李立恒 楊國(guó)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(duì)簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中，油濾常因未正確選擇和定期維護(hù)導(dǎo)致流動(dòng)阻力變化，造成液壓系統(tǒng)運(yùn)行異常。本文通過(guò)典型案例分析油濾流阻特性對(duì)液壓系統(tǒng)性能的影響，提高液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用人員對(duì)應(yīng)用合適的過(guò)濾系統(tǒng)延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)使用可靠性和壽命的認(rèn)識(shí)。

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(guò)濾器簡(jiǎn)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(jìn)入對(duì)油液污染度敏感的液壓元件內(nèi)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)運(yùn)行異常。合適的油濾是液壓系統(tǒng)長(zhǎng)壽命運(yùn)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(lái)濾除油液介質(zhì)中的雜質(zhì)，油液流過(guò)濾芯時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)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(huì)影響系統(tǒng)的使用性能，甚至還可以起到減小壓力脈動(dòng)和穩(wěn)壓作用，但當(dāng)油濾的流動(dòng)阻力超出設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，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(yùn)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(guò)對(duì)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(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)式齒輪泵（下稱燃油泵）進(jìn)行零壓性能試驗(yàn)時(shí)，要求燃油泵進(jìn)口壓力為0MPa，出口流量為0L/min，在規(guī)定轉(zhuǎn)速條件下，檢測(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(jìn)口負(fù)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(yàn)，進(jìn)口壓力P1恢復(fù)正常，故障排除。

3）故障機(jī)理分析

設(shè)備使用維護(hù)規(guī)程規(guī)定，油濾每三個(gè)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(hù)時(shí)間間隔將近兩個(gè)月，期間設(shè)備用于燃油泵分解前性能檢測(cè)和裝配后調(diào)試、試驗(yàn)的次數(shù)累計(jì)達(dá)80余次。燃油泵在進(jìn)行分解前性能檢測(cè)時(shí)，燃油泵外表和內(nèi)部通道可能殘留有雜質(zhì)，在試驗(yàn)過(guò)程中雜質(zhì)被帶入系統(tǒng)內(nèi)部，經(jīng)油濾過(guò)濾后附著在油濾濾芯表面，隨著試驗(yàn)數(shù)量和時(shí)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(dòng)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(wú)法滿足正常供油給燃油泵時(shí)，出現(xiàn)Q需求>Q供應(yīng)情況，那么油濾至燃油泵進(jìn)口之間的容積腔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)真空現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)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(fù)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(qiáng)，進(jìn)口壓力在一定負(fù)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(guò)程中需要模擬試驗(yàn)空中供油性能，即檢測(cè)不同進(jìn)口負(fù)壓和轉(zhuǎn)速條件下滑油泵的出口供油量，其中最小進(jìn)口壓力為-80kPa。某滑油泵在性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行進(jìn)口壓力為-80kPa的空中性能試驗(yàn)時(shí)，滑油泵的出口供流量低于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，不滿足工藝規(guī)定要求，其他進(jìn)口負(fù)壓和常壓條件下供油性能試驗(yàn)結(jié)果合格，如圖2所示。

2）故障原因排查

使用試驗(yàn)合格的滑油泵進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)測(cè)量，檢查渦輪流量計(jì)性能狀況良好，清洗流量計(jì)渦輪及內(nèi)部通道后恢復(fù)裝配，重新進(jìn)行空中性能試驗(yàn)，進(jìn)口壓力為-80kPa狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)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(huì)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(yàn)臺(tái)進(jìn)口油濾并用超聲波進(jìn)行清洗后再次試驗(yàn)，在進(jìn)口壓力為-80kPa狀態(tài)下空中供油性能試驗(yàn)合格，反復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，故障排除。

3）故障機(jī)理分析

設(shè)備使用維護(hù)規(guī)程規(guī)定，完成規(guī)定的試驗(yàn)臺(tái)次后應(yīng)進(jìn)行油液固體顆粒污染度檢測(cè)，當(dāng)固體顆粒污染度檢測(cè)結(jié)果劣于規(guī)定要求時(shí)應(yīng)清洗系統(tǒng)和更換油液?？紤]到試驗(yàn)臺(tái)原進(jìn)口油濾精度等級(jí)較低，滑油泵自身工作環(huán)境惡劣容易使試驗(yàn)油液介質(zhì)被污染從而造成設(shè)備維護(hù)頻次增加、油液浪費(fèi)，出于延長(zhǎng)試驗(yàn)臺(tái)維護(hù)間隔的目的將進(jìn)口油濾濾芯規(guī)格由30μm更換為10μm，提高了油濾過(guò)濾精度，但同時(shí)造成了油濾的通流能力減小，流動(dòng)阻力增大。

此外，試驗(yàn)所使用的油液介質(zhì)為4109合成航空潤(rùn)滑油，該潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度較大，加之進(jìn)口油濾過(guò)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(dòng)阻力進(jìn)一步增大，導(dǎo)致進(jìn)口滑油壓力過(guò)度降低。當(dāng)進(jìn)口壓力低于空氣分離壓時(shí)，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(jìn)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(shuō)明了為什么滑油泵供油性能只在進(jìn)口壓力為-80kPa狀態(tài)下異常的原因，是因?yàn)?80kPa為最低試驗(yàn)進(jìn)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(dòng)機(jī)試車過(guò)程中出現(xiàn)80%狀態(tài)以上轉(zhuǎn)速跳動(dòng)量超標(biāo)和燃油出口壓力脈動(dòng)幅度偏大現(xiàn)象，經(jīng)故障定位為發(fā)動(dòng)機(jī)供油調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的供油機(jī)構(gòu)供油異常。

2）故障原因排查

供油機(jī)構(gòu)返修后進(jìn)行性能復(fù)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果滿足工藝規(guī)定要求。通過(guò)研究分析，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)供油不穩(wěn)定。由于當(dāng)前供油機(jī)構(gòu)修理性能考核指標(biāo)中沒有供油穩(wěn)定性檢測(cè)項(xiàng)目，因此通過(guò)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同試車狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸入供油機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和油門角度，檢查供油機(jī)構(gòu)供油穩(wěn)定情況，并隨機(jī)抽取多臺(tái)修理合格的供油機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，供油機(jī)構(gòu)的供油量脈動(dòng)差異較大，脈動(dòng)范圍為0～40L/h，返修供油機(jī)構(gòu)出口供油量在一定周期內(nèi)的最大脈動(dòng)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(dòng)量不超過(guò)10L/h。將供油穩(wěn)定性較好的供油機(jī)構(gòu)串裝后試車，發(fā)動(dòng)機(jī)試車性能恢復(fù)正常。故根據(jù)供油機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理，查找可能誘發(fā)供油機(jī)構(gòu)出口流量脈動(dòng)的關(guān)聯(lián)因素。

如圖4所示，供油機(jī)構(gòu)主要由燃油泵（齒輪泵）、電機(jī)油門控制組合、限壓活門、壓差活門和油濾組成，其中電機(jī)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(dòng)機(jī)處于某試車狀態(tài)時(shí)，油門角度固定即表示供油截面積固定，不會(huì)引起供油不穩(wěn)定。

限壓活門用于控制供油機(jī)構(gòu)出口壓力，通過(guò)平衡作用于活門的彈簧力來(lái)控制油壓，因該處彈簧剛性較大且出口壓力相對(duì)穩(wěn)定，故閥口的節(jié)流特性穩(wěn)定，說(shuō)明其不是導(dǎo)致供油機(jī)構(gòu)出口流量脈動(dòng)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(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、固定軸承、浮動(dòng)軸承和彈簧組成，其中，浮動(dòng)軸承受多個(gè)彈簧作用力，使浮動(dòng)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(gè)性差異，導(dǎo)致浮動(dòng)軸承端面承受的作用力不均勻，齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中浮動(dòng)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(huì)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(dòng)特性，兩種關(guān)聯(lián)因素疊加，極有可能造成供油脈動(dòng)量增大。通過(guò)選配燃油泵的主從動(dòng)齒輪和彈簧后，重新進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)，供油穩(wěn)定性無(wú)明顯改善，因此排除此可能原因。

通過(guò)更換不同油濾試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)構(gòu)重新裝機(jī)試車，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)均勻、規(guī)則彎折的波紋結(jié)構(gòu)，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比已裝機(jī)使用的油濾和新件油濾的外形結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)裝機(jī)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(dòng)態(tài)特性會(huì)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(dòng)、沖擊等紊流現(xiàn)象，不僅流動(dòng)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(dòng)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(dòng)不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

參考文獻(xiàn)

[1]吳琪華，賀惠珠，張加幀.航空發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

[2]王積偉.液壓傳動(dòng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

作者簡(jiǎn)介

李立恒，助理工程師，從事機(jī)電附件修理技術(shù)研究。