民用飛機液壓系統油液污染及其控制

張存訪

摘 要：系統工作中不需要的物質，并對系統產生有害的作用，此種物質統稱為污染物。油液污染是引起各種機械壽命縮短和工作故障的主要因素。據不完全統計，因機械故障導致的飛機失事中，20%左右是由于液壓系統污染引起的，而其中70%以上的故障是因液壓油的污染造成的。液壓系統的污染控制現已發展成為一項專門的技術，它主要包括污染物的分析和檢測；油液中污染物的凈化；控制污染物的來源，減少污染物的生成等等。液壓系統污染度控制是民用飛機液壓系統設計中非常關鍵的一項內容。

關鍵詞：民用飛機；液壓系統設計；污染度控制；

中圖分類號：V233 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

1 引言

根據污染物存在的形式，可分為固態污染物（固體顆粒）、氣態污染物和液態污染物。污染物的上述三種狀態在外部環境改變時，可能相互轉化。

2 固態污染物（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，總結起來有如下幾個特性：

a. 細微性

我們所研究的固體顆粒也是以微米為計量單位的物質，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。

表1常見固體顆粒的尺寸范圍

從式中可知，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。 只有當顆粒硬度大于金屬表面硬度時，才能對金屬表面產生磨損；反之，顆粒硬度小于金屬表面硬度時，對金屬產生的磨損作用是很小的。

f. 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10和30倍以上。

固體顆粒污染的危害主要表現如下：

2.1運動件表面磨損引起功能失效

a. 液壓泵和液壓馬達功能失效 高速運轉中的配油盤與轉子、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。

b. 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是重載、薄油膜，大于油膜厚度尺寸的固體污染物又都能進入齒面接觸區，造成齒面的劇烈磨蝕，硬度大的顆粒劃傷更為嚴重；此外，重載摩擦的瞬時高溫可使齒面產生凹痕，反復工作使表面疲勞破壞，引起機械失效。

c. 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。

d. 密封膠圈的破壞 膠圈是流體系統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，污染度越高，固體顆粒嵌入膠圈摩擦面的機會越多，造成膠圈被劃傷、剝落。

2.2金屬顆粒促進油液氧化變質

由于油液中進入水份和空氣，可引起油液乳化，也可產生微生物和膠質狀物質，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生嚴重的腐蝕，還可能產生偶發故障。

2.3堵塞網孔

因油液變質生成微生物和各種膠狀物質，可堵塞各類濾油器的網孔，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，造成伺服控制系統失去控制功能，釀成嚴重后果。

2.4油液粘度變化

粘度是液壓油的重要指標，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，無法滿足高、低溫條件下的工作需要。

3 水污染特性及危害

液壓系統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），也可以自由狀態存在于油中（稱游離水）。自由狀態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，對磷酸酯或含氯碳氫化合物等合成液，則浮于頂部。在充分攪動的情況下，如通過泵的多次循環，水與液體可組成乳化液。

水對液壓系統的危害也是相當嚴重的，它可使油液粘度下降，破壞油膜，引起嚴重的機械磨損；可產生酸性物質，增加油液的酸值，對系統增加腐蝕；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300ppm就可以引起碳素鋼或合金鋼生銹，造成滑閥被卡死，操縱系統無法正常工作，現實中發生過因水污染飛機起落架放不下的故障。

4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（如下圖1），同時又隨溫度的降低而不同程度的減小。

圖 1 典型液體空氣溶解度

正因如此，在液壓系統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，而當壓力升高時又溶解，所以空氣在系統中有時溶解有時逸出，這種時隱時現的變化過程對系統有很大的危害，是系統中的頑癥。

空氣在液壓油中也是兩種狀態存在，一是溶解在油中，一是以游離狀態存在。以游離狀態存在對系統的破壞最為嚴重。其危害主要表現為：

4.1 降低油液的彈性模量

當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，能造成系統響應遲緩，工作不穩定，會影響飛機操縱的跟隨性，影響操縱力的穩定。由于這一故障的發生是隨機的，有太多的不確定性因素，造成故障現象不易再現，也為故障分析工作造成困難。

4.2 產生氣蝕

當系統的油液由低壓區進到高壓區時，氣泡會瞬間被壓縮破滅，此時產生的局部高溫和高壓沖擊，造成元件表面惡化和劇烈振動，氣泡破裂會產生巨大的沖擊力。

4.3 引起電液伺服閥工作失靈

現代飛機大量采用電傳操縱，大量應用電液伺服閥，以實現快速準確的改變飛機姿態，而當油液中有微小氣泡出現時，氣泡會影響節流孔的通油能力，可影響力矩馬達的正常工作，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。

4.4 增加系統的溫升

當油液中氣體含量太多，低壓區必然游離出氣泡，而氣泡被壓縮耗費的能量轉變成熱量，引起系統溫升嚴重，溫度過高會帶來一系列弊病，例如：膠圈老化，系統漏油，油液潤滑性能變差引起磨損嚴重，有資料介紹，當系統中油液溫度降低8℃，油液壽命即可延長一倍。

4.5 促進油液氧化變質

空氣含量增多必然對油液產生氧化腐蝕，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。總之系統中空氣含量增加，給系統帶來的危害是巨大的。

5. 污染控制及設計要求

系統污染度控制，材料選擇和結構設計各環節都十分重要。

5.1 結構設計中應貫徹提高附件污染耐受度原則

應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重后果；在選擇材料和磨擦副時應貫徹低污染生成率原則，因低的污染生成率是降低系統污染度等級的關鍵環節。除產品交付之前就帶進系統的污染物以外，污染物主要是在工作過程中生成的，關鍵的摩擦副應選擇有試驗結論的材料和參數。

5.2過濾設計

過濾設計 是系統設計時不可忽視的重要內容，首先是裝機濾油器的參數選擇和配置方案，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的孔徑是不均勻的，它的過濾作用有更大的機率性。

5.3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，是外界污染物進入液壓系統的主要渠道，盡管開式油箱都加“呼吸器”阻擋空氣中灰塵進入，但是這種濾網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入系統，它的危害在前面已經闡述。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的有效方案。

6 結束語

通過對各種污染物的分析和研究有利于系統設計時更好地實現污染度控制的目標，以保證飛機液壓系統平穩、安全、有效地運行。

參考文獻

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