民用飞机液压系统油液污染及其控制分析论文
根据污染物存在的形式, 可分为固态污染物(固体颗粒)、气态污染物和液态污染物。污染物的上述三种状态在外部环境改变时, 可能相互转化。
1 固态污染物(固体颗粒)特性及危害
固体颗粒是引起油液污染及机械磨损排在第一位的因素, 也是污染控制研究的主要对象,世界各国都有广泛研究,总结起来有如下几个特性。
( 1 ) 细微性。
我们所研究的固体颗粒也是以微米为计量单位的物质, 肉眼可见的最小颗粒尺寸为40μm,不同类型的微小固体颗粒尺寸范围见表1。
( 2 ) 沉降性。
存在于油液中的固体颗粒都受到三种力的作用,一是重力,二是扩散力,三是浮力;当重力大于浮力和扩散力时,就会自然下沉, 称为沉降性。
( 3 ) 聚集性。
细颗粒粘结或聚集成团块的现象称为聚集性, 在大多数情况下是不利的。
( 4 ) 吸附性。
如同墙壁落灰一样, 油液在系统内流动时污染物也会附着在壁面上, 并逐渐增厚,当受到外界振动冲击后会一起脱落,造成集中污染。它比分散污染更为有害,甚至是致命危害。
如果颗粒的硬度等于或小于表面的硬度, 表面的磨损量就很小。只有当颗粒硬度大于金属表面硬度时, 才能对金属表面产生磨损;反之,颗粒硬度小于金属表面硬度时, 对金属产生的磨损作用是很小的。
( 6 ) 催化作用。
油液中的水和空气, 以及热能是油液氧化的必要条件, 而油液中的金属微粒对油液氧化起着重要的催化作用。试验研究表明,当油液中同时存在金属颗粒和水时,油液的氧化速度急剧增快, 铁和铜的催化作用使油液氧化速度分别增加1 0和3 0倍以上。
固体颗粒污染的危害主要表现如下。
1 . 1 运动件表面磨损引起功能失效
( 1 )液压泵和液压马达功能失效。高速运转中的配油盘与转子、柱塞与柱塞孔等部件,都是在大载荷、小间隙条件下工作,油中的固体污染物可破坏油膜,划伤运动表面。
( 2 )齿轮齿面磨损引起失效各种齿轮。在工作中是滑动和滚动同时存在, 而齿轮的主要工作状态是重载、薄油膜,大于油膜厚度尺寸的固体污染物又都能进入齿面接触区,造成齿面的剧烈磨蚀,硬度大的颗粒划伤更为严重;此外,重载摩擦的瞬时高温可使齿面产生凹痕, 反复工作使表面疲劳破坏, 引起机械失效。
( 3 )其他元件表面破坏各种类型的运动件。如轴承、油缸筒、阀类以及密封装置等,都会因油液污染并在高压、高温和高速条件下不断破坏工作表面, 到一定程度引起功能失效。
( 4 )密封胶圈的破坏胶圈是流体系统不可缺少的密封装置, 密封件的寿命与油液固体污染度息息相关,污染度越高,固体颗粒嵌入胶圈摩擦面的机会越多, 造成胶圈被划伤、剥落。
1 . 2 金属颗粒促进油液氧化变质
由于油液中进入水份和空气, 可引起油液乳化,也可产生微生物和胶质状物质,更易引起酸碱度的变化, 尤其是在某些金属微粒的作用下产生严重的腐蚀, 还可能产生偶发故障。
1 . 3 堵塞网孔
因油液变质生成微生物和各种胶状物质,可堵塞各类滤油器的网孔,造成滤油器功能提前失效;油滤失效后,可引起微孔被堵塞,或者是伺服阀的喷嘴挡板被堵塞,造成伺服控制系统失去控制功能, 酿成严重后果。
1 . 4 油液粘度变化
粘度是液压油的重要指标, 要求能满足低温条件下顺利起动, 也可以保证高温条件下的润滑性能,在水、空气和金属微粒的作用,破坏了油液的理化性能,也破坏了油液的粘度指标,无法满足高、低温条件下的工作需要。
2 水污染特性及危害
液压系统难免在不同程度上存在着水份。水可以溶解在油中(称为溶解水) ,也可以自由状态存在于油中(称游离水)。自由状态水可以是沉淀水或乳化液; 沉淀水由长期静止的水珠形成, 存在于液体的底部或顶部,这取决于它们的比重。对矿物油,水一般沉淀于底部, 对磷酸酯或含氯碳氢化合物等合成液,则浮于顶部。在充分搅动的情况下,如通过泵的多次循环,水与液体可组成乳化液。
水对液压系统的危害也是相当严重的,它可使油液粘度下降,破坏油膜,引起严重的机械磨损;可产生酸性物质,增加油液的酸值,对系统增加腐蚀;在低温下,游离水常以冰块形式存在, 会引起运动件被卡住;水的含量超过3 0 0 p pm就可以引起碳素钢或合金钢生锈,造成滑阀被卡死,操纵系统无法正常工作, 现实中发生过因水污染飞机起落架放不下的故障。
3 空气污染特性及危害
液压油中溶解空气是不可避免的, 液压油中空气溶解量是依压力和温度的不同而不同,随着压力的增加,各种液体饱和溶解度都是呈线性的增加,同时又随温度的降低而不同程度的减小。
正因如此, 在液压系统中不同位置其压力是不同的,随着压力的降低,超过饱和溶解度的空气就会逸出成游离态, 而当压力升高时又溶解, 所以空气在系统中有时溶解有时逸出, 这种时隐时现的变化过程对系统有很大的危害, 是系统中的顽症。空气在液压油中也是两种状态存在,一是溶解在油中,一是以游离状态存在。以游离状态存在对系统的破坏最为严重。其危害主要表现为:
3 . 1 降低油液的`弹性模量
当油液中有游离气体存在时, 就大幅度降低油液的弹性模量。例如:液压油在无游离气体时弹性模量平均值为1 5 1 0MP a ,如果夹杂空气,油液的弹性模量会降到3 5 3M P a以下,能造成系统响应迟缓,工作不稳定,会影响飞机操纵的跟随性,影响操纵力的稳定。由于这一故障的发生是随机的,有太多的不确定性因素, 造成故障现象不易再现, 也为故障分析工作造成困难。
3 . 2 产生气蚀
当系统的油液由低压区进到高压区时,气泡会瞬间被压缩破灭,此时产生的局部高温和高压冲击, 造成元件表面恶化和剧烈振动,气泡破裂会产生巨大的冲击力。
3 . 3 引起电液伺服阀工作失灵
现代飞机大量采用电传操纵, 大量应用电液伺服阀, 以实现快速准确的改变飞机姿态,而当油液中有微小气泡出现时,气泡会影响节流孔的通油能力, 可影响力矩马达的正常工作, 造成伺服阀工作瞬间失灵,影响操纵特性,自动化程度越高此项问题越突出。
3 . 4 增加系统的温升
当油液中气体含量太多, 低压区必然游离出气泡, 而气泡被压缩耗费的能量转变成热量,引起系统温升严重,温度过高会带来一系列弊病,例如:胶圈老化,系统漏油,油液润滑性能变差引起磨损严重,有资料介绍,当系统中油液温度降低8℃ ,油液寿命即可延长一倍。
3 . 5 促进油液氧化变质
空气含量增多必然对油液产生氧化腐蚀,增加油液的酸值,缩短油液的使用寿命。此外,气泡可破坏油膜,造成摩擦副失去润滑, 既破坏了摩擦表面又生成了大量污染颗粒, 等等。总之系统中空气含量增加, 给系统带来的危害是巨大的。
4 污染控制及设计要求
系统污染度控制, 材料选择和结构设计各环节都十分重要。
4 . 1 结构设计中应贯彻提高附件污染耐受度原则
应合理的选择间隙和最小孔径, 尽可能降低因污染所能引起的严重后果; 在选择材料和磨擦副时应贯彻低污染生成率原则, 因低的污染生成率是降低系统污染度等级的关键环节。除产品交付之前就带进系统的污染物以外, 污染物主要是在工作过程中生成的, 关键的摩擦副应选择有试验结论的材料和参数。
4 . 2 过滤设计
过滤设计是系统设计时不可忽视的重要内容, 首先是装机滤油器的参数选择和配置方案, 其次是采用地面净化装置定期净化。
将系统工作中自身生成的和外面侵入的各种固体污染物从油液中清除, 最普遍使用的方法是过滤。利用多孔性的介质滤除油液中非可溶性固体颗粒的元件称为滤油器。滤油器可分为表面型和深度型两大类, 表面型滤油器的通孔认为大小是均匀的,因而,所有大于通孔尺寸的污染颗粒均能被堵截在表面, 而小于通孔尺寸的颗粒均能通过。深度型过滤器的过滤元件为多孔性材料,内有曲折迂回的通道,对固体颗粒的清除主要是靠堵截沉积和吸附作用,深度型过滤器过滤介质的孔径是不均匀的, 它的过滤作用有更大的机率性。
4 . 3 推广采用封闭式油箱
液压油箱中的油液与空气直接接触,即开式油箱, 是外界污染物进入液压系统的主要渠道, 尽管开式油箱都加“ 呼吸器”阻挡空气中灰尘进入, 但是这种滤网起到的作用仍然有限。另外,大气中的水分和空气都通过开式油箱进入系统, 它的危害在前面已经阐述。采用封闭式油箱,隔绝油液与大气的通道, 是堵截污染物侵入系统的有效方案。
5 结语
通过对各种污染物的分析和研究有利于系统设计时更好地实现污染度控制的目标, 以保证飞机液压系统平稳、安全、有效地运行。
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