕作用，加速了金屬剝蝕速度。

2.3.2 剛性損失

空氣具有較大壓縮性，當(dāng)油液中混入空氣時，其體積彈性模量顯著減小，如液壓油中混入1%空氣，體積彈性模量降到純油的5%，液壓油傳遞壓力的特性由剛性變?yōu)槿嵝裕饌鲃觿幼鬟t緩，造成液壓系統(tǒng)壓力傳遞的部位定性。

2.4 氯化物

液壓油中所含氧化液是液壓油合成中的一種脫脂劑，受到系統(tǒng)溫度影響后分解成氯的化合物。由于油液中水分的存在，氯在油液中的零件表面產(chǎn)生酸類，對金屬表面產(chǎn)生腐蝕作用。飛機液壓系統(tǒng)液壓油中的含氯量通常控制在l00ppm內(nèi)，當(dāng)液壓油含氯量超過200ppm，腐蝕作用會增強。

2.5 其他污染物

靜電、磁場、熱能、放射線等能量對液壓系統(tǒng)也可能造成有害影響，應(yīng)視為污染物。靜電引起電化學(xué)腐蝕，并且能引起從礦物基液壓油中揮發(fā)出來的碳氫化合物燃燒；磁場的吸力可使鐵磁性的磨屑吸附在元件表面和間隙內(nèi)，引起元件的污染磨損、堵塞、卡滯故障；系統(tǒng)中過多的熱能使油溫升高，導(dǎo)致潤滑性能降低和粘度下降。

3 污染控制

飛機液壓系統(tǒng)污染控制的目的是使液壓系統(tǒng)中所有附件取得可接受的污染工作壽命和可靠性，使液壓系統(tǒng)成為高效能的、安全可靠的系統(tǒng)。

3.1 設(shè)計階段

(1)正確合理布置系統(tǒng)濾油裝置，使系統(tǒng)的過濾精度、過濾效率、納污容量滿足使用要求，保證系統(tǒng)有足夠的污染自凈化能力。(2)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，盡量減少和消除污染源，使系統(tǒng)工作時侵入污染最少，排油、排氣裝置都應(yīng)有可靠的防污染措施。液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于污染物的清除，使污染物不易滯留和淤積，盡量減少盲孔和盲端集油區(qū)。鑄、鍛、焊接件內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)便于型砂、氧化皮和焊渣的清除。(3)選取合理的管徑及管路材質(zhì)，在管路布置上減少彎曲管道，減少接頭數(shù)量，避免因液壓油在管路中受阻而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱或產(chǎn)生銹蝕的情況。在吸油區(qū)和回油區(qū)之間設(shè)置隔板，以保證系統(tǒng)有足夠的時間沉淀雜質(zhì)、分離汽泡及降低油溫。油箱應(yīng)設(shè)置空氣過濾裝置，防止空氣中的水氣、雜質(zhì)進入，并使用防銹底漆，防止內(nèi)壁銹蝕。(4)選用的液壓油應(yīng)具備合適的粘度、合適的固體顆粒污染等級，并考慮液壓油的抗氧化性、抗乳化性及是否有耐磨添加劑等。同時還需考慮液壓工作介質(zhì)與密封材料的相容性等。

3.2 制造階段

(1)注重零件表面的加工質(zhì)量，防止殘留或粘連的切削、毛刺、焊渣在液壓系統(tǒng)裝配及工作時脫落。零件加工工藝規(guī)程中設(shè)置清洗工序，并檢驗執(zhí)行情況，徹底清除加工組裝過程中殘留的污染物。(2)零件裝配后，嚴(yán)格進行清洗與檢驗，以保證達到所要求的清潔度等級。合理地選擇清洗液流向、流速、流態(tài)、溫度及清洗段次、層次，防止系統(tǒng)和附件在清洗過程中被污染，防止交叉污染，重視對液壓系統(tǒng)導(dǎo)管及死角處的清洗。(3)各元件組裝時，保持環(huán)境的清潔。檢測設(shè)備具備高效清除污染、防止污染侵入、良好的污染監(jiān)控、準(zhǔn)確的污染評定等能力，不能引起系統(tǒng)污染。

3.3 使用維護階段污染控制

預(yù)防從各種接口，如加油口、增壓接頭和蓄壓器充氣接頭等混入污染物；防止在拆、裝、換附件的過程中混入污染物。相關(guān)地面保障設(shè)備、油泵車、試驗臺、試車架應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進行保養(yǎng)，規(guī)范操作，使其處于良好狀態(tài)，避免污染系統(tǒng)。加入系統(tǒng)的液壓油必須符合規(guī)定，化驗、批準(zhǔn)手續(xù)齊全，新油也應(yīng)進行檢查和過濾。加強監(jiān)控，確定目標(biāo)清潔度、取樣點、取樣頻度，規(guī)范方法，提高測試設(shè)備性能和改進監(jiān)控手段。

4 結(jié)語

液壓系統(tǒng)作為飛機系統(tǒng)的重要組成部分和主要執(zhí)行機構(gòu)，液壓元件的性能、可靠性、使用壽命在很大程度上取決于工作介質(zhì)的污染水平。分析掌握污染物的種類、形式、危害，為降低飛機液壓系統(tǒng)故障提供了依據(jù)。通過對污染物的的控制可以有效減少飛機液壓系統(tǒng)的故障。

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