基于油污染的航空液压系统故障预防

齐 剑

（昌河飞机工业有限责任公司，景德镇 333000）

有研究表明，液压泵、各类液压阀、执行元件的主要故障由液压油污染引起。污染物在系统中形成或者由外界进入。污染物在系统中循环时会损伤组件表面，影响各类液压阀阀芯及执行元件的正常运行，从而导致系统故障[1]。目前，油污染已成为影响液压系统正常运转的一大难题。为了有效解决这一问题和延长液压系统元件的使用寿命，需要深入探索故障成因，并寻求有效的预防措施。文章主要介绍油污染及其来源、污染造成的损坏、故障类型、液压油污染测量标准及测量方法、油污染引起的液压系统的故障预防，阐述了离线过滤系统的优点，并给出了防止液压油污染的相关措施。

1 污染物及其危害

固体不溶性污染物如沙砾、灰尘及金属颗粒是液压系统中的污染物之一，会对液压系统造成巨大危害。液压系统主要涉及3 种污染源，分别为进入污染、内部污染以及内部产生的污染物。进入污染主要在液压油箱通气孔损坏时产生、作动筒和密封件处产生、维护期间产生、加注新油时产生、通过大气进入产生。内部污染主要在液压油性能降低时产生、液压元件和管路问题导致产生以及部件碎屑产生。内部产生的污染物主要来源于固体颗粒物的磨损。文章研究仅限于固体颗粒污染。

2 污染造成的损坏

固体颗粒污染物呈现出不同的形状和尺寸，共同点是对部件表面造成磨损和疲劳。这种磨损和表面疲劳造成了约90%的性能降低故障，严重时影响液压系统内部元件的正常工作。

3 油污染引起的故障类型

3.1 灾难性故障

当大颗粒进入泵或阀体导致流量减少或停止时，会发生灾难性故障。例如，固体颗粒污染物的进入会导致齿轮卡在转子槽；各类电磁阀内部阀芯会因为固体颗粒污染物的进入而不能完全关闭或打开，也会导致节流孔被完全堵住。这些均会造成液压系统元件突然丧失功能。

3.2 间歇性故障

固体颗粒污染物会妨碍阀芯的正常运动。例如，阀座材料具有很高的强度，虽然颗粒不能进入阀座与阀体之间，但是会影响阀芯的正常关闭。当阀口再次打开时，颗粒可能会被冲走，之后会有颗粒再次阻碍阀座的完全关闭，然后再被液流冲走，导致液压元件间歇性故障。

3.3 退化性故障

液压元件如果长期受到颗粒的磨损、腐蚀、冲刷，元件表面会出现疲劳现象。例如，液压作动筒活塞杆表面及外部密封件长期受外部或内部固体颗粒物的磨损，活塞杆密封性能逐渐下降，久而久之导致密封性能完全失效。

4 航空液压油清洁度的评定标准

当前，欧美国家在确保飞行器液压系统能够安全运行的情况下，普遍使用NAS 1638、ISO 1128（AS 4059）以及ISO 4406-1999（E）这3 个不同的标准。20 世纪70 年代末，我国开始着手探索有效的污染控制技术。基于ISO 1128（AS 4059）的指导原则，紧跟全球最新的技术潮流，制定《航空工作液固体污染度分级》（GJB 420B—2015）作为我国重要的军用标准[2]。

5 液压油测试的主要性能参数及固体颗粒数测试方法

5.1 液压油测试的主要性能参数

液压油的分析测试主要关注黏度、含水量、中和指数以及固体颗粒计数4 个性能参数的变化。其中：黏度与液压油原始性能相比，±10%的变化被认为是过度的；含水量在饱和温度下的可接受水平为小于0.025%；中和指数主要用来检查添加剂是否变质或过度氧化；固体颗粒计数时，应指定清洁度等级来描述液压系统主要部件的清洁度，如表1 所示[3]。

表1 国内外标准要求的主要的液压元件清洁度等级

5.2 固体颗粒数测试方法

流体中污染物颗粒大小的分布可以使用自动颗粒计数器、重量计和显微镜来测量颗粒物的数量。文章重点介绍遮光型自动颗粒计数器。

5.2.1 自动颗粒计数法

自动颗粒计数器测量技术是一门新兴的边缘计量领域，主要分为遮光型（光阻法）、光散射型以及电阻型等（优缺点见表2），其中遮光型的应用最普遍。

表2 遮光型（光阻法）、光散射型、电阻型优缺点

遮光型自动颗粒计数器原理如图1 所示。从激光光源发出的光射向检测区后，被聚集成一束非常均匀且平行的光束，穿过检测区的窗口射向光电接收器。检测区部分由透明的光学材料制成，被测试液样沿垂直方向从中通过，在流经窗口时被来自光源的均匀平行光束照射。光电接收器将接收的光传输至光电转换模块转换为电信号，后经前置放大器传输到计数器。

图1 遮光型自动颗粒计数器原理

自动颗粒计数法具有操作简单方便、检测率高、精确性极强及样本需求量低等优点，可以有效降低操作时的人为因素影响。然而，它仍然存在局限性。例如，只能使用10 mL 油样，因此只能对其放大10 倍，从而计算出100 mL 的颗粒数，取样体积的准确性将直接影响最终结果[4]。但是，实践操作中由于各种因素的影响，很难完全避免取样时外界引入的微小污染，使得最终的检验结果远远低于预期。然而，自动颗粒计数仪难以准确识别出油样中的悬浮物、微小气泡及其他非固态物质[5]，因此采集设备的准确度及对采集样本的处理程度会对测试的准确度产生较大影响。

5.2.2 重量法

重量法是一种衡量液压油中颗粒污染物的有效方法，具有仪器价格低和操作方便的优点。该方法是通过过滤和称重确定油液中颗粒污染物的总量，但由于无法准确识别颗粒的大小和尺寸分布，无法准确反映机械杂质的危害程度。

5.2.3 显微镜颗粒计数法

战争结束后，曾树生回到了自己的城市。当她敲开门的那一刻，她满怀期待的以为自己的丈夫或孩子会开门迎接自己，可是结果却出乎意料。当她得到自己丈夫去世的消息时，内心是极度的悲伤。她内心一直以为，因为自己的离开才导致了丈夫的离世。当她走在街道上，丈夫去世，儿子失联，而此时，她恐怕也拒绝了陈主任的追求，他满怀期待的归来，结果得到的只是满满的负罪感和内疚感。在战争已经胜利的夜晚，家家户户都在庆祝劫难的逝去，然而她却没有了家。她因为要摆脱这家庭沉重的桎梏而离开家庭，寻找自由，得到的却是更加空虚的内心的悔恨，这不能不说是一个悲剧。寒夜太寒冷了，她需要温暖。

使用显微镜颗粒计数法，可以有效检测航空液压油中的固体颗粒污染物。这种方法可以通过动态图像法、静态图像法和电镜法实现。此外，根据《用显微镜计数法来测定航空工作液的固体颗粒污染度》（GJB 380.5A—2015）的相关规范，这种方法可以有效测定航空液压油的固体颗粒污染度[5]，显著特性在于经济实惠，操作便捷，能够获得更加准确的圆形度、长径比等形态数据，但是不能有效检测油样中小于2 μm 的颗粒污染物。由于检测速率缓慢，对精密微量物质的检测精度也有一定的限制，其精确性往往依赖于操作人员的经验和判断力。图像分析仪虽然可以解决人工计数存在的问题，但是其成本相对较高。

6 液压系统因油污染而失效的预防方法

以下两种方法被证明可用于防止高污染水平而导致的液压系统故障。

6.1 在线式过滤系统

在线式过滤系统用于分离污染产生的固体颗粒，从而使液压系统保持尽可能低的污染水平。适当过滤可为液压系统及其部件提供低故障和低维护，从而延长部件的使用寿命。为实现高效的液压油过滤，应该选择合适的过滤器尺寸、过滤等级和滤芯材料。

6.1.1 过滤器大小的选择

选择过滤器大小时要考虑的参数包括流量、额定工作压力、部件要求的清洁度等级、工作介质和工作温度[6]。

6.1.2 过滤器的等级选择

选择过滤器等级时，要考虑的参数包括纳污能力、过滤精度以及压差特性。纳污能力是过滤器可以捕获的污染物量的量度，表示基于过滤器可以捕获的颗粒重量的等级。过滤器必须具有足够的纳污能力。过滤精度表示特定大小的粒子有多少可以通过。压差特性指当液压油流经过滤器时，由于自身阻力在滤芯两端形成的压差。压差特性是衡量液压滤芯综合性能的重要标志。

6.1.3 滤芯材料的选择

不同滤芯材料的比较如表3 所示，可用作基于各种重要参数选择滤芯材料的指南，如性能（捕获效率）、纳污能力、压差、寿命以及初始成本。

表3 滤芯材料的比较

6.2 离线式过滤系统（辅助过滤）

离线式过滤系统独立于主液压系统，由一个带电机和过滤器的独立泵组成。首选从粗级到细级（25 μm、15 μm、5 μm 和2 μm）的一系列过滤器，以避免敏感的精细过滤器。液压油通过泵输送并连续返回油箱。这种过滤系统非常有用，特别是当系统不经常使用且有一段时间未运行时，能够在启动系统之前将液压油保持在恒定的污染水平。它在现有系统上相对容易改造，无须关闭主系统即可维修或更换过滤器，且具有相对较低的初始成本。

7 防止油污染的措施

防止液压油污染的第一道防线是防止固体颗粒污染物进入液压系统。可以在系统启动之前去除污染物，以防止系统在工作周期中发生故障。相关人员应采用一些措施和技术来控制液压油污染，以延长液压元件的使用寿命，最大限度保证液压系统的正常工作。

7.1 液压油箱控制污染物的措施和技术

第一，安装带有空气滤芯的通气孔；第二，安装水分离器，以去除进入油箱的空气中的水分；第三，安装挡板和回油管扩散器，以防止油液搅动将空气混入油液；第四，每当油箱被清空时，必须要彻底清除油箱内部残留的污染物。此外，要有新油不净的意识。一般新油的清洁度在NAS9 级以上，达不到系统要求，需要在加油前过滤，以减少油液里面的微粒。同时，运输、加油过程也不可避免会带入杂质，所以新油加注前的过滤十分必要。

7.2 液压系统在设计组装和后期维护使用时控制污染物的措施和技术

第一，提供离线过滤系统。第二，由于工作温度高，提供油冷却器，以避免油液降解。第三，部件在安装到系统前进行彻底的清洗。第四，使用波纹管或密封元件防止执行元件的活塞杆暴露在大气粉尘中或防止粉尘进入活塞杆与壳体的运动面之间。第五，在确保液压系统所需保护的关键位置提供过滤器组件。第六，提供机械压差式油滤污染指示器，或安装压差指示灯。第七，定期分析液压油，检测过热、污染增加等问题。第八，及时维护或更换过滤器。

8 结语

文章描述了液压油污染的严重性、测量方法和最小化污染的技术。为了防止基于油污染而导致的液压系统故障，还可以考虑3 点：一是在适当的位置提供具有适当额定值的过滤器，以保护关键的液压元件；二是通过离线过滤系统对液压油进行连续清洁，以恢复最初的油清洁度；三是监测油品污染程度，以便检测污染的情况，必要时及时处理。