淺談油濾流阻特性對液壓系統(tǒng)性能影響

李立恒 楊國斌

摘要：油濾在液壓系統(tǒng)中被普遍應(yīng)用，其功用和結(jié)構(gòu)原理相對簡單，但在實際應(yīng)用中，油濾常因未正確選擇和定期維護導(dǎo)致流動阻力變化，造成液壓系統(tǒng)運行異常。本文通過典型案例分析油濾流阻特性對液壓系統(tǒng)性能的影響，提高液壓系統(tǒng)設(shè)計和使用人員對應(yīng)用合適的過濾系統(tǒng)延長液壓系統(tǒng)使用可靠性和壽命的認識。

關(guān)鍵詞：油濾；流阻特性；液壓系統(tǒng)；性能；影響

Keywords：oil filter；flow resistance；hydraulic system；performance；influence

0 引言

液壓過濾器簡稱油濾，是液壓系統(tǒng)中的重要輔助裝置，其功用在于濾除油液中的雜質(zhì)，降低油液污染度，防止雜質(zhì)進入對油液污染度敏感的液壓元件內(nèi)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)運行異常。合適的油濾是液壓系統(tǒng)長壽命運行必不可少的條件。

由于油濾是利用濾芯表面的小孔和微小間隙來濾除油液介質(zhì)中的雜質(zhì)，油液流過濾芯時必然會產(chǎn)生流動阻力，形成壓力損失。正常情況下，合理選用油濾，該壓力損失一般不會影響系統(tǒng)的使用性能，甚至還可以起到減小壓力脈動和穩(wěn)壓作用，但當(dāng)油濾的流動阻力超出設(shè)計指標(biāo)時，就可能影響液壓系統(tǒng)的壓力和流量性能，造成液壓系統(tǒng)運行異常，且引起的系統(tǒng)性能故障常常呈隱性而難以發(fā)現(xiàn)，使故障排除難度變大。本文通過對三例油濾流阻變化導(dǎo)致液壓系統(tǒng)性能紊亂情況的分析，闡述正確選擇和清潔維護油濾的重要性。

1 設(shè)備油濾未清潔

1）故障現(xiàn)象

某型電機驅(qū)動式齒輪泵（下稱燃油泵）進行零壓性能試驗時，要求燃油泵進口壓力為0MPa，出口流量為0L/min，在規(guī)定轉(zhuǎn)速條件下，檢測燃油泵出口壓力值。設(shè)備原理圖如圖1所示。在燃油泵穩(wěn)定運轉(zhuǎn)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)進口壓力P1逐漸由0MPa降低至-40kPa，而正常情況下 P1壓力值應(yīng)始終保持為0MPa不變。

2）故障原因排查

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)原理分析，逐一排查了“設(shè)備油箱與外界大氣連通狀態(tài)”“P1壓力變送器良好狀況”和“油箱加注量”等可能引起進口負壓的因素，均未能有效排除壓力異常故障。

分解油濾2，使用超聲波清洗后恢復(fù)安裝，燃油泵重新裝聯(lián)試驗，進口壓力P1恢復(fù)正常，故障排除。

3）故障機理分析

設(shè)備使用維護規(guī)程規(guī)定，油濾每三個月應(yīng)清洗或更換濾芯一次，在設(shè)備出現(xiàn)故障前，距離上一次油濾清潔維護時間間隔將近兩個月，期間設(shè)備用于燃油泵分解前性能檢測和裝配后調(diào)試、試驗的次數(shù)累計達80余次。燃油泵在進行分解前性能檢測時，燃油泵外表和內(nèi)部通道可能殘留有雜質(zhì)，在試驗過程中雜質(zhì)被帶入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)油濾過濾后附著在油濾濾芯表面，隨著試驗數(shù)量和時間的積累，濾芯表面附著的雜質(zhì)增加，網(wǎng)孔被堵塞，油濾流動阻力增大，通流能力下降。燃油泵為定量泵，供油量基本保持不變（不考慮泄露損失、填充損失情況），當(dāng)油濾的通流能力降低至無法滿足正常供油給燃油泵時，出現(xiàn)Q需求>Q供應(yīng)情況，那么油濾至燃油泵進口之間的容積腔內(nèi)會出現(xiàn)真空現(xiàn)象，導(dǎo)致進口壓力P1由大氣環(huán)境壓力下降至真空狀態(tài)，壓力顯示為負壓。

2 設(shè)備油濾規(guī)格改變

1）故障現(xiàn)象

某型滑油泵結(jié)構(gòu)為內(nèi)嚙合式齒輪泵，抽真空能力較強，進口壓力在一定負壓范圍內(nèi)仍具備良好的吸油性能。根據(jù)滑油泵的使用特性，修理過程中需要模擬試驗空中供油性能，即檢測不同進口負壓和轉(zhuǎn)速條件下滑油泵的出口供油量，其中最小進口壓力為-80kPa。某滑油泵在性能試驗臺上進行進口壓力為-80kPa的空中性能試驗時，滑油泵的出口供流量低于設(shè)計指標(biāo)要求，不滿足工藝規(guī)定要求，其他進口負壓和常壓條件下供油性能試驗結(jié)果合格，如圖2所示。

2）故障原因排查

使用試驗合格的滑油泵進行試驗驗證，滑油泵在-80kPa狀態(tài)下出口供油量不合格，排除滑油泵自身故障原因。

滑油泵出口供油量用渦輪流量計測量，檢查渦輪流量計性能狀況良好，清洗流量計渦輪及內(nèi)部通道后恢復(fù)裝配，重新進行空中性能試驗，進口壓力為-80kPa狀態(tài)下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一定時間后，故障復(fù)現(xiàn)。

采取向滑油箱加注滑油至最大液位和更換供油管路連接處密封墊圈（密封墊圈材質(zhì)為氟塑料，擠壓變形后密封環(huán)內(nèi)徑會減小即通油截面減小，容易影響供油量）措施，故障仍未排除。

分解滑油泵試驗臺進口油濾并用超聲波進行清洗后再次試驗，在進口壓力為-80kPa狀態(tài)下空中供油性能試驗合格，反復(fù)試驗，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，故障排除。

3）故障機理分析

設(shè)備使用維護規(guī)程規(guī)定，完成規(guī)定的試驗臺次后應(yīng)進行油液固體顆粒污染度檢測，當(dāng)固體顆粒污染度檢測結(jié)果劣于規(guī)定要求時應(yīng)清洗系統(tǒng)和更換油液?？紤]到試驗臺原進口油濾精度等級較低，滑油泵自身工作環(huán)境惡劣容易使試驗油液介質(zhì)被污染從而造成設(shè)備維護頻次增加、油液浪費，出于延長試驗臺維護間隔的目的將進口油濾濾芯規(guī)格由30μm更換為10μm，提高了油濾過濾精度，但同時造成了油濾的通流能力減小，流動阻力增大。

此外，試驗所使用的油液介質(zhì)為4109合成航空潤滑油，該潤滑油運動粘度較大，加之進口油濾過濾能力提高，濾芯表面附著雜質(zhì)增速加快，濾芯表面小孔和微小間隙被堵塞，油液介質(zhì)的流動阻力進一步增大，導(dǎo)致進口滑油壓力過度降低。當(dāng)進口壓力低于空氣分離壓時，溶解在滑油中的空氣析出，形成游離狀態(tài)的氣泡被吸入滑油泵進口，吸入空氣占據(jù)一定的有效容積，形成填充損失，故滑油泵供油性能下降。這也說明了為什么滑油泵供油性能只在進口壓力為-80kPa狀態(tài)下異常的原因，是因為-80kPa為最低試驗進口壓力，表明在該壓力下最早形成空氣分離壓。

3 油濾外形結(jié)構(gòu)變形

1）故障現(xiàn)象

某型發(fā)動機試車過程中出現(xiàn)80%狀態(tài)以上轉(zhuǎn)速跳動量超標(biāo)和燃油出口壓力脈動幅度偏大現(xiàn)象，經(jīng)故障定位為發(fā)動機供油調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的供油機構(gòu)供油異常。

2）故障原因排查

供油機構(gòu)返修后進行性能復(fù)測，試驗結(jié)果滿足工藝規(guī)定要求。通過研究分析，認為發(fā)動機試車轉(zhuǎn)速和燃油出口壓力異常的主要原因可能是供油機構(gòu)供油不穩(wěn)定。由于當(dāng)前供油機構(gòu)修理性能考核指標(biāo)中沒有供油穩(wěn)定性檢測項目，因此通過模擬發(fā)動機不同試車狀態(tài)下對應(yīng)的輸入供油機構(gòu)的轉(zhuǎn)速和油門角度，檢查供油機構(gòu)供油穩(wěn)定情況，并隨機抽取多臺修理合格的供油機構(gòu)進行試驗數(shù)據(jù)對比。對比發(fā)現(xiàn)，供油機構(gòu)的供油量脈動差異較大，脈動范圍為0～40L/h，返修供油機構(gòu)出口供油量在一定周期內(nèi)的最大脈動量為31L/h（見圖3），而供油穩(wěn)定性能較好的產(chǎn)品的供油脈動量不超過10L/h。將供油穩(wěn)定性較好的供油機構(gòu)串裝后試車，發(fā)動機試車性能恢復(fù)正常。故根據(jù)供油機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理，查找可能誘發(fā)供油機構(gòu)出口流量脈動的關(guān)聯(lián)因素。

如圖4所示，供油機構(gòu)主要由燃油泵（齒輪泵）、電機油門控制組合、限壓活門、壓差活門和油濾組成，其中電機油門控制組合為通流截面可調(diào)的節(jié)流裝置，當(dāng)發(fā)動機處于某試車狀態(tài)時，油門角度固定即表示供油截面積固定，不會引起供油不穩(wěn)定。

限壓活門用于控制供油機構(gòu)出口壓力，通過平衡作用于活門的彈簧力來控制油壓，因該處彈簧剛性較大且出口壓力相對穩(wěn)定，故閥口的節(jié)流特性穩(wěn)定，說明其不是導(dǎo)致供油機構(gòu)出口流量脈動的主要原因。

如圖5所示，燃油泵采用外嚙合齒輪泵，主要由殼體、主動齒輪、從動齒輪、固定軸承、浮動軸承和彈簧組成，其中，浮動軸承受多個彈簧作用力，使浮動軸承與齒輪端面緊密貼合，減小齒輪泵端面間隙。由于各彈簧之間存在自由高度、剛性等個性差異，導(dǎo)致浮動軸承端面承受的作用力不均勻，齒輪在高速運轉(zhuǎn)過程中浮動軸承圓周端面承受的彈簧作用力就可能存在周期性振蕩，在振蕩周期內(nèi)齒輪泵內(nèi)部泄漏量不一致，就會導(dǎo)致燃油泵供油量不穩(wěn)定。此外，外嚙合齒輪泵自身還存在周期性供油脈動特性，兩種關(guān)聯(lián)因素疊加，極有可能造成供油脈動量增大。通過選配燃油泵的主從動齒輪和彈簧后，重新進行調(diào)試、試驗，供油穩(wěn)定性無明顯改善，因此排除此可能原因。

通過更換不同油濾試驗驗證，發(fā)現(xiàn)供油穩(wěn)定情況存在差異，選用穩(wěn)定性能較好的油濾后，供油機構(gòu)重新裝機試車，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和出口燃油壓力穩(wěn)定性良好，故障排除。

3）故障原因分析

油濾主要由骨架和濾網(wǎng)組成，其中濾網(wǎng)為多個均勻、規(guī)則彎折的波紋結(jié)構(gòu)，如圖6所示。通過對比已裝機使用的油濾和新件油濾的外形結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)裝機使用的油濾存在液壓沖擊造成的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形。油液流經(jīng)變形油濾后的動態(tài)特性會發(fā)生改變，油液流速和流向?qū)l(fā)生急劇變化，油液內(nèi)部形成擾動、沖擊等紊流現(xiàn)象，不僅流動阻力增大，而且容易造成供油壓力振蕩，又因供油流量穩(wěn)定性與壓力脈動相互關(guān)聯(lián)，故供油流量產(chǎn)生響應(yīng)，從而誘發(fā)供油量脈動不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

參考文獻

[1]吳琪華，賀惠珠，張加幀.航空發(fā)動機調(diào)節(jié)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[2]王積偉.液壓傳動[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1986.

作者簡介

李立恒，助理工程師，從事機電附件修理技術(shù)研究。