一種實時檢測液壓油清潔度等級裝備的設(shè)計與實現(xiàn)

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)中傳遞流體動力、提供潤滑作用的工作介質(zhì)液壓油的清潔度等級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，時刻保持裝備液壓系統(tǒng)液壓油清潔，并定期檢測液壓油清潔度等級尤為重要，是保證裝備液壓系統(tǒng)長期穩(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)加工過程、清洗過程以及液壓系統(tǒng)工作過程。生產(chǎn)加工過程中，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)工作過程中，相對運動的液壓元件、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)在裝備日常維護與故障修復(fù)過程。裝備加油、循環(huán)清洗、清潔度檢測、管路接頭擦拭等日常維護過程，均會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，在環(huán)境無法保證的極端條件下，裝備故障修復(fù)過程中不可避免的會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

對液壓系統(tǒng)來講，液壓油中混有污染物的危害是極其嚴重的，將直接影響液壓系統(tǒng)工作性能，降低液壓元件使用壽命，嚴重時將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障，無法正常工作。

液壓油中混有固體顆粒污染物時，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，將加速液壓油氧化變質(zhì)，且工作過程中易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，破壞液流連續(xù)性，造成壓力與流量脈動，氣泡隨液流進入高壓區(qū)時迅速破滅，造成局部沖擊和高溫，產(chǎn)生振動和噪聲；混有水分時，易引起液壓油水解變質(zhì)，黏度降低，油膜變薄，潤滑性能降低，直接影響液壓元件工作壽命[7-8]。

2 液壓油清潔度等級檢測方法及局限性

目前，國內(nèi)外各行業(yè)應(yīng)用較為普遍的液壓油清潔度等級檢測方法都是通過靜態(tài)取樣的方式進行，即從裝備油箱中抽取液壓油樣品，經(jīng)專用儀器檢測或直接將儀器檢測管伸入油箱中進行檢測，從而確定液壓油清潔度等級。該方法操作簡單，易于實施，但存在一定的局限性，因在收集液壓油樣品的過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不同，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，該方法不能及時發(fā)現(xiàn)液壓油污染，起不到事先預(yù)防作用，因此設(shè)計一種能夠?qū)崟r檢測液壓油清潔度等級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(以下簡稱清洗機)由電機、泵、高精度過濾器、油箱、管路與接頭以及外置的2根相同的連接管組成，電機通過聯(lián)軸器與泵相連，清洗機循環(huán)清洗工作原理如圖1所示。

圖1 清洗機循環(huán)清洗原理圖

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

如圖2所示，將連接清洗機接頭3、接頭4的2根連接管一端拔下，分別與加油機的接頭3、接頭4連接，從而使清洗機與加油機液壓系統(tǒng)管路處于連通狀態(tài)。關(guān)閉K3，斷開加油機油路與氣路連接，啟動清洗機電機驅(qū)動泵工作，在泵的工作壓力作用下，加油機中的液壓油經(jīng)加油機與清洗機內(nèi)部的過濾器過濾，實現(xiàn)裝備對接后循環(huán)清洗功能。

圖2 裝備對接后循環(huán)清洗原理圖

清洗機在對自身以及對加油機循環(huán)清洗過程中，通過高精度過濾器的過濾精度與清洗時間保證液壓油清潔度等級，當(dāng)清洗機長時間使用后，殘留在過濾器濾芯上的污染物增加，過濾器進、出油口兩端壓差增大，過濾能力下降，采取延長清洗時間或更換新過濾器的措施來保證液壓油清潔度等級，清洗后再通過靜態(tài)取樣檢測液壓油清潔度等級，效率低下，已滿足不了客戶執(zhí)行任務(wù)的時間考核要求。因此，對清洗機進行設(shè)計改進，使其具備實時檢測液壓油清潔度等級的功能十分必要。

4 設(shè)計改進方案分析研究

針對清洗機在對加油機循環(huán)清洗過程中無法實時檢測液壓油清潔度等級的現(xiàn)狀，在不影響清洗機功能與性能的基礎(chǔ)上對其進行設(shè)計改進分析研究，分析研究ab段、cd段與ef段3種設(shè)計改進方案，方案分段示意如圖3所示。

圖3 設(shè)計改進方案分段示意圖

ab段與cd段設(shè)計改進方案僅需對清洗機外置的連接管進行設(shè)計改進，連接管中間增加1個三通接頭、專用測壓接頭與顆粒度分析儀(以下簡稱分析儀)連接；ef段設(shè)計改進方案需對清洗機油濾接頭、管路與面板進行設(shè)計改進，通過改進后的油濾接頭、管路、裝于面板上的專用測壓接頭與分析儀連接。

經(jīng)分析，ab段設(shè)計改進方案存在原理可行性問題，無法實現(xiàn)檢測液壓油清潔度等級的功能；cd段設(shè)計改進方案存在液壓油清潔度等級檢測結(jié)果的有效性問題，不能真實反映加油機中液壓油清潔度等級，因此ab段與cd段設(shè)計改進方案均不采用。

ef段設(shè)計改進方案中液壓油經(jīng)接頭4、連接管2通過過濾器過濾后，經(jīng)連接管1、接頭3回到油箱中，實現(xiàn)循環(huán)清洗功能。循環(huán)清洗過程中液壓油經(jīng)三通接頭、內(nèi)置管路、專用測壓接頭分流至分析儀中進行檢測，實現(xiàn)循環(huán)清洗過程中實時檢測液壓油清潔度等級的功能，且檢測到的等級與加油機中液壓油清潔度等級一致，真實反映了加油機中液壓油清潔度等級，方案合理可行，因此采用ef段設(shè)計改進方案。

當(dāng)分析儀檢測液壓油清潔度等級達到NAS1638 5級時，經(jīng)過濾器再次過濾后，液壓油清潔度等級更優(yōu)，從而保證加油機加到最終執(zhí)行飛行任務(wù)的產(chǎn)品中的液壓油清潔度等級優(yōu)于NAS1638 5級使用要求。

為保證分析儀檢測液壓油清潔度等級結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測前關(guān)閉K3、打開K1，先進行循環(huán)清洗過程，通過加油機液晶顯示屏實時監(jiān)控液壓系統(tǒng)油溫，當(dāng)油溫顯示25 ℃(推薦值)時，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)清洗過程中實時檢測液壓油清潔度等級，通過調(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)計改進方案中油濾接頭改進前、后結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 油濾接頭改進結(jié)構(gòu)圖

5 試驗驗證與工程應(yīng)用情況

如圖5所示，設(shè)計改進后的清洗機通過2根連接管與加油機連接，通過安裝于面板上的專用測壓接頭與分析儀連接，循環(huán)清洗過程中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥K1設(shè)定系統(tǒng)工作壓力，通過分析儀即可實時檢測液壓油清潔度等級，檢測完成后自動打印檢測結(jié)果，無需循環(huán)清洗結(jié)束后再通過靜態(tài)取樣方式檢測液壓油清潔度等級，避免了取樣過程中的二次污染。

圖5 裝備實時檢測液壓油清潔度等級連接示意圖

循環(huán)清洗過程中液壓油清潔度等級檢測結(jié)果如表1所示。

表1 液壓油清潔度等級測試結(jié)果

經(jīng)調(diào)研，改進后的清洗機交付全國各地客戶使用后，口碑良好，操作簡單，優(yōu)化清潔度等級檢測流程，節(jié)約時間成本，提升工作效率，促使客戶在規(guī)定的時間內(nèi)順利通過考核。

6 結(jié)論

液壓油污染物對液壓系統(tǒng)造成的危害是極其嚴重的，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，嚴重時將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法正常工作，因此時刻保持裝備液壓系統(tǒng)液壓油清潔并定期檢測液壓油清潔度等級尤為重要，是保證裝備液壓系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠工作的一項重要條件。

主要針對清洗機在自身以及對加油機循環(huán)清洗過程中無法實時檢測液壓油清潔度等級的現(xiàn)狀，對清洗機進行設(shè)計改進分析研究，分析研究3種改進方案，在不影響清洗機原有功能與性能的基礎(chǔ)上進行設(shè)計改進。通過試驗驗證表明，改進后的清洗機實現(xiàn)了循環(huán)清洗過程中實時檢測液壓油清潔度等級的功能，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，且無需在循環(huán)清洗完成后再通過取樣方式進行檢測，避免了取樣過程中的二次污染，節(jié)約時間成本，提升工作效率，交付客戶使用后口碑良好。