飞机液压系统油液的污染与控制.pdf

2 0 1 2年 5月 第 4 0卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ma v 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 5 0 飞机液压系统油液的污染与控制 赵维义，李岩 ，王 占勇，祁功道 海军航空工程学院青岛分院，山东青岛2 6 6 0 4 1 摘要飞机液压系统油液污染是危及飞行安全的一个重要因素。针对液压系统油液污染所造成的液压泵、伺服阀等元 件的失效问题，提出控制液压系统油液污染应从提高元件的耐污染度和降低油液的污染度着手，使两者达到合理平衡，以 保证液压系统的工作可靠性和元件的使用寿命。 关键词液压系统；油液污染；控制措施 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 I 2 0 1 2 1 01 5 73 Po l l ut i o n a n d Co n t r o l o f Oi l i n Hy dr a u l i c S y s t e m o f Ai r c r a f t Z H A O We i y i ，L I Y a n ，WA N G Z h a n y o n g ，Q I G o n g d a o Q i n g d a o B r a n c h o f N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d A s t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Oi l p o l l u t i o n o f a i r c r a f t h y d r a u l i c s y s t e m e n d a n g e r s fl i g h t s a f e t y b a d l y ． Ai me d a t t h e c o mp o n e n t i n v a l i d a t i o n o n h y - dr a ul i c p ump，s e r v o v a l v e a n d S O o n c a u s e d b y h y d r a u l i c p o l l u t a n t ，t he c o n t r o l l i n g p rinc i pl e s we r e b ring f o r wa r d，t ha t c o n t r o l l i ng po l l u t i o n s s h o u l d b e b a s e d o n t h e i mp r o v e me n t o f a n t i f o u l i n g p e r f o r ma n c e a n d t h e d e b a s e me n t o f o i l c o n t a mi n a t i o n l e v e 1 ．An d o n l y w h e n t h e t w o me a s u r e s a c h i e v e d b a l a n c e，r e l i a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d s e r v i c e l i f e o f c o mp o n e n t c o u l d b e e n s u r e d u l t i ma t e l y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ；Oi l p o l l u t i o n；Co n t r o l s o l u t i o n s 飞机液压系统污染往往导致系统性能的下降而造 成失效，已成为危及飞行安全的一个不可忽视的重要 因素 。据 统 计 ，液 压 系统 故 障 占机 械 系 统 故 障 的 4 O ％左 右 。而 飞 机 液 压 系 统 的故 障 至少 有 7 0 ％ ～ 7 8 ％是由油液污染而引起的，油液污染引起的故障主 要表现形式为液压附件 内部磨损 、串油 、卡滞等 ，导 致飞机液压 系统工作不稳定 、性能恶化 、液压 附件失 效等 ，特别是污染敏感性很高 的元件 如液压泵、 伺服机构和舵机、换向阀等 。如何最大限度地减少 系统污染 ，防止系统突发性故障，对提高飞机的使用 寿命和工作可靠性影响很大。 1 飞机液压系统污染物的危害 液压系统 的污染物是指混入油液 中对 系统工作性 能和元件使用寿命有危害作用的物质。其油液污染源 可分 为 3个 类 型 ，即潜在 污染 、侵 入污 染 和再 生 污 染 。油液污染物主要有 固体颗粒 、水 、气体 、化学物 质、微生物和能量型物质等。固体颗粒是存在于系统 油液中最常见的污染物，其造成的危害也最普遍。系 统因油液污染而造成的危害包括导管的失效和元件的 失效。液压元件的失效方式主要有突发性故障和性能 降低两种，其成因或是由于大颗粒坚硬污染物对零件 的卡滞 、划伤及损坏 ，或是由于污染物对零件的磨损 和侵蚀。零件的污染磨损包括腐蚀磨损 、气蚀磨损和 磨粒磨损，后者又主要由切削磨损 、疲劳磨损和黏着 磨损3种磨损形式。带有固体颗粒污染物的液流对零 件表 面的冲刷作用也会 引起该处 的疲劳磨损和切削磨 损 。 1 ． 1液压 泵失效 1 ． 1 ． 1 液 压泵 卡滞 液压泵 的污染磨损 主要取决 于颗粒污染物 的磨损 性 以及其 尺寸与关 键运动副间隙尺寸的相对关 系 小 于运动副间隙的颗粒即便是引起磨损也是很轻微的， 大于运动副 间隙的颗粒不能进入间隙 ，而尺寸与运动 间隙相当或稍大的颗粒 即具有临界颗粒尺寸者 ， 在摩擦力作用下则可能进人间隙并引起运动副的卡滞 和表面严重磨损。临界颗粒尺寸其实就是泵的关键运 动副 尺 寸 ，在 5～4 0 m 内。 根 据 资 料 介 绍 从 实 验 结 果 分 析 得 出 的 临界 颗 粒 尺 寸 的概 率分 布 图见 图 1 ， 可看 出，对于各类泵 ， 出现频率最高的临界 颗粒 尺 寸 大 致 在 3 0 m左右。 图 1 临界颗粒尺寸 的概率分布 在飞机上常用 的轴 向柱塞泵 中，关 键运动副间隙 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 1 作者简介 赵维义 1 9 6 0 一 ，男 ，硕士 ，副教授 ，研究方向为航空维修工程教学与研究。E m a i l h j h y z w s i n a ． c o m。 1 5 8 机床与液压 第4 0卷 主要是指柱塞与缸体、缸体与配油盘 、缸体与流量 调节机构 间的间隙 。柱塞卡滞就是具有 临界颗粒 尺寸 的污染物进入柱塞与缸体 的运动间隙所致 。柱塞 的卡 滞加剧了柱塞 的磨损 、恶化 了柱塞 的受力 ，其结 果是 有更多的柱塞卡滞甚至造成柱塞的折 断。如某型教练 机 曾经在 地 面冷 开 车 时，主液 压 系统 压 力很 快 由6 M P a 下降为 0 ，经检查发现这台装机飞行仅 2 h的液 压泵的一个柱塞头部折断，其余6个柱塞和已折断的 柱塞均 卡在转 子的柱塞腔 内。另外 ，柱塞泵流量 调节 机构的滑 阀运动 副 因颗粒 污染 卡滞 也 时有 发生 。如 2 0 1 1 年某 型飞机在 空 中飞行 时 ，飞行 员反 映 主液压 系统压 力过 大 ，超过 2 4 M P a ，飞 机着 陆后 ，机 组人 员拆下主液压 系统液压泵 ，更换新油泵 ，装机试 车检 查压力恢复正常 ；时隔 4天 ，机组人员进行预先机务 准备时 ，又发现同一 架飞机 主液压 系统压力超过规定 值 ，最高压力 超过 2 4 MP a ，调节液 压泵 的调 压螺塞 不起作用。故障原因就是临界颗粒污染物进入液压泵 的分油活 门与壳体之间的间隙 ，造 成液压泵分油活 门 卡滞而使调节部分调节失效 。 1 ． 1 ． 2 液压泵磨损 油液 中的固体污染颗粒 加剧液压泵相对运动零件 的表 面磨损 ，如齿轮泵 中的齿轮端面和侧板 、齿轮接 触表面，叶片泵中的叶片与转子，柱塞泵中的柱塞与 柱塞孔等。主要表现为由于污染磨损引起的内泄漏增 大 ，从而导致输 出流量下 降。有部分液压泵 尚未用到 寿命 的5 0 ％ 就 因磨 损 内泄漏 提前更 换 。如某 型机 飞 行 中 ，飞行员发现助力液压系统压力过低 ，着陆后机 组 人员发 现柱塞泵 的回油过滤器 内有大量金属屑 ，原 因是助力系统柱塞泵内部磨损 、泄漏量大，更换新柱 塞泵后故障排除，该柱塞泵仅用到使用寿命的2 0 ％。 1 ． 2伺 服 阀失效 飞机 上用得较 多的伺服控 制机构 是液压 助力器 ， 部分机种使 用 了电液伺 服机 构 液压 舵机 、电液压 力伺服阀 。由于电液伺服机构的配合精度高，伺服 系统要求的油液清洁度 5 _9级也 比其他高压液 压系统要求 的高一级 6 1 0级 ，所 以助力器 的污 染敏感度比其他液压元件高。飞机上的液压助力器故 障多数是因油液污染造成的控制滑阀的卡紧。当污染 颗粒 尺寸 小于运动副 间隙时 ，颗粒可随着油液流通 过 问隙，一般不会引起卡紧及磨损；当污染颗粒尺寸大 于运动副间隙时，颗粒不能进入间隙内，因而也不会 对运动副产生卡紧及磨损作用；如果尺寸与运动副相 等或稍大的颗粒在摩擦力的作用下就有可能进入运动 副 间隙 ，从 而引起运动副表面 的严重磨损或卡紧 ，如 图2 所示 。这一颗粒尺寸也就是伺服 阀最敏感 的尺 寸 ，称为 临界颗粒尺寸 。若系统油液 中的污染颗粒 尺 寸能控制在临界颗粒尺寸以下，阀就不易被卡紧及严 重磨损 。伺 服阀的滑 阀动态 间隙一般为 1～ 4 m，那 么其临界颗粒尺寸应在 1～ 5 m之间。当滑阀卡紧 在 中立位置时 ，操纵系统将出现杆重 ；卡紧在极 限位 置时 ，则 出现 自动倒杆故障 。如某型飞机飞行 中多次 出现驾驶杆 自动左倒 的故 障 ，经排故证 明是 因液压助 力器 的配油柱塞卡滞 所致 ，其根本原 因还是油液 的严 重污染 油液 中有泥沙状铁锈 和水 珠 。有 的飞机也 曾发生过助力器主配油柱塞卡滞而造成驾驶杆自动后 倒的故障，这些元件失效都严重危及飞行的安全。 与运 动 寸接 近 大于 运动 副 间 隙尺 寸 的颗粒 液体 图2 污染颗粒尺寸与伺服阀运动副问隙的关系 1 ． 3 滑 阀式换 向 阀失效 目前飞机液压 系统的方 向控制 阀大多数为滑 阀式 换向阀，其先导阀和主阀均采用滑阀型 ，故障率更高 些。最常见 的故 障和失 效形 式 是污 染磨 损 和污 染卡 紧 ，即颗粒 污染 物 随着泄 漏油 液进 入 滑 阀的环 形 间 隙，在阀芯和阀体相对运动表面产生磨损，使内泄漏 增大 ；或者颗 粒污染物在滑 阀间隙 内堵塞和淤积 ，以 至 引起污染卡紧 。由于换向阀先导阀的中立 弹簧 张力 有 限 ，在滑 阀紧涩时往往不能起到正常的控制作用 而 造成工作失效。如某型机由于换向阀控制柱塞紧涩及 表面有轴 向划伤 ，导致配油柱塞打开 的油道偏小 ，起 落架 收放速度变慢 。 1 ． 4溢流 阀失效 溢 流阀在飞机液压系统 中主要 用作安 全活门。现 在，供压系统中的安全活门都采用二级式，溢流阀由 于 阀芯和 阀座的接触部位对 污染 比较敏感 ，油液 中颗 粒污染物对溢流 阀的影响主要表现为不规则地磨损先 导阀 一 般 为钢珠 或锥 阀 和 阀座 的接触 表面 ，堵 塞主阀阀芯的阻尼孔 ，或堵塞运动零件 的间隙 ，加大 摩擦力，从而引起阀特性的改变甚至失效。如某机因 安全活 门的钢珠锈蚀 ，先导阀不密封导致 主阀提前 工 作 ，造成 系统压力提不高 。 1 ． 5 作动 筒失效 作动筒 的工作可靠 性很大程度取决 于其密 p 封性 能 。活 塞 密 封 的泄 漏 如 图 3所 示 ，泄 漏 量 O， 为 密封 和活 塞表 面微 观粗 糙 度 形 成 的缝 隙所 图3 活塞密封的泄漏 第 1 0期 赵维义 等飞机液压系统油液的污染与控制 1 5 9 致 ，Q 为筒内壁的油膜区的泄漏。密封作动筒的活 塞杆暴露在 污染环 境中 ，当它往 复运 动时必然会将外 界污染物带人作动筒 内。试验表明 在 恶劣的污染环 境 中，一 个 活 塞 杆 直 径 为 5 0 m m、运 动 速 度 为 1 2 m ／ ra i n 的作动筒 ，每分钟可带入筒内2 0 0 0 0个大于1 0 Ix m的颗粒污染物。污染物的带入引起密封的污染磨 损，表面粗糙度加深 ，使泄漏量 Q 增大。活塞密封 污染磨损 的直接后果是作动筒 内泄漏增大 ，轻则影响 液压系统对部件的传动速度 如某型飞机襟翼收放 速度变慢 的故 障多次 发生 ，重则 可能导致 作动筒 不 能保持所需的工作压力而无法传动。 2 液压系统污染控制的若干问题 2 ． 1 液压 系统 污染控 制 的 目的和基 本 内容 提高液压系统元件工作寿命和可靠性主要从提高 元件的耐污染度和降低油液的污染度两方面进 行 ，其 目的是使系统油液的污染度与关键液压元件的污染耐 受度达到合理的平衡，以保证液压系统的工作可靠性 和元件的使用寿命。为此，美国俄克拉荷马州立大学 菲齐教授提出了污染控制平衡图来描绘污染控制中各 因素对元件寿命的影响，如图4所示。污染控制平衡 是通过两架天平来实现的 ，“ 液压 元件 ”天平 反映元 件 的耐污染能力 ，“ 滤油器” 天平反 映系统 的过滤特 性 ，天平 的砝码就 是与污染控制有 关 的各种 因素 参数 。 油 1 04 1 0 3 10 10 h 压力 p 速 度 液 压元 件 污 染耐 受度 1一， r 1 ． O l 1． 1 2 1 0 1 02 图 4 污染控制平衡图 其中过滤 比为过滤器上游油液单位体积中大于某 一 给定尺寸的污染物颗粒数 ， 与下游油液单位体积 中大于同一尺寸的颗粒数 之比，即 N 卢 式中 N 也就是油液 的污染度 。 油液污染 度的稳定值 为 7 v一 一 一 口一1 Q 其中Q为流经滤油器的流量； 为污染入侵率 ，即单位时间内侵入系统油液 的大于某 给定尺寸的颗粒 数。 污染耐受度 表 示元 件在 某一 给定 的寿命 下能 够耐受的各种颗粒尺寸分布的最大污染浓度 ，也就是 在一定的污染条件下元件要用什么精度的过滤器进行 保护，才能达到要求的寿命。 值越大，所需要的过 滤器精度越高。 由污染平衡 图可 以看 出 ，系统油液 的污染度和元 件的污染耐受度是决定元件污染寿命的主要因素。提 高过滤比口、增大流量 Q和降低污染侵入率 可降低 油液污染度、增加元件的工作寿命，而元件的抗磨性 A W、工作 条件 压力 P 、速度 V 、温度 、油液抗磨 性 W R以及污染物磨损性 P W等因素对元件污染耐受 度和污染寿命的影响，则在 “ 液压元件”天平中得 到反 映。 2 ． 2液压 系统污染控制的一些有效措施 2 ． 2 ． 1 控制加工制造过程 中的污染物 首先是把好 “ 清洗关” 。建议生产厂家建立、完 善液压附件在制造和安装前的冲洗验收规程，根据液 压 系统 中对污染物最敏感附件 的动态间隙 尺寸 ，确定 系统冲洗的清洗等级 ；其次是把好 “ 装配关” 。装配 飞机液压系统 附件时 ，必须 清洗 干净 附件 内部 的油封 和残留污物。 2 ． 2 ． 2 控制 内部生成 的污染物 首先要把好 “ 监控关 ” 。机务 人员 随时监控油 液 污染状况 ，定期对液压系统油液进行抽样化验，一旦 发现油液污染 ，就用地面油液过滤清洗车对 系统油液 进行净化过滤，对系统污染实施有效地控制 ；其次是 把好 “ 油料关” 。新油在制造过程中能达到规定的清 洁度 ，但这个清洁度指标和伺服系统油液要求的指标 相差甚远 ，而且由于运输、容器置换以及经常暴露在 大气 中等原 因 ，可能导致新油被污染 。所 以，在加入 飞机液压系统、地面保障设备前，液压油必须进行净 化 ，经检验符合规定的清洁度要求 、且审批手续齐全 方能加入系统使用。 2 ． 2 ． 3 控制外部侵入系统的污染物 1 把好 “ 拆装关 ” 。拆装 前 清洗 要拆 的接 头 ， 拆 下后 及时包 扎 ，防止拆 、装过程 中污染物进入液压 附件和接头。装配前液压附件和导管必须按要求进行 清洗，装配时不准戴手套进行操作，禁止用化纤织物 擦拭安装部位 ，防止纤维类污物侵入系统。风沙雨雪 天气严禁拆卸导管、附件 ； 2 把好 “ 检验关” 。对 污染严重的系统和部位加强监控，当油液检验的污染 度指标高 于伺 服 系统油 液要 求 的指 标 时 ，应 查 明原 因，排除故障，并用净化清洗车对油液进行循环过 滤 ，直到油液采样检测合格为止 ； 3 把好 “ 地面 保障设备关” 。 在使用油泵车、加油车、液压校验台 下转第 1 7 0页 1 7 0 机床与液压 第 4 0卷 图 3 发讯盘与磁钢的位置图 2 ． 3 刀架不能正常锁紧 故障现象 在换刀过程 中，刀架不能正常锁紧， 有时出现 “ 进给保持”灯亮。 故障分析与排除。此类故障主要由 P MC控制部 分或机械部分引起 1 检查压板上端的螺母是否 太松，适当调整至正常状态； 2 强电柜内的刀架 电机反 转 继 电器 是 否损 坏 ，如损 坏 则更 换 继 电器 ； 3 架内齿盘上是否有碎屑，如有清洁内齿盘并重 新装配 ； 4 “ 进给保持灯亮”说 明刀架检测 控制开 关到系统 I ／ O板线路松动，重新连接或紧固； 5 刀架电机反 锁时 间太 短 ，增 大 刀架反 锁 时间 一 般 反锁时间为 1 ． 2～1 ． 5 S 。 2 ． 4在任何操作状态下刀架均不转 故障现象机床接通电源后，无论在任何操作状 态下换刀，刀架均不旋转。 故障分析与排除 1 给电机通电，判断电机 是否损坏，如损坏则修理电机 ； 2 测量寻刀电压 是否太低或 电机至控制器 的电路是否断路 ，是则重新 连接或更换线路 ； 3 机床相序不正确。机床相序 不正确能导 致 刀架 电机 反转 ，变 换 电源相 序 即可排 除 ； 4 刀架锁 紧电流过大 。用扳手转 动蜗杆端部 ， 只有用力时才能转动，可断定是刀架锁紧电流过大导 致，降低刀架锁紧电流； 5 刀架内部机械卡死。 当顺 时针转动蜗杆时 ，用力也转不 动 ，应拆开刀架对 传动部件进行修配 ，注入适量润滑油。 2 ． 5其他故障现象 除以上常见故障外，偶尔还出现刀架转过一定角 度又反弹 回原位 、刀架整体松动 、换刀时强 电柜 内有 电弧现象等故障 。导致这些故障的原因主要是发讯 盘位置不正 、刀架 紧 固螺栓 脱扣 、继 电器接触 不 良 、 电源不稳等，可分别对其进行调整 、修复，使故障排 除 。 3总 结 T K 4 0 A数控 车床是 由宝鸡 机床集 团研发 的经 济 、 实用 、产品结构成熟 、性能稳定可靠 的数控车床 ，但 是 出现各种故障在所难免 ，故如何快速准确地排 除故 障成为最关键的问题。在 日常维修中，经常遇见的是 刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类 、驱动 类 、通信类 等故 障 。由于在加 工过 程 中换 刀 比较 频 繁 ，因此 刀架故 障所 占比例最 大。清楚 以上故障的分 析 、诊断 、维修措施 ，能有效 地找到故 障根源 ，准确 而快速地排除故障。 参考文献 【 1 】 陈艳红， 韩洪涛． C A 6 1 4 0 型车床的数控改造与实践[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 2 5 2 1 1 2 1 2 ． 【 2 】 吴国经． 数控机床故障诊断与维修[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 侯晓方． 数控车床电动刀架故障诊断与维修 [ J ] ． 机床 与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 6 9 1 9 2 ， 7 1 ． 【 4 】 常州市宏达机床数控设备有限公司． L D 4 B数控刀架使 用说 明书[ M] ． 2 0 0 8 ． 上接第 1 5 9页 等地面保障设备时，应严格执行操作规程及管理制 度 ； 4 把好 “ 修理关” 。在飞机中修、大修过程 中 ，避免液压元件分解 、装配 、试验和调整过程 中混 入污染 物。 2 ． 2 ． 4 对 飞机和地面设备进行改装 在 飞机维修过程 中，除 了上述措施外 ，还可以采 用新型滤材技术对飞机和地面设备进行改装 ，以提高 装备 自身的性能和抗 污纳污能力 ；也可在飞机 液压 系 统中加装磁塞，定期观察油液污染情况；或在系统中 更换高精度过滤器，降低飞机油液污染度；还可为地 面加油车和地面油泵车加装3 m以下的高精度过滤 器 ，对飞机液压系统油液进行循 环过滤净化 ，有效控 制油液污染 。 3结论 飞机液压系统 的油液污染 控制是 一个系统工 程 ， 涉及到系统的设计、制造、安装、使用、修理 、维 护、保养等各个阶段和环节 ，必须全面落实预防液压 系统污染的各项措施，最大限度地降低油液污染，将 油液污染控制在耐受范围以内，降低液压元件的故障 率，延长使用寿命，确保飞机液压系统工作的可靠性。 参考文献 【 1 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0． 【 2 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