飞机液压系统污染控制研究

温育明， 张 垚， 汪 艳

(成都飞机工业(集团)有限责任公司 技术中心， 四川 成都 610092)

引言

现代飞机对液压系统产品的精密和精度要求越来越高，要求液压系统具有大功率、高压力、流量大等功能。在飞机液压系统的故障中，70%～80%的故障是由于液压系统污染度超标引起的，严重影响了飞机液压系统工作的稳定性。由此可见，飞机液压系统的污染控制对提高飞机安全可靠性具有重要意义，应引起飞机设计、制造和使用维护等相关人员的高度重视[1]。

我国的污染控制技术起源于20世纪80年代，是在研究和借鉴国外技术的基础上发展起来的。目前，我国飞机污染控制水平基本在GJB 420B的8～10级，美国等欧美国家已经将液压系统的污染控制在NAS 1638的5～7级。唐有才等[2]分析了军用飞机液压系统污染的主要原因及危害，从设计、制造、装配、使用和维修等方面提出预防措施。杨化龙[3]对民用飞机液压系统污染原因、污染危害及污染控制等问题进行了研究与分析。高承雍等[4]结合A380等型号飞机，给出了飞机液压系统污染控制设计目标和原则，以及地面油液污染净化设备设计方案。现有研究均从概念上给出了飞机液压系统污染控制的指导意见，但尚未给出飞机液压系统污染控制具体的工程技术途径。本研究针对某型飞机液压系统污染控制展开深入研究，首先分析了污染来源，在此基础上给出了飞机设计、制造、使用维护各阶段中具体的污染控制技术与工程实际方法，总结了当前飞机液压系统污染控制存在的主要问题及解决措施，以期填补现有研究的不足。

1 液压系统污染物的来源

液压系统的污染来源分为两大类，即外部侵入的污染源和液压系统内部产生的污染源。

1.1 外部侵入的污染源

外部侵入的污染源分为维护产生的污染源和工作环境产生的污染源。维护产生的污染是指在维修、更换与正常维护液压系统元件时，进入液压系统的污染物；工作环境产生的污染源是正常运转的过程中进入液压系统的外部污染物。

1.2 内部产生的污染源

内部产生的污染源分为固有的污染源和系统内部生成的污染源。固有的污染源是指制造过程中进入液压元件的污染物，然后又进入系统；系统内部生成的污染源是指液压系统工作时，系统元器件互相摩擦而生成的污染物，如液压泵在工作的过程中就会因摩擦、磨损产生一定的污染物[5]。

2 液压系统污染控制

液压系统污染控制必须是各方面着手，全方位开展，否则难以达到比较理想效果。下面分别从设计、制造和维护对液压系统污染控制进行研究。

2.1 设计阶段污染控制

在液压系统设计阶段，应合理选择液压系统参数以及构型，将污染的客观渠道堵死。以某型飞机液压系统研制为例，其液压系统仅用于驱动起落架收放。

1) 液压油滤污染控制设计

根据飞机液压系统功能的具体要求，合理选择液压系统油滤。液压油滤的过滤精度选取并非越精越好，精度要求太高，会大量增加系统维护工作量和维护经费，精度要求过低，又无法满足液压系统要求。由于某型飞机液压系统仅用于驱动起落架收放，液压系统中没有伺服元器件，所以在设计飞机液压系统时，供压、回油油滤都选用5 μm过滤精度，过滤比β5≥200就能满足某型飞机要求。同时回油油滤上设计了污染指示和旁通功能，供压油滤仅设计了污染指示功能。液压油滤污染指示后，将以电信号传输给地面综检系统并发出告警信息，地勤维护人员可以实时监控液压油滤污染情况。而安装传统液压油滤需要经常打开飞机口盖检查机械污染设计值。该液压油滤的设计与安装极大减小地勤人员检查液压系统污染指示的维护工作量。当液压系统回油油滤污染到一定程度后，由于液体流阻增加，超过某一起落架的正常收放和飞机的安全。

2) 单向限流活门组件设计

单向限流活门组件安装在主起落架和前起落架放下管路中，其功能是使放起落架的油液流速受到节流，从而控制起落架放下速度，因为放下速度太快容易撞坏护板，影响飞机安全。单向限流活门组件的限流孔孔径设计尤为重要，孔径太大，造成起落架放下速度过快，孔径太小容易堵塞，影响系统正常工作。为此在设计过程中，用AMESim软件对液压系统进行仿真，初步设置限流孔径，然后通过铁鸟台试验反复验证，最后确定限流孔径0.7 mm能够满足起落架放下时间和同步性技术要求。由于单向限流活门组件的限流孔偏小，为了防止限流孔堵塞，在其进口端设置了滤网组件，因为过滤是控制液压系统污染最直接、最容易的方法。如果限流孔发生部分或全部堵塞，回油压力上升至某设定值时，活门组件的安全活门向右移动打开，保证了液压系统正常回油和起落架的正常放下，从而保障飞机的安全着陆[6]。飞机返回后，地勤人员应该对单向活门组件的滤网和限流孔进行更换，同时对全机液压油进行更换和污染度检测。单向限流活门组件结构详见图1。

图1 试验台总体布局

3) 液压油箱设计

飞机液压油箱一般为密闭液压油箱，这种液压油箱采用密闭加油和自增压方式。自增压一般可分为液压增压和弹簧增压2种形式，可以有效防止外界杂质对液压系统的污染。在液压油箱的设计过程中，在条件允许的情况下，吸油口和回油口的距离应尽可能远，液压油箱容积应尽可能大，这样有利于液压油在液压油箱中散热，防止油液氧化变质，污染整个液压系统。现代飞机一般不再采取从发动机引气对液压油箱进行增压，虽然发动机引气也经过气滤过滤，但仍然会对液压油箱中的液压油造成污染。

由于某型飞机高空长时间巡航时，液压系统不工作，液压油的温度迅速下降，液压油的运动黏度增大，液压泵的吸油容易产生气穴现象，液压泵吸油不足甚至无法吸油，液压泵内部容易产生异常磨损，从而污染整个液压系统，同时还会影响液压系统成附件的使用寿命，大量增加液压系统故障率。为了解决低温对液压系统造成污染的问题，在液压油箱上增加了温度检测与油箱加热功能。采用在壳体靠近前端盖的外表面上加装了PTC加热片，加热片安装在液压油箱底部和两侧，液压油被加热后通过对流可以迅速实现液压油热量传递，使液压油箱内液压油温度迅速提高。随着温度提高，加热电阻越来越大，电流越来越小，加热功率越来越小，在液压油温度达到40 ℃左右时，加热和散热达到热平衡，液压油温度不再升高，从而防止液压油因为温度高发生炭化和氧化而污染整个液压系统。在液压油箱的前端盖上设置温度传感器，温度传感器将油箱内液压油的温度实时反馈给飞机，飞机根据液压油温度，自动控制液压油箱加热的启停[7-8]，液压油温度升高后才能保证液压泵正常吸油，减少异常磨损引起液压系统污染。液压油箱结构原理见图2。

图2 液压油箱结构原理图

发动机驱动液压泵，液压泵和发动机长时间工作，液压油的温度容易过高，造成液压油的氧化或炭化变质，从而给液压系统带来严重污染。为了解决该问题，可在液压系统的回油总管路上设计散热器并或者通过综合热管理来管理全机各个系统温度。由于某型飞机没有设置发动机驱动泵，液压泵由电机驱动，只在收放起落架时短时间工作，在高空巡航时液压系统长时间不工作，液压油温度随着环境温度下降而降低。经过飞行试验测温表明：液压油温度可以低至-50 ℃左右，所以通过PTC加热片给液压油箱内液压油加热，彻底解决了液压油因低温问题造成液压系统严重污染，在国内尚属首次。

总之，液压系统在设计时应该根据飞机具体要求来考虑液压系统污染问题。设计是液压系统污染控制的第一步，设计阶段存在的缺陷可能是先天性的，一旦设计方面存在先天性缺陷，仅靠提高制造水平和使用维护水平是无法彻底解决的。

2.2 制造阶段污染控制

制造阶段主要通过清除存在于成附件和液压导管内的固有污染物进行污染控制。

液压系统成附件装配时，必须保证环境清洁，所有成附件装配时应使用干装配方式，需选择与工作介质相容的冲洗介质进行清洗。不立即装机或装配的成附件应用相应工作液油封，并用洁净的堵头、堵帽和塑料薄膜封堵后，用塑料薄膜整个包扎储存，储存期满足要求，超过储存期时，装机前应再次清洗。某型飞机配置了液压系统多功能保障车，该保障车具有液压系统密闭加油功能，所加入的液压油优于GJB 420B的6级[9]，同时还具有液压系统清洗和污染度在线检测功能。清洗时，反复收放起落架，当液压系统污染度在线检测值优于GJB 420B的7级时，停止清洗；若通过多次清洗仍无法满足要求，则更换新液压油。

液压系统多功能保障车设置了比飞机液压系统过滤精度更高的精密油滤，精密油滤的过滤精度为3 μm。该液压系统多功能保障车从污染来源上减少了液压系统污染可能。

2.3 使用维护阶段污染控制

在使用维护阶段，为了保证飞机液压系统污染满足要求，首先应保证机上液压油滤始终处于正常工作状态。因此对于一些高精度的液压油滤污染指示，直接采取定期更换滤芯的方法来保证其始终处于正常工作状态，而不再使用超声波振动对液压油滤进行清洗。某型飞机寿命初期，液压系统成附件均为新品，工作初期内部磨损容易产生更多污染物，因此每飞行30 h取样1次，累计不少于3次取样，通过油液污染度检测，判断系统污染度是否稳定，至少连续3次取样合格之后，以后每飞行100 h进行1次液压油污染度检测。对污染度敏感的成附件，例如单向限流活门组件每年定期对滤网组件和限流孔进行清洗，流阻测试合格后，才能再次装机使用。为了防止多次清洗后清洗效果不佳，在维护规程中规定：连续清洗3次后，更换新滤网组件。

液压成附件在外场拆装时，必须保证环境清洁，拆装完成后，必须及时用洁净的塑料薄膜或绸布进行包扎，防止系统污染。

综上所述，飞机液压系统的污染控制是一个相当复杂而又棘手的问题，必须从液压系统的合理设计、精心制造和日常使用维护等多方面来控制污染，从而尽可能地减少液压系统污染引发的危害。

3 液压油的采样和检测

液压系统采样方法现在常用的有2种：对于静态附件应采用晃动法；对于动态附件应采用流通法。目前，某型飞机液压油液采样采取流通法和动态在线检测相结合进行。流通法采样时反复收放起落架3～5次，使液压系统的油液都充分流通起来，将全机液压油液尽量充分混合均匀，使所取液压油样能够接近液压系统污染的真实情况，同时还需尽量避免采样过程中的二次污染。

当前液压油污染度的检测有多种方式，其中较为常用的是显微镜颗粒计数法以及自动颗粒计数法[10]。显微镜颗粒计数法是将油液倒在精细的滤膜上，然后在显微镜下进行观察记数，具体方法参考GJB 380.5《飞机液压系统污染测试用显微镜记数法测定油液固体颗粒污染度》[11]； 自动颗粒计数法是通过自动颗粒记数器来实现，这种电子装置的原理是测量经过光路颗粒的挡光量，颗粒的大小决定了挡光量的大小，挡光的程序转换成电信号并转换为颗粒的尺寸，具体方法参考GJB 380.4《飞机液压系统污染测试用自动颗粒计数器测定油液固体颗粒污染度》[12]。目前某型飞机主要采取自动颗粒计数法来测定液压油的污染度和液压系统多功能保障车在线动态检测液压系统污染度，后者能够更科学、更准确、实时反馈液压系统油液真实污染情况，值得进一步推广。

4 液压系统污染控制的初步成果

近些年来，在新机的研制过程中，各主机厂所已经逐步提高了对液压系统污染的控制。针对某型飞机在外场使用情况，在2015～2019年期间，对多架飞机液压系统油液污染度检测等级进行了详细统计，统计情况见表1。

从外场统计情况可以得出以下结论：某型飞机液压系统的污染控制水平基本保持在GJB 420B的6～8级，超过GJB 420B的8级总计发生4次，不合格率仅为3.9%，污染控制水平得到显著提高，5年来很少发生因液压油污染引起的液压系统典型故障，相比较现在外场飞机GJB 420B的8～10级污染度控制水平已经有了质的飞越，从而验证了该飞机从设计、制造和使用维护阶段对液压系统污染控制方法的可靠性与有效性。

5 液压系统污染控制存在问题及解决措施

5.1 二次污染和取样油液代表性问题及解决措施

不管采用晃动法还是流通法采样，采样条件都无法保证所采样油液能对整个液压系统的油液污染度具有完全代表性， 同时采样过程中容易对液压油造成二次污染。由于所采样油液不能完全代表液压系统的污染情况，使检测结果在一定的程度上存在假相。因此，可以采用液压系统多功能保障车代替机载泵长时间工作，这样液压油混合十分均匀，液压系统多功能保障车具有实时动态检测液压油污染情况和在线清洗液压系统的功能，这样避免取样过程中造成液压油二次污染，同时彻底解决了被采样油液不具有代表性问题。

表1 某型飞机液压系统油液污染度统计

5.2 进口的金属纤维烧结网制精滤存在问题及解决措施

现在飞机上使用的液压油滤的滤芯多数都是金属纤维烧结网，呈毡型，过滤效果好，目前已在YYL系列精密油滤上得到证明。金属纤维烧结网在污染物侵入金属毡孔隙后，不管用反冲击法还是超声波振动清洗法，都很难清洗出污染物，清洗后继续使用，滤芯流阻上升很快，重复使用性差。另外，清洗该种滤芯和检查清洗效果必须配备流阻试验台、冒泡试验台和超声波清洗机设备。这将增加许多外场维护设备，每个机场都配备一套油滤清洗和检测设备也难于实现。所以这种金属纤维烧结网滤材虽然有过滤精度高、纳污容量大的优点，但也存在不易清洗、难于重复使用和直接更换维护费用高等缺点[15]。鉴于此，现在研制出来非金属滤纸NF-S-5已经在外场飞机上得到广泛应用，在同样过滤效果的前提下，非金属滤材的成本低，滤芯一次性使用，不必进行重复清洗，实行定期更换，这样减少滤芯清洗设备和试验采购维护费用。但是非金属滤纸NF-S-5在生产过程中存在报废率偏高的问题，国内液压油滤专业厂家正在开展研究可靠性更高、成本更低的非金属滤芯和纳污能力更强的多层逐级过滤的滤芯。

6 结论

首先介绍了液压系统污染的来源，在此基础上给出了某型飞机设计、制造、使用维护各阶段中具体的污染控制技术与实际方法，数据显示上述方法使某型飞机污染控制水平得到显著提高，5年来因液压油污染引起的液压系统典型故障显著减少，验证了本研究污染控制方法措施的有效性；总结了液压系统污染控制存在的问题及解决措施，对飞机液压系统污染控制具有重要指导与参考价值。