外場地面集中供壓保障系統(tǒng)設計

楊安元,胡翔翔

(1.空軍工程大學航空機務士官學校，河南信陽 464000；2.中國人民解放軍94916部隊,江蘇南京 210022)

0 前言

目前外場日常維護和教學工作中均采用地面油泵車為液壓源，其良好的靈活性和機動性特點能較好適應作戰(zhàn)需要，但同時也存在維護成本高、噪聲、污染和泄漏等一系列問題，不利于實踐教學工作的開展。基于此，本文作者擬設計一種以遠程控制為基本特征的外場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成本和液壓油的消耗，更好地滿足目前和未來外場實踐教學工作。該系統(tǒng)設計有飛機管路的清洗功能，可進行油液污染動態(tài)監(jiān)測和循環(huán)過濾清潔，同時兼具良好的可擴展性能，可根據(jù)新機型的液壓系統(tǒng)要求，通過適當調(diào)整泵站的壓力調(diào)節(jié)部分，滿足改裝機型的保障教學。

1 主要技術指標

主要技術指標：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級以上；電機轉(zhuǎn)速為1 440 r/min；供油流量為0～170 L/min，可差級調(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 技術方案

2.1 基本組成

擬設計的集中供壓保障系統(tǒng)由液壓泵站、連接管路和各機庫專用的單元操作臺組成。液壓泵站計劃向10個機庫供油、供壓，液壓泵站安置在10個機庫中間的某個房間內(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。每個機庫設置1個專用的單元操作臺，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。液壓泵站結構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、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成液壓泵站的主體，安置在封閉泵房內(nèi)。

2.2 工作概況

2.2.1 控制部分

利用計算機技術生產(chǎn)的PLC控制部分，具有運算、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。一方面實現(xiàn)對電機泵組的管理，控制其開和關，達到流量差級控制的目的；另一方面控制壓力控制部分，實現(xiàn)壓力的初級調(diào)節(jié)；還能控制油液自清潔部分的工作，實現(xiàn)對油液清潔度的控制，保證系統(tǒng)工作可靠。同時PLC控制部分與操縱臺的用戶顯示終端相連，可以直接顯示當前供壓系統(tǒng)用戶使用情況。

2.2.2 單元操作臺

單元操作臺設置在機庫內(nèi)，如圖3所示。

圖3 單元操作臺示意

單元操作臺上有指示系統(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。

單元操作臺上的工作按鈕可以向PLC控制部分輸送信號，實現(xiàn)遠程控制液壓泵組的啟動與停止。利用液壓軟管通過進油接頭與回油接頭與飛機上的地面接頭相連，打開進油開關和回油開關就可以向飛機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 單元操作臺管路示意

由于不同的實習科目需要的工作壓力不同，操作人員手動轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥的手輪，可以改變工作壓力，滿足使用要求。當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，PLC控制部分接通警告燈，提示操作人員。外場維護時通過單元操作臺控制系統(tǒng)的工作，也能完成本地操作，便于操作人員對液壓泵組進行控制。

2.2.3 供油部分

供油部分由4個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31.5 MPa)、梅花形彈性聯(lián)軸器、交流電機(功率18 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min)等組成。該電機泵組采用恒功率控制，即可根據(jù)壓力自動調(diào)節(jié)流量，因而可以作為常用泵組長時間使用。

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31.5 MPa)、梅花形彈性聯(lián)軸器和交流電機(功率15 kW，轉(zhuǎn)速1 440 r/min)等組成。該電機泵組采用高壓溢流控制，所需的流量較大時，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；在系統(tǒng)壓力達到高限值時，關停定量液壓泵組，因而定量液壓泵組是間歇使用的。由于電機與液壓泵采用一體化設計，能確保液壓泵與電機的軸線高度同心，從而大大減小電機泵組工作時的噪聲。

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)設置有精密油濾，總管路上也設置有精密油濾。在液壓泵的泄漏口設置一個油液取樣口，便于進行污染檢測。油液經(jīng)過高壓粗油濾和精密油濾的過濾，其清潔度可達到(GJB 420—87)6級以上，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，保證液壓泵的進油是清潔的，以延長液壓泵的使用壽命。雙筒回油濾一次只使用一個回油濾，當油濾的清潔度達不到要求時，可方便地轉(zhuǎn)換為使用另一個回油濾。

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，是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

當系統(tǒng)壓力有下降的趨勢時，PLC控制部分檢測到相應的電信號后，啟動交流電機的起動電路，使供油量增加，保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。而當液壓系統(tǒng)的壓力上升到高限值時，PLC控制部分關停定量液壓泵組，系統(tǒng)壓力不再增大。

2.2.6 油液散熱部分

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

2.2.7 參數(shù)測量系統(tǒng)

參數(shù)測量系統(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。使用國產(chǎn)傳感器，配以相應的二次智能儀表，可以滿足系統(tǒng)對于參數(shù)測試精度的要求。

2.2.8 在線污染監(jiān)控部分

在線污染監(jiān)控用于在線實時顯示油夜的污染度是否超標，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油箱內(nèi)的液壓油進行循環(huán)清洗。它由1個普通電機、自清潔油泵組、連接管路和3個油濾組成，精度分別為1、5、3 μm。

每間隔一段時間或污染指示燈亮時，PLC控制部分自清潔油泵組，對液壓油箱內(nèi)的油液進行循環(huán)清潔，也可手動打開操縱臺上的循環(huán)過濾閥門進行手動清潔，保證液壓油的清潔度達到要求，延長液壓油的使用壽命，降低外場維護費用，提高裝備訓練保障能力。

2.2.10 顯示報警部分

顯示報警部分主要負責對系統(tǒng)的供壓部分、動力部分及電氣部分的工作情況進行監(jiān)視和控制，如液壓油超溫、超壓的報警與保護，油液清潔度低導致油濾阻塞報警、系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的控制等。圖6所示為超溫、超壓報警與保護、油濾阻塞報警與顯示等原理框圖。

圖6 顯示、報警部分原理框圖

3 可行性分析

3.1 外場實習不同科目對流量的需求問題

外場實習科目的不同對流量的需求不同，有時所用飛機的架次多，有時架次少，有時所作科目所需流量大，有時所需流量小。為適應不同情況對流量的需求，避免不必要的能源浪費，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。當變量液壓泵內(nèi)的供油量滿足不了壓力和流量需求時，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的操作指令情況，可分別控制3套定量液壓泵組啟動1～3套泵組，系統(tǒng)的供油量可分別達到60、100、140、170 L/min，實現(xiàn)流量差級調(diào)節(jié)，減小電功率的損耗，降低維護保障成本。

3.2 多機種工作壓力相互干擾問題

多機種同時工作時，不同科目對液壓源壓力的要求不同。為避免工作壓力相互干擾，在每個單元操縱臺上都設置有減壓閥，減壓閥前后設置壓力表，分別指示泵源和飛機入口壓力的大小，操作人員轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥的手輪，改變其出口壓力的大小，就能實現(xiàn)壓力無級調(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，液壓油流動時會產(chǎn)生摩擦，導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為0～55 ℃，當油溫超過55 ℃時，要進行散熱處理。

3.3.2 系統(tǒng)油液清潔度

液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵和附件會產(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)的清潔度達到(GJB 420—87)5級以上，以滿足目前外場實習對清潔度(6級以上)的要求。

3.3.3 供油流量

在日常維護和教學工作中，檢查飛機收放系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)時，所需要的液壓壓力是21 MPa，每個實習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。利用多套電機泵組不同組合供油，可以使流量在 0～170 L/min之間實現(xiàn)差級調(diào)節(jié)。

3.3.4 供油壓力

目前的日常維護和教學工作中，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，且最遠端的機庫距液壓泵站150 m，則向最遠端的機庫供油的壓力損失為0.94 MPa。因此，系統(tǒng)的供油壓力應不小于22 MPa?？紤]到功能擴展，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的控制，可以使系統(tǒng)向?qū)嵙曪w機提供壓力為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

檢查飛機收放系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)時，飛機液壓油箱需要承受回油壓力。由于液壓油箱的結構強度較低，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

為保障多架飛機同時開展與液壓系統(tǒng)相關的實習科目且能向10個機庫供油，需較長的液壓管路(總長達370 m)，如果管路漏油或飛機部附件漏油，將造成極大的環(huán)境污染和浪費，尤其地溝內(nèi)的管路一旦漏油還不易被發(fā)現(xiàn)。為解決這個問題，在設計時制定如下方案：

(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，減小壓力源的振動對地溝導管的影響，避免因振動導致導管連接松動漏油。

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

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

(4)液壓泵房由專人負責進行操縱觀察、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)代飛機油液的清潔度要求比較高。系統(tǒng)油液污染主要來自3個方面：介質(zhì)油液和管路的污染；系統(tǒng)支路間的交叉污染；長期不用的單個支路中的油液變質(zhì)引發(fā)的污染。只要出現(xiàn)這3種情況中的1種，就會影響整個系統(tǒng)的油液清潔度，進而影響飛機液壓系統(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、管道的拆裝進行嚴格的管理和控制。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。為防止單個支路長期不用油液變質(zhì)引發(fā)的污染問題，可在操縱規(guī)程中詳細規(guī)定單支路定期串油循環(huán)的時間。

4 結論

為解決地面油泵車帶來的噪聲和振動問題，并極大削弱供油時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)進行地面集中供壓時優(yōu)于地面油泵車。該系統(tǒng)優(yōu)勢：(1)能從根本上解決噪聲和振動問題，將液壓源的噪聲和振動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)可對其中心供壓部分進行可擴展的優(yōu)化設計，以極大地提高其可擴展性和操縱性。實踐也證明，集中供壓對國內(nèi)許多修理廠具有積極意義，其維護成本與其購置成本相比微不足道。無論是從教學工作的需要，還是從經(jīng)濟性、維修性、操縱性等方面來說，設計集中供壓的液壓源保障系統(tǒng)可較好改善外場維護和教學工作環(huán)境。