修攀瑞，佟文偉，何 山，郎 宏

(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

污染分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)中的應(yīng)用

修攀瑞，佟文偉，何 山，郎 宏

(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)污染的來(lái)源及危害，應(yīng)用顆粒計(jì)數(shù)分析、磨粒分析和水分分析技術(shù)對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的污染問(wèn)題，對(duì)減少液壓元件磨損、提高系統(tǒng)工作可靠性和降低故障發(fā)生率具有重要意義。

液壓加載系統(tǒng)；污染分析技術(shù)；顆粒計(jì)數(shù)分析；磨粒分析；水分分析

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，液壓技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)液壓系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制精度、響應(yīng)特性和可靠性要求也越來(lái)越高。液壓油作為其傳遞功率和能量轉(zhuǎn)換的工作介質(zhì)，又是液壓系統(tǒng)的潤(rùn)滑劑、冷卻劑，一旦受到污染將會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作和造成液壓元件磨損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障失效。大量資料顯示，液壓系統(tǒng)故障70%以上是因液壓油污染引起的[1-2]。因此，了解液壓系統(tǒng)污染的來(lái)源及危害，并對(duì)其進(jìn)行污染狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的污染問(wèn)題，對(duì)減少液壓元件磨損、提高系統(tǒng)工作可靠性和降低故障發(fā)生率具有重要意義。

1 液壓加載系統(tǒng)

液壓加載系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，用于提取發(fā)動(dòng)機(jī)功率，模擬飛機(jī)附件液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)被功率提取后受到的影響，其工作性能和可靠性直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)論和運(yùn)行安全。液壓加載系統(tǒng)包括供/回油管路、液壓泵、測(cè)控系統(tǒng)、比例調(diào)節(jié)閥、冷卻器等部分組成，其工作原理如圖1所示[3]。

2 液壓加載系統(tǒng)污染的來(lái)源及危害

液壓系統(tǒng)常見(jiàn)污染物有固體顆粒、水、空氣、有害化學(xué)物質(zhì)和微生物等[4-5]。液壓加載系統(tǒng)污染物以固體顆粒和水為主，其中固體顆粒污染危害最大。

圖1 液壓加載系統(tǒng)工作原理圖

2.1 污染的來(lái)源

固體顆粒污染的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：(1)在系統(tǒng)制造、安裝和調(diào)試過(guò)程所殘留下的污染顆粒，比如砂粒、焊渣、金屬屑、銹蝕殘片、橡膠碎塊及灰塵等；(2)在系統(tǒng)工作中生成的污染顆粒，比如剝落的漆片、摩擦副表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨損顆粒、過(guò)濾器失效、密封材料脫落的顆粒等；(3)在系統(tǒng)維護(hù)中侵入的污染顆粒，比如加注或更換新油時(shí)，檢修操作不當(dāng)時(shí)帶入的灰塵顆粒、纖維棉絨等；(4)液壓油本身物理、化學(xué)變化產(chǎn)生的污染微粒，比如殘?zhí)肌⒕酆衔?、膠狀物等。

水污染的來(lái)源主要是大氣中的潮濕空氣和冷卻器等工作環(huán)境。如油箱加油口、氣體安全閥門、液壓泵活塞桿等部位凝結(jié)的水霧侵入，液壓油冷卻器的滲漏損壞，另外，新油的保管不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致水的污染。

2.2 污染的危害

現(xiàn)代液壓系統(tǒng)一些重要元件的關(guān)鍵配合間隙多在幾微米到30μm之間，而液壓系統(tǒng)中絕大多數(shù)污染顆粒都在25μm以下，很容易對(duì)液壓元件產(chǎn)生磨損[6]。當(dāng)液壓系統(tǒng)中污染顆粒超過(guò)系統(tǒng)控制水平時(shí)，會(huì)加劇液壓泵摩擦副表面磨損，導(dǎo)致泵效率降低，壽命縮短；會(huì)淤積和堵塞調(diào)節(jié)閥的間隙，對(duì)閥芯和閥體表面產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致響應(yīng)緩慢，嚴(yán)重時(shí)引起閥芯卡死，控制失靈；會(huì)堵塞過(guò)濾器濾網(wǎng)，導(dǎo)致液壓泵吸油困難，系統(tǒng)壓力、流量不穩(wěn)，堵塞嚴(yán)重時(shí)，造成濾網(wǎng)擊穿，過(guò)濾器失效；會(huì)加速液壓油變質(zhì)，降低液壓油粘度和潤(rùn)滑性等嚴(yán)重后果。

水在液壓系統(tǒng)中一般以溶解水、懸浮水和游離水三種狀態(tài)存在，會(huì)造成液壓油乳化和破壞油膜，從而降低潤(rùn)滑效果而加劇磨損；會(huì)與某些添加劑作用產(chǎn)生酸性物質(zhì)，腐蝕金屬表面；會(huì)加速液壓油氧化變質(zhì)，從而產(chǎn)生各種沉淀和膠質(zhì)，加劇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的污染。低溫時(shí)游離水還會(huì)結(jié)冰，造成閥芯粘滯和濾油器濾芯堵塞等故障。

3 污染分析技術(shù)

液壓加載系統(tǒng)的污染不能完全消除，只能通過(guò)各種防治污染措施使系統(tǒng)液壓油污染度保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。為了有效地控制系統(tǒng)污染，需要定期的對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)分析，了解系統(tǒng)的污染程度，確定污染來(lái)源，從而使系統(tǒng)始終保持在良好的運(yùn)行狀態(tài)。液壓加載系統(tǒng)污染分析技術(shù)有顆粒計(jì)數(shù)分析、磨粒分析和水分分析。

3.1 顆粒計(jì)數(shù)分析

顆粒計(jì)數(shù)分析技術(shù)是通過(guò)自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)油液中固體顆粒進(jìn)行尺寸測(cè)量，并按預(yù)選的尺寸范圍進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比獲得油液的污染度等級(jí)。污染度等級(jí)表示了油液的污染程度，也是實(shí)施污染控制的依據(jù)，國(guó)內(nèi)外都制定了固體顆粒污染度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4406、美國(guó)NAS1638及我國(guó)的GJB420A等。遮光型自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器是目前在液壓油污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最廣泛的，其原理是當(dāng)液壓油中有顆粒通過(guò)時(shí)，從光源發(fā)出的光部分被顆粒遮擋，由光源抵達(dá)光電探測(cè)器的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化，使得其輸出電壓產(chǎn)生脈沖信號(hào)，且被遮擋的光強(qiáng)與顆粒的投影面積成正比，根據(jù)脈沖信號(hào)的幅值和脈沖次數(shù)，即可測(cè)定液壓油中顆粒尺寸和數(shù)量。它具有計(jì)數(shù)快、精度高和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但受樣品中水滴和氣泡的影響誤差較大，且不能觀察顆粒形貌。

3.2 磨粒分析

磨粒分析技術(shù)是利用自動(dòng)磨損顆粒分析儀對(duì)油樣中污染顆粒進(jìn)行形貌識(shí)別和顆粒計(jì)數(shù)的一種新型磨粒監(jiān)測(cè)方法，它應(yīng)用激光成像技術(shù)和人工智能技術(shù)，通過(guò)測(cè)定油樣中磨損顆粒的尺寸、數(shù)量和形貌，判斷系統(tǒng)的磨損狀態(tài)、磨損嚴(yán)重程度，還可鑒別系統(tǒng)設(shè)備磨損類型、磨損機(jī)理[7]。其原理是油樣通過(guò)蠕動(dòng)泵帶動(dòng)進(jìn)入一個(gè)由脈沖激光二極管照明的樣品池，透過(guò)樣品池的激光信號(hào)再由4倍放大鏡頭放大，然后由一個(gè)高速照相機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍照，1秒可收集大約30個(gè)圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)分析軟件分析，得出液壓油中尺寸4～100μm的顆粒計(jì)數(shù)，并提供大于20μm顆粒的圖像映射，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識(shí)別技術(shù)把顆粒自動(dòng)識(shí)別分為切削、嚴(yán)重滑動(dòng)、疲勞、非金屬、水滴等。磨粒分析可以消除水滴和氣泡對(duì)顆粒計(jì)數(shù)的影響，具有樣品處理簡(jiǎn)單、測(cè)定時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 水分分析

水分分析一般包括"噼啪"法、蒸餾法和卡爾·費(fèi)休法[8]。“噼啪”法是以加熱樣品時(shí)有無(wú)響聲來(lái)表示含水的“有”和“無(wú)”，是一種定性分析的方法。蒸餾法是按照GB/T 260標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的一種常量測(cè)定法，只能測(cè)定含水量在0.03%以上的樣品，當(dāng)含水量少于0.03%時(shí)，認(rèn)為是痕跡，如接收器中沒(méi)有水，則認(rèn)為樣品無(wú)水?？枴べM(fèi)休法是按照GB/T 11133標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的一種微量水測(cè)定法，是應(yīng)用卡爾·費(fèi)休試劑進(jìn)行容量滴定來(lái)測(cè)定樣品水含量的方法，適用于檢測(cè)水含量范圍為50×10-6～1000×10-6的樣品，是目前廣泛應(yīng)用的測(cè)定方法。

4 污染分析技術(shù)的應(yīng)用

在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，為保證液壓加載系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，定期對(duì)系統(tǒng)取樣進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)分析，某階段試驗(yàn)后污染監(jiān)測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 顆粒計(jì)數(shù)分析結(jié)果(個(gè)/100mL)

表2 磨粒分析結(jié)果(個(gè)/mL)

表3 水分分析結(jié)果 ×10-6

表1、表2分析結(jié)果表明，定期對(duì)系統(tǒng)取樣進(jìn)行污染監(jiān)測(cè)分析的樣品(A1、A2)固體顆粒污染度等級(jí)低于系統(tǒng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GJB420A-7級(jí))，且磨粒分析結(jié)果中>20μm以上的各類磨損顆粒數(shù)量較少，液壓元件未出現(xiàn)異常磨損，液壓加載系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。某階段試驗(yàn)后樣品(A3)固體顆粒污染度等級(jí)為GJB420A-10級(jí)，嚴(yán)重超出了系統(tǒng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)，且磨粒分析結(jié)果中>20μm以上的磨損顆粒數(shù)量出現(xiàn)異常增長(zhǎng)，按數(shù)量從多到少排列依次為疲勞磨損、非金屬、嚴(yán)重滑動(dòng)磨損、切削磨損，表明液壓加載系統(tǒng)發(fā)生異常磨損，磨損顆粒形貌見(jiàn)圖2。表3分析結(jié)果表明液壓加載系統(tǒng)未發(fā)生水污染。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中止，檢查液壓加載系統(tǒng)各處零部件發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器濾網(wǎng)破損，過(guò)濾失效，比例調(diào)節(jié)閥閥芯卡滯，證明了污染監(jiān)測(cè)分析結(jié)果的準(zhǔn)確，避免試驗(yàn)故障的發(fā)生。

圖2 樣品A3磨損顆粒形貌圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)污染以固體顆粒和水為主，其中固體顆粒污染危害最大。在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用顆粒計(jì)數(shù)分析、磨粒分析和水分分析技術(shù)對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行污染狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的污染問(wèn)題，確定異常磨損顆粒來(lái)源，避免了試驗(yàn)故障的發(fā)生。實(shí)踐證明應(yīng)用污染分析技術(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的污染問(wèn)題，對(duì)減少液壓元件磨損、提高系統(tǒng)工作可靠性和降低試驗(yàn)故障發(fā)生率具有重要意義。

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(本文文獻(xiàn)格式：修攀瑞，佟文偉，何 山，等.污染分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(08)：113-115.)

Application of Contamination Analysis Technology in Hydraulic Loading System of Aero-engine Test Bench

XiuPanrui,TongWenwei,HeShan,LangHong

(AECC Shenyang Engine Research Institute, Shengyang 110015,China)

The source and harm of contamination in hydraulic loading system of Aero-engine test bench were analyzed. The contamination analysis technologies, including particle counting analysis, wear particle analysis and water analysis, were applied in contamination monitoring analysis of hydraulic loading system. The test results indicated that the contamination problems of the system can be identified instantly by using contamination analysis technology. The appliance of contamination analysis technology can significantly reduce hydraulic element wear, improve the system reliability and reduce the failure incidence.

hydraulic loading system; contamination analysis technology; particle counting analysis; wear particle analysis; water analysis

2017-02-28

修攀瑞(1983—)，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)工作。

X83

A

1008-021X(2017)08-0113-03