论文部分内容阅读
摘要：油滤在液压系统中被普遍应用，其功用和结构原理相对简单，但在实际应用中，油滤常因未正确选择和定期维护导致流动阻力变化，造成液压系统运行异常。本文通过典型案例分析油滤流阻特性对液压系统性能的影响，提高液压系统设计和使用人员对应用合适的过滤系统延长液压系统使用可靠性和寿命的认识。
关键词：油滤；流阻特性；液压系统；性能；影响
Keywords：oil filter；flow resistance；hydraulic system；performance；influence
0 引言
液压过滤器简称油滤，是液压系统中的重要辅助装置，其功用在于滤除油液中的杂质，降低油液污染度，防止杂质进入对油液污染度敏感的液压元件内而导致液压系统运行异常。合适的油滤是液压系统长寿命运行必不可少的条件。
由于油滤是利用滤芯表面的小孔和微小间隙来滤除油液介质中的杂质，油液流过滤芯时必然会产生流动阻力，形成压力损失。正常情况下，合理选用油滤，该压力损失一般不会影响系统的使用性能，甚至还可以起到减小压力脉动和稳压作用，但当油滤的流动阻力超出设计指标时，就可能影响液压系统的压力和流量性能，造成液压系统运行异常，且引起的系统性能故障常常呈隐性而难以发现，使故障排除难度变大。本文通过对三例油滤流阻变化导致液压系统性能紊乱情况的分析，阐述正确选择和清洁维护油滤的重要性。
1 設备油滤未清洁
1）故障现象
某型电机驱动式齿轮泵（下称燃油泵）进行零压性能试验时，要求燃油泵进口压力为0MPa，出口流量为0L/min，在规定转速条件下，检测燃油泵出口压力值。设备原理图如图1所示。在燃油泵稳定运转试验过程中，发现进口压力P1逐渐由0MPa降低至-40kPa，而正常情况下 P1压力值应始终保持为0MPa不变。
2）故障原因排查
根据设备结构原理分析，逐一排查了“设备油箱与外界大气连通状态”“P1压力变送器良好状况”和“油箱加注量”等可能引起进口负压的因素，均未能有效排除压力异常故障。
分解油滤2，使用超声波清洗后恢复安装，燃油泵重新装联试验，进口压力P1恢复正常，故障排除。
3）故障机理分析
设备使用维护规程规定，油滤每三个月应清洗或更换滤芯一次，在设备出现故障前，距离上一次油滤清洁维护时间间隔将近两个月，期间设备用于燃油泵分解前性能检测和装配后调试、试验的次数累计达80余次。燃油泵在进行分解前性能检测时，燃油泵外表和内部通道可能残留有杂质，在试验过程中杂质被带入系统内部，经油滤过滤后附着在油滤滤芯表面，随着试验数量和时间的积累，滤芯表面附着的杂质增加，网孔被堵塞，油滤流动阻力增大，通流能力下降。燃油泵为定量泵，供油量基本保持不变（不考虑泄露损失、填充损失情况），当油滤的通流能力降低至无法满足正常供油给燃油泵时，出现Q需求>Q供应情况，那么油滤至燃油泵进口之间的容积腔内会出现真空现象，导致进口压力P1由大气环境压力下降至真空状态，压力显示为负压。
2 设备油滤规格改变
1）故障现象
某型滑油泵结构为内啮合式齿轮泵，抽真空能力较强，进口压力在一定负压范围内仍具备良好的吸油性能。根据滑油泵的使用特性，修理过程中需要模拟试验空中供油性能，即检测不同进口负压和转速条件下滑油泵的出口供油量，其中最小进口压力为-80kPa。某滑油泵在性能试验台上进行进口压力为-80kPa的空中性能试验时，滑油泵的出口供流量低于设计指标要求，不满足工艺规定要求，其他进口负压和常压条件下供油性能试验结果合格，如图2所示。
2）故障原因排查
使用试验合格的滑油泵进行试验验证，滑油泵在-80kPa状态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涡轮流量计测量，检查涡轮流量计性能状况良好，清洗流量计涡轮及内部通道后恢复装配，重新进行空中性能试验，进口压力为-80kPa状态下稳定运转一定时间后，故障复现。
采取向滑油箱加注滑油至最大液位和更换供油管路连接处密封垫圈（密封垫圈材质为氟塑料，挤压变形后密封环内径会减小即通油截面减小，容易影响供油量）措施，故障仍未排除。
分解滑油泵试验台进口油滤并用超声波进行清洗后再次试验，在进口压力为-80kPa状态下空中供油性能试验合格，反复试验，试验数据稳定，故障排除。
3）故障机理分析
设备使用维护规程规定，完成规定的试验台次后应进行油液固体颗粒污染度检测，当固体颗粒污染度检测结果劣于规定要求时应清洗系统和更换油液。考虑到试验台原进口油滤精度等级较低，滑油泵自身工作环境恶劣容易使试验油液介质被污染从而造成设备维护频次增加、油液浪费，出于延长试验台维护间隔的目的将进口油滤滤芯规格由30μm更换为10μm，提高了油滤过滤精度，但同时造成了油滤的通流能力减小，流动阻力增大。
此外，试验所使用的油液介质为4109合成航空润滑油，该润滑油运动粘度较大，加之进口油滤过滤能力提高，滤芯表面附着杂质增速加快，滤芯表面小孔和微小间隙被堵塞，油液介质的流动阻力进一步增大，导致进口滑油压力过度降低。当进口压力低于空气分离压时，溶解在滑油中的空气析出，形成游离状态的气泡被吸入滑油泵进口，吸入空气占据一定的有效容积，形成填充损失，故滑油泵供油性能下降。这也说明了为什么滑油泵供油性能只在进口压力为-80kPa状态下异常的原因，是因为-80kPa为最低试验进口压力，表明在该压力下最早形成空气分离压。
3 油滤外形结构变形
1）故障现象 某型发动机试车过程中出现80%状态以上转速跳动量超标和燃油出口压力脉动幅度偏大现象，经故障定位为发动机供油调节系统中的供油机构供油异常。
2）故障原因排查
供油机构返修后进行性能复测，试验结果满足工艺规定要求。通过研究分析，认为发动机试车转速和燃油出口压力异常的主要原因可能是供油机构供油不稳定。由于当前供油机构修理性能考核指标中没有供油稳定性检测项目，因此通过模拟发动机不同试车状态下对应的输入供油机构的转速和油门角度，检查供油机构供油稳定情况，并随机抽取多台修理合格的供油机构进行试验数据对比。对比发现，供油机构的供油量脉动差异较大，脉动范围为0～40L/h，返修供油机构出口供油量在一定周期内的最大脉动量为31L/h（见图3），而供油稳定性能较好的产品的供油脉动量不超过10L/h。将供油稳定性较好的供油机构串装后试车，发动机试车性能恢复正常。故根据供油机构结构原理，查找可能诱发供油机构出口流量脉动的关联因素。
如图4所示，供油机构主要由燃油泵（齿轮泵）、电机油门控制组合、限压活门、压差活门和油滤组成，其中电机油门控制组合为通流截面可调的节流装置，当发动机处于某试车状态时，油门角度固定即表示供油截面积固定，不会引起供油不稳定。
限压活门用于控制供油机构出口压力，通过平衡作用于活门的弹簧力来控制油压，因该处弹簧刚性较大且出口压力相对稳定，故阀口的节流特性稳定，说明其不是导致供油机构出口流量脉动的主要原因。
如图5所示，燃油泵采用外啮合齿轮泵，主要由壳体、主动齿轮、从动齿轮、固定轴承、浮动轴承和弹簧组成，其中，浮动轴承受多个弹簧作用力，使浮动轴承与齿轮端面紧密贴合，减小齿轮泵端面间隙。由于各弹簧之间存在自由高度、刚性等个性差异，导致浮动轴承端面承受的作用力不均匀，齿轮在高速运转过程中浮动轴承圆周端面承受的弹簧作用力就可能存在周期性振荡，在振荡周期内齿轮泵内部泄漏量不一致，就会导致燃油泵供油量不稳定。此外，外啮合齿轮泵自身还存在周期性供油脉动特性，两种关联因素叠加，极有可能造成供油脉动量增大。通过选配燃油泵的主从动齿轮和弹簧后，重新进行调试、试验，供油稳定性无明显改善，因此排除此可能原因。
通过更换不同油滤试验验证，发现供油稳定情况存在差异，选用稳定性能较好的油滤后，供油机构重新装机试车，发动机转速和出口燃油壓力稳定性良好，故障排除。
3）故障原因分析
油滤主要由骨架和滤网组成，其中滤网为多个均匀、规则弯折的波纹结构，如图6所示。通过对比已装机使用的油滤和新件油滤的外形结构，发现装机使用的油滤存在液压冲击造成的滤网结构变形。油液流经变形油滤后的动态特性会发生改变，油液流速和流向将发生急剧变化，油液内部形成扰动、冲击等紊流现象，不仅流动阻力增大，而且容易造成供油压力振荡，又因供油流量稳定性与压力脉动相互关联，故供油流量产生响应，从而诱发供油量脉动不稳定。
4 结论
参考文献
[1]吴琪华，贺惠珠，张加帧.航空发动机调节[M]. 北京：国防工业出版社，1986.
[2]王积伟.液压传动[M]. 北京：机械工业出版社，1986.
作者简介
李立恒，助理工程师，从事机电附件修理技术研究。
关键词：油滤；流阻特性；液压系统；性能；影响
Keywords：oil filter；flow resistance；hydraulic system；performance；influence
0 引言
液压过滤器简称油滤，是液压系统中的重要辅助装置，其功用在于滤除油液中的杂质，降低油液污染度，防止杂质进入对油液污染度敏感的液压元件内而导致液压系统运行异常。合适的油滤是液压系统长寿命运行必不可少的条件。
由于油滤是利用滤芯表面的小孔和微小间隙来滤除油液介质中的杂质，油液流过滤芯时必然会产生流动阻力，形成压力损失。正常情况下，合理选用油滤，该压力损失一般不会影响系统的使用性能，甚至还可以起到减小压力脉动和稳压作用，但当油滤的流动阻力超出设计指标时，就可能影响液压系统的压力和流量性能，造成液压系统运行异常，且引起的系统性能故障常常呈隐性而难以发现，使故障排除难度变大。本文通过对三例油滤流阻变化导致液压系统性能紊乱情况的分析，阐述正确选择和清洁维护油滤的重要性。
1 設备油滤未清洁
1）故障现象
某型电机驱动式齿轮泵（下称燃油泵）进行零压性能试验时，要求燃油泵进口压力为0MPa，出口流量为0L/min，在规定转速条件下，检测燃油泵出口压力值。设备原理图如图1所示。在燃油泵稳定运转试验过程中，发现进口压力P1逐渐由0MPa降低至-40kPa，而正常情况下 P1压力值应始终保持为0MPa不变。
2）故障原因排查
根据设备结构原理分析，逐一排查了“设备油箱与外界大气连通状态”“P1压力变送器良好状况”和“油箱加注量”等可能引起进口负压的因素，均未能有效排除压力异常故障。
分解油滤2，使用超声波清洗后恢复安装，燃油泵重新装联试验，进口压力P1恢复正常，故障排除。
3）故障机理分析
设备使用维护规程规定，油滤每三个月应清洗或更换滤芯一次，在设备出现故障前，距离上一次油滤清洁维护时间间隔将近两个月，期间设备用于燃油泵分解前性能检测和装配后调试、试验的次数累计达80余次。燃油泵在进行分解前性能检测时，燃油泵外表和内部通道可能残留有杂质，在试验过程中杂质被带入系统内部，经油滤过滤后附着在油滤滤芯表面，随着试验数量和时间的积累，滤芯表面附着的杂质增加，网孔被堵塞，油滤流动阻力增大，通流能力下降。燃油泵为定量泵，供油量基本保持不变（不考虑泄露损失、填充损失情况），当油滤的通流能力降低至无法满足正常供油给燃油泵时，出现Q需求>Q供应情况，那么油滤至燃油泵进口之间的容积腔内会出现真空现象，导致进口压力P1由大气环境压力下降至真空状态，压力显示为负压。
2 设备油滤规格改变
1）故障现象
某型滑油泵结构为内啮合式齿轮泵，抽真空能力较强，进口压力在一定负压范围内仍具备良好的吸油性能。根据滑油泵的使用特性，修理过程中需要模拟试验空中供油性能，即检测不同进口负压和转速条件下滑油泵的出口供油量，其中最小进口压力为-80kPa。某滑油泵在性能试验台上进行进口压力为-80kPa的空中性能试验时，滑油泵的出口供流量低于设计指标要求，不满足工艺规定要求，其他进口负压和常压条件下供油性能试验结果合格，如图2所示。
2）故障原因排查
使用试验合格的滑油泵进行试验验证，滑油泵在-80kPa状态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涡轮流量计测量，检查涡轮流量计性能状况良好，清洗流量计涡轮及内部通道后恢复装配，重新进行空中性能试验，进口压力为-80kPa状态下稳定运转一定时间后，故障复现。
采取向滑油箱加注滑油至最大液位和更换供油管路连接处密封垫圈（密封垫圈材质为氟塑料，挤压变形后密封环内径会减小即通油截面减小，容易影响供油量）措施，故障仍未排除。
分解滑油泵试验台进口油滤并用超声波进行清洗后再次试验，在进口压力为-80kPa状态下空中供油性能试验合格，反复试验，试验数据稳定，故障排除。
3）故障机理分析
设备使用维护规程规定，完成规定的试验台次后应进行油液固体颗粒污染度检测，当固体颗粒污染度检测结果劣于规定要求时应清洗系统和更换油液。考虑到试验台原进口油滤精度等级较低，滑油泵自身工作环境恶劣容易使试验油液介质被污染从而造成设备维护频次增加、油液浪费，出于延长试验台维护间隔的目的将进口油滤滤芯规格由30μm更换为10μm，提高了油滤过滤精度，但同时造成了油滤的通流能力减小，流动阻力增大。
此外，试验所使用的油液介质为4109合成航空润滑油，该润滑油运动粘度较大，加之进口油滤过滤能力提高，滤芯表面附着杂质增速加快，滤芯表面小孔和微小间隙被堵塞，油液介质的流动阻力进一步增大，导致进口滑油压力过度降低。当进口压力低于空气分离压时，溶解在滑油中的空气析出，形成游离状态的气泡被吸入滑油泵进口，吸入空气占据一定的有效容积，形成填充损失，故滑油泵供油性能下降。这也说明了为什么滑油泵供油性能只在进口压力为-80kPa状态下异常的原因，是因为-80kPa为最低试验进口压力，表明在该压力下最早形成空气分离压。
3 油滤外形结构变形
1）故障现象 某型发动机试车过程中出现80%状态以上转速跳动量超标和燃油出口压力脉动幅度偏大现象，经故障定位为发动机供油调节系统中的供油机构供油异常。
2）故障原因排查
供油机构返修后进行性能复测，试验结果满足工艺规定要求。通过研究分析，认为发动机试车转速和燃油出口压力异常的主要原因可能是供油机构供油不稳定。由于当前供油机构修理性能考核指标中没有供油稳定性检测项目，因此通过模拟发动机不同试车状态下对应的输入供油机构的转速和油门角度，检查供油机构供油稳定情况，并随机抽取多台修理合格的供油机构进行试验数据对比。对比发现，供油机构的供油量脉动差异较大，脉动范围为0～40L/h，返修供油机构出口供油量在一定周期内的最大脉动量为31L/h（见图3），而供油稳定性能较好的产品的供油脉动量不超过10L/h。将供油稳定性较好的供油机构串装后试车，发动机试车性能恢复正常。故根据供油机构结构原理，查找可能诱发供油机构出口流量脉动的关联因素。
如图4所示，供油机构主要由燃油泵（齿轮泵）、电机油门控制组合、限压活门、压差活门和油滤组成，其中电机油门控制组合为通流截面可调的节流装置，当发动机处于某试车状态时，油门角度固定即表示供油截面积固定，不会引起供油不稳定。
限压活门用于控制供油机构出口压力，通过平衡作用于活门的弹簧力来控制油压，因该处弹簧刚性较大且出口压力相对稳定，故阀口的节流特性稳定，说明其不是导致供油机构出口流量脉动的主要原因。
如图5所示，燃油泵采用外啮合齿轮泵，主要由壳体、主动齿轮、从动齿轮、固定轴承、浮动轴承和弹簧组成，其中，浮动轴承受多个弹簧作用力，使浮动轴承与齿轮端面紧密贴合，减小齿轮泵端面间隙。由于各弹簧之间存在自由高度、刚性等个性差异，导致浮动轴承端面承受的作用力不均匀，齿轮在高速运转过程中浮动轴承圆周端面承受的弹簧作用力就可能存在周期性振荡，在振荡周期内齿轮泵内部泄漏量不一致，就会导致燃油泵供油量不稳定。此外，外啮合齿轮泵自身还存在周期性供油脉动特性，两种关联因素叠加，极有可能造成供油脉动量增大。通过选配燃油泵的主从动齿轮和弹簧后，重新进行调试、试验，供油稳定性无明显改善，因此排除此可能原因。
通过更换不同油滤试验验证，发现供油稳定情况存在差异，选用稳定性能较好的油滤后，供油机构重新装机试车，发动机转速和出口燃油壓力稳定性良好，故障排除。
3）故障原因分析
油滤主要由骨架和滤网组成，其中滤网为多个均匀、规则弯折的波纹结构，如图6所示。通过对比已装机使用的油滤和新件油滤的外形结构，发现装机使用的油滤存在液压冲击造成的滤网结构变形。油液流经变形油滤后的动态特性会发生改变，油液流速和流向将发生急剧变化，油液内部形成扰动、冲击等紊流现象，不仅流动阻力增大，而且容易造成供油压力振荡，又因供油流量稳定性与压力脉动相互关联，故供油流量产生响应，从而诱发供油量脉动不稳定。
4 结论
参考文献
[1]吴琪华，贺惠珠，张加帧.航空发动机调节[M]. 北京：国防工业出版社，1986.
[2]王积伟.液压传动[M]. 北京：机械工业出版社，1986.
作者简介
李立恒，助理工程师，从事机电附件修理技术研究。