顧建軍，唐德佳，沈紅祥，陶 鍵，李興勇

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

引言

裝備液壓系統(tǒng)中傳遞流體動(dòng)力、提供潤(rùn)滑作用的工作介質(zhì)液壓油的清潔度等級(jí)將直接影響到裝備液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性[1-2]。資料顯示，航空、航天、工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域液壓系統(tǒng)中，90%左右的故障均與液壓油中存在固體顆粒物、水分、空氣以及液壓油因變質(zhì)產(chǎn)生的析出物等不同形式的污染物有關(guān)，其中固體顆粒物引起的污染占75%左右[3-5]。因此，時(shí)刻保持裝備液壓系統(tǒng)液壓油清潔，并定期檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)尤為重要，是保證裝備液壓系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的重要條件。

1 液壓油污染的原因與危害

1.1 液壓油污染的原因

液壓油污染物，主要指懸浮于液壓油中影響液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定性與可靠性的各種不同形式的污染物，液壓油中產(chǎn)生污染物的原因主要分為內(nèi)部原因與外部原因。

1) 內(nèi)部原因

內(nèi)部原因主要體現(xiàn)在生產(chǎn)加工過(guò)程、清洗過(guò)程以及液壓系統(tǒng)工作過(guò)程。生產(chǎn)加工過(guò)程中，液壓元件、零件去毛刺不徹底，殘留部分金屬飛邊、切屑等污染物；清洗過(guò)程中，液壓元件、零件與液壓管路清洗不徹底，殘留部分氧化皮、焊渣、銹蝕等污染物[6]；液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的液壓元件、零件之間相互摩擦、磨損以及橡膠密封圈老化破損等原因引起的污染物。

2) 外部原因

外部原因主要體現(xiàn)在裝備日常維護(hù)與故障修復(fù)過(guò)程。裝備加油、循環(huán)清洗、清潔度檢測(cè)、管路接頭擦拭等日常維護(hù)過(guò)程，均會(huì)引起空氣中塵埃等污染物混到液壓油中；野外執(zhí)行任務(wù)時(shí)，在環(huán)境無(wú)法保證的極端條件下，裝備故障修復(fù)過(guò)程中不可避免的會(huì)引起空氣中沙粒等污染物混到液壓油中。

1.2 液壓油污染的危害

對(duì)液壓系統(tǒng)來(lái)講，液壓油中混有污染物的危害是極其嚴(yán)重的，將直接影響液壓系統(tǒng)工作性能，降低液壓元件使用壽命，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障，無(wú)法正常工作。

液壓油中混有固體顆粒污染物時(shí)，將造成液壓系統(tǒng)中精密液壓元件電液伺服閥閥芯卡滯、節(jié)流孔堵塞等故障現(xiàn)象；混有空氣時(shí)，將加速液壓油氧化變質(zhì)，且工作過(guò)程中易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，破壞液流連續(xù)性，造成壓力與流量脈動(dòng)，氣泡隨液流進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)迅速破滅，造成局部沖擊和高溫，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；混有水分時(shí)，易引起液壓油水解變質(zhì)，黏度降低，油膜變薄，潤(rùn)滑性能降低，直接影響液壓元件工作壽命[7-8]。

2 液壓油清潔度等級(jí)檢測(cè)方法及局限性

目前，國(guó)內(nèi)外各行業(yè)應(yīng)用較為普遍的液壓油清潔度等級(jí)檢測(cè)方法都是通過(guò)靜態(tài)取樣的方式進(jìn)行，即從裝備油箱中抽取液壓油樣品，經(jīng)專用儀器檢測(cè)或直接將儀器檢測(cè)管伸入油箱中進(jìn)行檢測(cè)，從而確定液壓油清潔度等級(jí)。該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，但存在一定的局限性，因在收集液壓油樣品的過(guò)程中容易引起液壓油二次污染，且油箱不同位置處的液壓油清潔度等級(jí)不同，從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，該方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓油污染，起不到事先預(yù)防作用，因此設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的裝備尤其重要且十分必要[9-11]。

3 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

液壓油循環(huán)清洗機(jī)(以下簡(jiǎn)稱清洗機(jī))由電機(jī)、泵、高精度過(guò)濾器、油箱、管路與接頭以及外置的2根相同的連接管組成，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與泵相連，清洗機(jī)循環(huán)清洗工作原理如圖1所示。

圖1 清洗機(jī)循環(huán)清洗原理圖

清洗機(jī)通過(guò)2根連接管連接接頭1與接頭4、接頭2與接頭3，從而接通清洗機(jī)內(nèi)部與外部液壓管路。啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)泵工作，在泵的工作壓力作用下，液壓油經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾實(shí)現(xiàn)循環(huán)清洗功能。除自身循環(huán)清洗外，清洗機(jī)還可對(duì)配套使用的液壓油抽氣加油機(jī)(以下簡(jiǎn)稱加油機(jī))進(jìn)行循環(huán)清洗，清洗過(guò)程中通過(guò)高精度過(guò)濾器的過(guò)濾精度與清洗時(shí)間保證液壓油清潔度等級(jí)滿足優(yōu)于NAS1638 5級(jí)[12 ]使用要求。

如圖2所示，將連接清洗機(jī)接頭3、接頭4的2根連接管一端拔下，分別與加油機(jī)的接頭3、接頭4連接，從而使清洗機(jī)與加油機(jī)液壓系統(tǒng)管路處于連通狀態(tài)。關(guān)閉K3，斷開加油機(jī)油路與氣路連接，啟動(dòng)清洗機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵工作，在泵的工作壓力作用下，加油機(jī)中的液壓油經(jīng)加油機(jī)與清洗機(jī)內(nèi)部的過(guò)濾器過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)裝備對(duì)接后循環(huán)清洗功能。

圖2 裝備對(duì)接后循環(huán)清洗原理圖

清洗機(jī)在對(duì)自身以及對(duì)加油機(jī)循環(huán)清洗過(guò)程中，通過(guò)高精度過(guò)濾器的過(guò)濾精度與清洗時(shí)間保證液壓油清潔度等級(jí)，當(dāng)清洗機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用后，殘留在過(guò)濾器濾芯上的污染物增加，過(guò)濾器進(jìn)、出油口兩端壓差增大，過(guò)濾能力下降，采取延長(zhǎng)清洗時(shí)間或更換新過(guò)濾器的措施來(lái)保證液壓油清潔度等級(jí)，清洗后再通過(guò)靜態(tài)取樣檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)，效率低下，已滿足不了客戶執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間考核要求。因此，對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使其具備實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的功能十分必要。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案分析研究

針對(duì)清洗機(jī)在對(duì)加油機(jī)循環(huán)清洗過(guò)程中無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的現(xiàn)狀，在不影響清洗機(jī)功能與性能的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)分析研究，分析研究ab段、cd段與ef段3種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，方案分段示意如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案分段示意圖

ab段與cd段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案僅需對(duì)清洗機(jī)外置的連接管進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，連接管中間增加1個(gè)三通接頭、專用測(cè)壓接頭與顆粒度分析儀(以下簡(jiǎn)稱分析儀)連接；ef段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案需對(duì)清洗機(jī)油濾接頭、管路與面板進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)改進(jìn)后的油濾接頭、管路、裝于面板上的專用測(cè)壓接頭與分析儀連接。

經(jīng)分析，ab段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案存在原理可行性問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的功能；cd段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案存在液壓油清潔度等級(jí)檢測(cè)結(jié)果的有效性問(wèn)題，不能真實(shí)反映加油機(jī)中液壓油清潔度等級(jí)，因此ab段與cd段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案均不采用。

ef段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案中液壓油經(jīng)接頭4、連接管2通過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后，經(jīng)連接管1、接頭3回到油箱中，實(shí)現(xiàn)循環(huán)清洗功能。循環(huán)清洗過(guò)程中液壓油經(jīng)三通接頭、內(nèi)置管路、專用測(cè)壓接頭分流至分析儀中進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)清洗過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的功能，且檢測(cè)到的等級(jí)與加油機(jī)中液壓油清潔度等級(jí)一致，真實(shí)反映了加油機(jī)中液壓油清潔度等級(jí)，方案合理可行，因此采用ef段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

當(dāng)分析儀檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)達(dá)到NAS1638 5級(jí)時(shí)，經(jīng)過(guò)濾器再次過(guò)濾后，液壓油清潔度等級(jí)更優(yōu)，從而保證加油機(jī)加到最終執(zhí)行飛行任務(wù)的產(chǎn)品中的液壓油清潔度等級(jí)優(yōu)于NAS1638 5級(jí)使用要求。

為保證分析儀檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測(cè)前關(guān)閉K3、打開K1，先進(jìn)行循環(huán)清洗過(guò)程，通過(guò)加油機(jī)液晶顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓系統(tǒng)油溫，當(dāng)油溫顯示25 ℃(推薦值)時(shí)，停止循環(huán)清洗，確保油溫滿足分析儀5～80 ℃油溫要求。接入分析儀，在循環(huán)清洗過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥K1設(shè)定系統(tǒng)工作壓力1 MPa(推薦值)，確保滿足分析儀0.2～40 MPa工作壓力要求。

ef段設(shè)計(jì)改進(jìn)方案中油濾接頭改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 油濾接頭改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證與工程應(yīng)用情況

如圖5所示，設(shè)計(jì)改進(jìn)后的清洗機(jī)通過(guò)2根連接管與加油機(jī)連接，通過(guò)安裝于面板上的專用測(cè)壓接頭與分析儀連接，循環(huán)清洗過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥K1設(shè)定系統(tǒng)工作壓力，通過(guò)分析儀即可實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)，檢測(cè)完成后自動(dòng)打印檢測(cè)結(jié)果，無(wú)需循環(huán)清洗結(jié)束后再通過(guò)靜態(tài)取樣方式檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)，避免了取樣過(guò)程中的二次污染。

圖5 裝備實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)連接示意圖

循環(huán)清洗過(guò)程中液壓油清潔度等級(jí)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 液壓油清潔度等級(jí)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)調(diào)研，改進(jìn)后的清洗機(jī)交付全國(guó)各地客戶使用后，口碑良好，操作簡(jiǎn)單，優(yōu)化清潔度等級(jí)檢測(cè)流程，節(jié)約時(shí)間成本，提升工作效率，促使客戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利通過(guò)考核。

6 結(jié)論

液壓油污染物對(duì)液壓系統(tǒng)造成的危害是極其嚴(yán)重的，將直接影響液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性，縮短液壓元件使用壽命，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作，因此時(shí)刻保持裝備液壓系統(tǒng)液壓油清潔并定期檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)尤為重要，是保證裝備液壓系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的一項(xiàng)重要條件。

主要針對(duì)清洗機(jī)在自身以及對(duì)加油機(jī)循環(huán)清洗過(guò)程中無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的現(xiàn)狀，對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)分析研究，分析研究3種改進(jìn)方案，在不影響清洗機(jī)原有功能與性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，改進(jìn)后的清洗機(jī)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)清洗過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓油清潔度等級(jí)的功能，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且無(wú)需在循環(huán)清洗完成后再通過(guò)取樣方式進(jìn)行檢測(cè)，避免了取樣過(guò)程中的二次污染，節(jié)約時(shí)間成本，提升工作效率，交付客戶使用后口碑良好。