楊安元,胡翔翔

(1.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南信陽 464000；2.中國(guó)人民解放軍94916部隊(duì),江蘇南京 210022)

0 前言

目前外場(chǎng)日常維護(hù)和教學(xué)工作中均采用地面油泵車為液壓源，其良好的靈活性和機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)能較好適應(yīng)作戰(zhàn)需要，但同時(shí)也存在維護(hù)成本高、噪聲、污染和泄漏等一系列問題，不利于實(shí)踐教學(xué)工作的開展?；诖?，本文作者擬設(shè)計(jì)一種以遠(yuǎn)程控制為基本特征的外場(chǎng)地面集中供壓保障系統(tǒng)。采用集中供壓能夠大大提高液壓源的可靠性和可操縱性，大幅度降低目前液壓源的日常維護(hù)成本和液壓油的消耗，更好地滿足目前和未來外場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)工作。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有飛機(jī)管路的清洗功能，可進(jìn)行油液污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和循環(huán)過濾清潔，同時(shí)兼具良好的可擴(kuò)展性能，可根據(jù)新機(jī)型的液壓系統(tǒng)要求，通過適當(dāng)調(diào)整泵站的壓力調(diào)節(jié)部分，滿足改裝機(jī)型的保障教學(xué)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)：工作介質(zhì)為YH-15航空液壓油；液壓油工作溫度為0～55 ℃；系統(tǒng)油液清潔度 (GJB 420—87)6級(jí)以上；電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min；供油流量為0～170 L/min，可差級(jí)調(diào)節(jié)；供油壓力為0～25 MPa，可連續(xù)調(diào)節(jié)；回油壓力不大于0.25 MPa；可靠性(平均故障間隔，MTBF)大于2 000 h。

2 技術(shù)方案

2.1 基本組成

擬設(shè)計(jì)的集中供壓保障系統(tǒng)由液壓泵站、連接管路和各機(jī)庫專用的單元操作臺(tái)組成。液壓泵站計(jì)劃向10個(gè)機(jī)庫供油、供壓，液壓泵站安置在10個(gè)機(jī)庫中間的某個(gè)房間內(nèi)，一方面便于管路連接；另一方面可減小油液的流動(dòng)壓力損失和油液的回油阻力，保證系統(tǒng)的性能符合要求。每個(gè)機(jī)庫設(shè)置1個(gè)專用的單元操作臺(tái)，之間用連接管路相連，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接示意

為保證飛機(jī)液壓附件的工作性能與壽命，液壓泵站的液壓油仍然采用航空軍用液壓油。液壓泵站結(jié)構(gòu)主要包括電路控制部分、油箱、供油部分、油液過濾部分、壓力控制部分、液位控制部分、連接管路、單元操縱臺(tái)、油液自清潔部分和油液散熱部分，如圖2所示。該系統(tǒng)的油箱和連接管路部分均采用不銹鋼材料，不再敘述其工作原理。

圖2 液壓泵站的基本組成

電路控制部分、油箱、供油部分、油液過濾部分、壓力控制部分、液位控制部分、油液自清潔部分和油液散熱部分構(gòu)成液壓泵站的主體，安置在封閉泵房?jī)?nèi)。

2.2 工作概況

2.2.1 控制部分

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生產(chǎn)的PLC控制部分，具有運(yùn)算、處理和可編程功能，還能與壓力傳感器、溫度傳感器、壓差傳感器、工作按鈕、停止按鈕、顯示器等相連。一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)泵組的管理，控制其開和關(guān)，達(dá)到流量差級(jí)控制的目的；另一方面控制壓力控制部分，實(shí)現(xiàn)壓力的初級(jí)調(diào)節(jié)；還能控制油液自清潔部分的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)油液清潔度的控制，保證系統(tǒng)工作可靠。同時(shí)PLC控制部分與操縱臺(tái)的用戶顯示終端相連，可以直接顯示當(dāng)前供壓系統(tǒng)用戶使用情況。

2.2.2 單元操作臺(tái)

單元操作臺(tái)設(shè)置在機(jī)庫內(nèi)，如圖3所示。

圖3 單元操作臺(tái)示意

單元操作臺(tái)上有指示系統(tǒng)工作的工作指示燈，有指示污染告警的污染報(bào)警燈，有顯示壓力的系統(tǒng)壓力表、工作壓力表、回油壓力表，有顯示油量的液壓油量表，有顯示油溫的油溫顯示器，有顯示污染程度的污染度指示表，還有顯示供壓系統(tǒng)用戶情況的用戶終端顯示。

單元操作臺(tái)上的工作按鈕可以向PLC控制部分輸送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制液壓泵組的啟動(dòng)與停止。利用液壓軟管通過進(jìn)油接頭與回油接頭與飛機(jī)上的地面接頭相連，打開進(jìn)油開關(guān)和回油開關(guān)就可以向飛機(jī)輸送具有一定壓力和流量的液壓油。管路連接如圖4所示。

圖4 單元操作臺(tái)管路示意

由于不同的實(shí)習(xí)科目需要的工作壓力不同，操作人員手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓閥的手輪，可以改變工作壓力，滿足使用要求。當(dāng)液壓油的清潔度不符合要求或油箱的液位低于規(guī)定值時(shí)，PLC控制部分接通警告燈，提示操作人員。外場(chǎng)維護(hù)時(shí)通過單元操作臺(tái)控制系統(tǒng)的工作，也能完成本地操作，便于操作人員對(duì)液壓泵組進(jìn)行控制。

2.2.3 供油部分

供油部分由4個(gè)液壓泵組和連接管路等組成，其原理如圖5所示。液壓泵的最高工作壓力均為31.5 MPa，最大流量分別為60、40、40、30 L/min。

圖5 供油部分組成原理

大流量液壓泵組由液壓泵(最大流量為60 L/min、最高工作壓力達(dá)31.5 MPa)、梅花形彈性聯(lián)軸器、交流電機(jī)(功率18 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min)等組成。該電機(jī)泵組采用恒功率控制，即可根據(jù)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，因而可以作為常用泵組長(zhǎng)時(shí)間使用。

每套定量液壓泵組由定量液壓泵(最大流量為40 L/min、最高工作壓力達(dá)31.5 MPa)、梅花形彈性聯(lián)軸器和交流電機(jī)(功率15 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min)等組成。該電機(jī)泵組采用高壓溢流控制，所需的流量較大時(shí)，系統(tǒng)的壓力較小，PLC控制部分根據(jù)系統(tǒng)壓力控制電磁溢流閥工作，便于定量液壓泵組的啟動(dòng)；在系統(tǒng)壓力達(dá)到高限值時(shí)，關(guān)停定量液壓泵組，因而定量液壓泵組是間歇使用的。由于電機(jī)與液壓泵采用一體化設(shè)計(jì)，能確保液壓泵與電機(jī)的軸線高度同心，從而大大減小電機(jī)泵組工作時(shí)的噪聲。

2.2.4 油液過濾部分

油液過濾部分由自封式吸油濾、高壓粗油濾、高壓精密油濾和低壓雙筒式回油濾等組成。每套泵組內(nèi)設(shè)置有精密油濾，總管路上也設(shè)置有精密油濾。在液壓泵的泄漏口設(shè)置一個(gè)油液取樣口，便于進(jìn)行污染檢測(cè)。油液經(jīng)過高壓粗油濾和精密油濾的過濾，其清潔度可達(dá)到(GJB 420—87)6級(jí)以上，滿足系統(tǒng)要求。

自封式吸油濾的過濾精度為80 μm。低壓雙筒式回油濾的過濾精度為10 μm，選擇濾芯帶磁性的高壓粗油濾，精度為3 μm，用于吸附液壓油內(nèi)的金屬顆粒。

系統(tǒng)的回油必須經(jīng)雙筒回油濾過濾后才能回油箱，可防止污染物流回油箱，保證液壓泵的進(jìn)油是清潔的，以延長(zhǎng)液壓泵的使用壽命。雙筒回油濾一次只使用一個(gè)回油濾，當(dāng)油濾的清潔度達(dá)不到要求時(shí)，可方便地轉(zhuǎn)換為使用另一個(gè)回油濾。

2.2.5 壓力調(diào)節(jié)部分

壓力調(diào)節(jié)部分由電磁溢流閥、液壓安全閥、電子控制部分和壓力傳感器等元件組成，是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)壓力有下降的趨勢(shì)時(shí)，PLC控制部分檢測(cè)到相應(yīng)的電信號(hào)后，啟動(dòng)交流電機(jī)的起動(dòng)電路，使供油量增加，保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。而當(dāng)液壓系統(tǒng)的壓力上升到高限值時(shí)，PLC控制部分關(guān)停定量液壓泵組，系統(tǒng)壓力不再增大。

2.2.6 油液散熱部分

油液散熱部分由風(fēng)冷卻器和冷卻控制回路組成?；赜蜏囟容^高時(shí)，PLC控制部分根據(jù)油液溫度啟動(dòng)冷卻控制回路，風(fēng)冷卻器工作，將液壓油的熱量傳給空氣，可防止油液溫度過高，同時(shí)通過空氣散熱，不消耗自來水，能達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

2.2.7 參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由油位傳感器、壓力傳感器、油溫控制傳感器、油壓控制傳感器組成。使用國(guó)產(chǎn)傳感器，配以相應(yīng)的二次智能儀表，可以滿足系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)測(cè)試精度的要求。

2.2.8 在線污染監(jiān)控部分

在線污染監(jiān)控用于在線實(shí)時(shí)顯示油夜的污染度是否超標(biāo)，它利用液壓油濾的差壓傳感器，控制污染指示燈的亮和滅。

2.2.9 液壓油自清潔部分

液壓油自清潔部分用于對(duì)油箱內(nèi)的液壓油進(jìn)行循環(huán)清洗。它由1個(gè)普通電機(jī)、自清潔油泵組、連接管路和3個(gè)油濾組成，精度分別為1、5、3 μm。

每間隔一段時(shí)間或污染指示燈亮?xí)r，PLC控制部分自清潔油泵組，對(duì)液壓油箱內(nèi)的油液進(jìn)行循環(huán)清潔，也可手動(dòng)打開操縱臺(tái)上的循環(huán)過濾閥門進(jìn)行手動(dòng)清潔，保證液壓油的清潔度達(dá)到要求，延長(zhǎng)液壓油的使用壽命，降低外場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用，提高裝備訓(xùn)練保障能力。

2.2.10 顯示報(bào)警部分

顯示報(bào)警部分主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的供壓部分、動(dòng)力部分及電氣部分的工作情況進(jìn)行監(jiān)視和控制，如液壓油超溫、超壓的報(bào)警與保護(hù)，油液清潔度低導(dǎo)致油濾阻塞報(bào)警、系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的控制等。圖6所示為超溫、超壓報(bào)警與保護(hù)、油濾阻塞報(bào)警與顯示等原理框圖。

圖6 顯示、報(bào)警部分原理框圖

3 可行性分析

3.1 外場(chǎng)實(shí)習(xí)不同科目對(duì)流量的需求問題

外場(chǎng)實(shí)習(xí)科目的不同對(duì)流量的需求不同，有時(shí)所用飛機(jī)的架次多，有時(shí)架次少，有時(shí)所作科目所需流量大，有時(shí)所需流量小。為適應(yīng)不同情況對(duì)流量的需求，避免不必要的能源浪費(fèi)，供油部分采用4套液壓泵組。PLC控制部分根據(jù)操作人員的指令要求，采用優(yōu)先啟動(dòng)變量液壓泵組的工作方式，由變量液壓泵組向系統(tǒng)輸送高壓液壓油。當(dāng)變量液壓泵內(nèi)的供油量滿足不了壓力和流量需求時(shí)，壓力傳感器將系統(tǒng)的壓力反饋給PLC控制部分，PLC控制部分根據(jù)系統(tǒng)壓力的大小和操作人員在單元操作臺(tái)的操作指令情況，可分別控制3套定量液壓泵組啟動(dòng)1～3套泵組，系統(tǒng)的供油量可分別達(dá)到60、100、140、170 L/min，實(shí)現(xiàn)流量差級(jí)調(diào)節(jié)，減小電功率的損耗，降低維護(hù)保障成本。

3.2 多機(jī)種工作壓力相互干擾問題

多機(jī)種同時(shí)工作時(shí)，不同科目對(duì)液壓源壓力的要求不同。為避免工作壓力相互干擾，在每個(gè)單元操縱臺(tái)上都設(shè)置有減壓閥，減壓閥前后設(shè)置壓力表，分別指示泵源和飛機(jī)入口壓力的大小，操作人員轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓閥的手輪，改變其出口壓力的大小，就能實(shí)現(xiàn)壓力無級(jí)調(diào)節(jié)，滿足使用要求。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)的確定

3.3.1 液壓油工作溫度

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓油流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致液壓油的溫度升高?？紤]到液壓油的穩(wěn)定性需要，液壓油的工作溫度應(yīng)為0～55 ℃，當(dāng)油溫超過55 ℃時(shí)，要進(jìn)行散熱處理。

3.3.2 系統(tǒng)油液清潔度

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓泵和附件會(huì)產(chǎn)生金屬屑和橡膠顆粒。為防止這些金屬屑和橡膠顆粒影響附件工作的可靠性，要求系統(tǒng)的清潔度達(dá)到(GJB 420—87)5級(jí)以上，以滿足目前外場(chǎng)實(shí)習(xí)對(duì)清潔度(6級(jí)以上)的要求。

3.3.3 供油流量

在日常維護(hù)和教學(xué)工作中，檢查飛機(jī)收放系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)時(shí)，所需要的液壓壓力是21 MPa，每個(gè)實(shí)習(xí)科目需要的流量不同，大的流量要求為25 L/min，小的流量要求約為10 L/min?？紤]到余量要求，將系統(tǒng)的最大供油量確定為170 L/min。利用多套電機(jī)泵組不同組合供油，可以使流量在 0～170 L/min之間實(shí)現(xiàn)差級(jí)調(diào)節(jié)。

3.3.4 供油壓力

目前的日常維護(hù)和教學(xué)工作中，所需要的最大工作壓力是21 MPa，考慮到流量90 L/min(單邊管路的最大流量)的液壓油在通徑為25 mm的管路中的壓力損失約為0.006 3 MPa/m，且最遠(yuǎn)端的機(jī)庫距液壓泵站150 m，則向最遠(yuǎn)端的機(jī)庫供油的壓力損失為0.94 MPa。因此，系統(tǒng)的供油壓力應(yīng)不小于22 MPa?？紤]到功能擴(kuò)展，保證系統(tǒng)在若干年后仍然不落后，能滿足工作要求，將系統(tǒng)的最大工作壓力確定為25 MPa。利用液壓泵站的壓力控制部分和單元操作臺(tái)的控制，可以使系統(tǒng)向?qū)嵙?xí)飛機(jī)提供壓力為0～25 MPa的液壓油，采用連續(xù)調(diào)節(jié)壓力的方式，可滿足不同工作的需求。

3.3.5 回油壓力

檢查飛機(jī)收放系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)時(shí)，飛機(jī)液壓油箱需要承受回油壓力。由于液壓油箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，其能承受的最大工作壓力不能大于0.3 MPa，因此確定系統(tǒng)的回油壓力最大不超過0.25 MPa。

3.4 防止系統(tǒng)大量漏油問題

為保障多架飛機(jī)同時(shí)開展與液壓系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)習(xí)科目且能向10個(gè)機(jī)庫供油，需較長(zhǎng)的液壓管路(總長(zhǎng)達(dá)370 m)，如果管路漏油或飛機(jī)部附件漏油，將造成極大的環(huán)境污染和浪費(fèi)，尤其地溝內(nèi)的管路一旦漏油還不易被發(fā)現(xiàn)。為解決這個(gè)問題，在設(shè)計(jì)時(shí)制定如下方案：

(1)地溝內(nèi)管路密封方式不采用喇叭式的連接，改為O形圈法蘭連接，提高密封效果。泵源與地溝管路的連接改為軟管連接，減小壓力源的振動(dòng)對(duì)地溝導(dǎo)管的影響，避免因振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)管連接松動(dòng)漏油。

(2)在泵源至地溝管路連接的高壓和回油管路中設(shè)置截止閥，工作停止后關(guān)閉截止閥，避免因地溝管路漏油導(dǎo)致泵源油箱油液泄漏。同時(shí)，當(dāng)?shù)販瞎苈仿┯蜁r(shí)，由于兩端密封管路因漏油產(chǎn)生負(fù)壓，可減小漏油量。

(3)在液壓管路上設(shè)置進(jìn)行密封增壓的接頭，利用設(shè)置在液壓管路上的液壓表，定期對(duì)連接管路進(jìn)行密封增壓檢查。

(4)液壓泵房由專人負(fù)責(zé)進(jìn)行操縱觀察、檢查，定期檢查管路的密封性。

3.5 系統(tǒng)油液污染問題

現(xiàn)代飛機(jī)油液的清潔度要求比較高。系統(tǒng)油液污染主要來自3個(gè)方面：介質(zhì)油液和管路的污染；系統(tǒng)支路間的交叉污染；長(zhǎng)期不用的單個(gè)支路中的油液變質(zhì)引發(fā)的污染。只要出現(xiàn)這3種情況中的1種，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的油液清潔度，進(jìn)而影響飛機(jī)液壓系統(tǒng)的安全。

介質(zhì)油液和管路的污染可以通過添加的油液和管道的選材、管道的拆裝進(jìn)行嚴(yán)格的管理和控制。為防止各支路回油造成的污染，在各支路回油路上加裝精密油濾，解決系統(tǒng)支路間的交叉污染問題。為防止單個(gè)支路長(zhǎng)期不用油液變質(zhì)引發(fā)的污染問題，可在操縱規(guī)程中詳細(xì)規(guī)定單支路定期串油循環(huán)的時(shí)間。

4 結(jié)論

為解決地面油泵車帶來的噪聲和振動(dòng)問題，并極大削弱供油時(shí)帶來的油液泄漏和污染的問題，本文作者提出了一種集中供壓保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)行地面集中供壓時(shí)優(yōu)于地面油泵車。該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：(1)能從根本上解決噪聲和振動(dòng)問題，將液壓源的噪聲和振動(dòng)限制在人員操縱空間之外，保證操縱空間的安靜。(2)極大地削弱了油液泄漏和污染問題，油液的利用率大幅度提高，節(jié)省了液壓油的使用量。(3)可對(duì)其中心供壓部分進(jìn)行可擴(kuò)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以極大地提高其可擴(kuò)展性和操縱性。實(shí)踐也證明，集中供壓對(duì)國(guó)內(nèi)許多修理廠具有積極意義，其維護(hù)成本與其購置成本相比微不足道。無論是從教學(xué)工作的需要，還是從經(jīng)濟(jì)性、維修性、操縱性等方面來說，設(shè)計(jì)集中供壓的液壓源保障系統(tǒng)可較好改善外場(chǎng)維護(hù)和教學(xué)工作環(huán)境。