航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置設(shè)計(jì)

苗春存，李 斌，鄒家祥，戴高宇，于 文，陶兆飛

(1 空軍南京航空四站裝備修理廠，江蘇 南京 210042；2 空裝駐南京地區(qū)第四軍事代表室，江蘇 南京 210042)

航空液壓油泵車作為航空地面保障裝備，主要用于在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，以一定壓力、流量和符合污染度等級(jí)、含水量、氣泡等要求的工作介質(zhì)，為飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供檢修用液壓動(dòng)力源，同時(shí)具有為飛機(jī)補(bǔ)充加注液壓油、凈化飛機(jī)液壓系統(tǒng)等功能[1]，所以在保障過程中航空液壓油泵車內(nèi)航空液壓油需注入飛機(jī)液壓系統(tǒng)。航空液壓油作為飛機(jī)液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)，不僅起到傳遞動(dòng)力、吸收熱量等作用，還具有系統(tǒng)潤滑、防銹、防腐、密封、冷卻、沖洗、分散等作用，對(duì)于保證飛機(jī)液壓元件使用壽命和飛行安全十分重要[2]。新型戰(zhàn)機(jī)更多采用比例溢流閥、伺服閥等精密液壓元件，對(duì)航空液壓油質(zhì)量要求越來越高[3]。如某新型殲擊機(jī)對(duì)航空液壓油泵車要求如下：油液固體顆粒污染度優(yōu)于GJB420B規(guī)定的6級(jí)，含水量不大于50 mg/L，油溫不高于80 ℃。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，航空液壓油污染是導(dǎo)致飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的主要原因，因此保證航空液壓油泵車內(nèi)航空液壓油質(zhì)量對(duì)于防止飛機(jī)液壓系統(tǒng)污染至關(guān)重要。

完成航空液壓油泵車生產(chǎn)之后，需注入符合污染度等級(jí)、含水量、氣泡等要求的航空液壓油進(jìn)行液壓系統(tǒng)調(diào)試、磨合、潤滑，交付時(shí)需將航空液壓油放凈。若將放出的航空液壓油作為費(fèi)油處理，會(huì)造成大量資源浪費(fèi)，因此需將航空液壓油儲(chǔ)存凈化循環(huán)使用。航空液壓油泵車屬于使用頻次較低的航空地面保障裝備，若長時(shí)間放置或者貯存，務(wù)必將航空液壓油泵車內(nèi)航空液壓油放凈并儲(chǔ)存起來，既可防止長時(shí)間放置導(dǎo)致固體顆粒聚集又可將放出的航空液壓油凈化后循環(huán)利用。鑒于航空液壓油泵車生產(chǎn)、使用、貯存過程中對(duì)于航空液壓油保障的實(shí)際需求，本文利用離心分離技術(shù)設(shè)計(jì)出集儲(chǔ)存和凈化航空液壓油功能為一體的裝置，其具有設(shè)計(jì)合理、性能可靠、操作方便、移動(dòng)便捷等特點(diǎn)。該裝置既可滿足航空液壓油泵車生產(chǎn)、修理單位使用，還有助于航空兵部隊(duì)維護(hù)保養(yǎng)航空液壓油泵車，提高航空液壓油泵車出動(dòng)效率，可帶來巨大軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

1 航空液壓油泵車航空液壓油凈化措施

航空液壓油泵車液壓系統(tǒng)內(nèi)存在各種各樣污染物，最主要的是固體顆粒物、水和氣體。航空液壓油泵車液壓系統(tǒng)污染主要由外部和內(nèi)部兩個(gè)方面原因造成。外部原因主要是在保障及維修過程中拆卸對(duì)接接頭、液壓部件等造成固體顆粒、水分、氣體進(jìn)入液壓系統(tǒng)或水分、氣體通過開式液壓油箱進(jìn)入液壓系統(tǒng)。內(nèi)部原因主要是指在航空液壓油泵車運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于柱塞泵、調(diào)壓閥、流量計(jì)等運(yùn)動(dòng)零部件磨損以及航空液壓油物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化產(chǎn)生的固體顆粒[4]。

目前，航空液壓油泵車采用的航空液壓油凈化技術(shù)主要有過濾分離法、真空分離法和離心分離法。

過濾分離法是用金屬網(wǎng)狀物、纖維材料或?yàn)V紙等材料制作成過濾器將污染物分離出來，主要能夠去除航空液壓油中的固體顆粒。過濾分離法是目前航空液壓油泵車去除航空液壓油中固體顆粒應(yīng)用最廣泛的方法。魏曉斌等[5]設(shè)計(jì)的YBC-2型飛機(jī)地面油泵車液壓系統(tǒng)采用過濾精度為(5 μm、1 μm)的兩級(jí)過濾器凈化飛機(jī)地面油泵車液壓系統(tǒng)中固體顆粒。王壯壯[6]設(shè)計(jì)的小型通用飛機(jī)液壓油泵車采用高壓粗、細(xì)兩級(jí)油濾達(dá)到油液污染度不劣于GJB420B 6級(jí)的指標(biāo)要求。某型航空液壓油泵車液壓系統(tǒng)在高壓輸出系統(tǒng)中設(shè)置三級(jí)過濾器(10 μm、5 μm、1 μm)，在低壓回油系統(tǒng)中設(shè)置過濾器(20 μm)確保液壓系統(tǒng)中油液固體顆粒污染度優(yōu)于GJB420B規(guī)定的6級(jí)。但是過濾分離法采用的過濾器達(dá)到其納污容量時(shí)，需要停機(jī)維護(hù)或者更換濾芯，產(chǎn)生工作量和昂貴維護(hù)費(fèi)用。

真空分離法是把液壓油加熱到一定的溫度后，對(duì)封閉的液壓油箱抽真空，在一定真空度的負(fù)壓和溫度狀態(tài)下，使液壓油中的壓力降到水的飽和蒸氣壓以下，使液壓油中水分氣化從液壓油中分離出來，并不斷被真空泵抽出。真空分離法可以有效去除液壓油中的氣體和水，并已在航空液壓油泵車上使用。陳功等研制的高原型油泵車中利用溢流閥使油溫升到60 ℃，油液回流至密閉油箱時(shí)噴淋回油，使用真空泵對(duì)密閉油箱進(jìn)行抽氣，同時(shí)抽取水蒸氣進(jìn)行除水，油液含水量能達(dá)到 100 mg/L以下[7]。

離心分離法是利用高速旋轉(zhuǎn)，使油品中具有不同密度且互不相溶的油、水、氣、雜質(zhì)，受到不同的離心力或在重力場中獲得不同的沉降速度的作用而迅速分離，達(dá)到分離分層或使油品中固體顆粒、水沉降的目的，具有無需更換凈化濾材、納污容量大和凈化速率快等性能優(yōu)勢。張人才設(shè)計(jì)了高速真空離心凈化設(shè)備，試制樣機(jī)并進(jìn)行了地面維護(hù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：相比于采用過濾、真空等分離技術(shù)的現(xiàn)有地面維護(hù)設(shè)備，高速真空離心凈化可精確、高效、徹底地同時(shí)控制液壓系統(tǒng)中固體顆粒、水、氣體等三種主要污染物的含量，能有效解決現(xiàn)有地面維護(hù)設(shè)備凈化能力不足的問題[8]。

2 儲(chǔ)油凈化裝置設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置采用推車式結(jié)構(gòu)，主要由車體系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、離心凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四部分組成，外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)Fig.1 The appearance and structure of the oil storage andpurification device of aerial hydraulic oil pump vehicle

圖2 航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of the system composition of the oil storageand purification device of aerial hydraulic oil pump vehicle

2.2 離心凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離心凈化系統(tǒng)是通過隔膜泵將離心桶內(nèi)氣體抽出使離心桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，從而將儲(chǔ)油油箱內(nèi)的油液吸至離心筒內(nèi)，通過電動(dòng)機(jī)利用帶輪帶動(dòng)離心桶旋轉(zhuǎn)，利用變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使離心桶旋轉(zhuǎn)至10000 rpm以上，通過離心力分離出航空液壓油中固體顆粒、水和氣體。固體顆粒殘留在離心筒桶壁上，水自動(dòng)分離至納污盒中，氣體通過排氣管路直接排出。離心筒旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械密封用油液自動(dòng)泄露至泄油盒內(nèi)。離心凈化系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 離心凈化系統(tǒng)工作原理Fig.3 Working principle of centrifugal purification system

離心凈化主要通過儲(chǔ)油、系統(tǒng)排氣、離心凈化、排水清理四個(gè)步驟凈化航空液壓油。

(1)儲(chǔ)油

分別將航空液壓油泵車1的高壓對(duì)接機(jī)頭4、低壓對(duì)接機(jī)頭2和儲(chǔ)油凈化裝置的高壓機(jī)上活門5、低壓機(jī)上活門3聯(lián)接，啟動(dòng)航空液壓油泵車1并將其液壓油排至儲(chǔ)油油箱7內(nèi)，關(guān)閉航空液壓油泵車1；或者啟動(dòng)自吸泵27，將外部待凈化油箱26內(nèi)液壓油吸入儲(chǔ)油油箱7。

(2)系統(tǒng)排氣

打開截止閥8，關(guān)閉截止閥17，啟動(dòng)隔膜泵24排出離心桶13內(nèi)氣體至儲(chǔ)油油箱7，離心桶13內(nèi)形成負(fù)壓將儲(chǔ)油油箱7內(nèi)航空液壓油吸入離心桶13，通過觀察管25觀察有無氣體，無明顯氣泡則氣體排凈，停止隔膜泵24，完成系統(tǒng)排氣。

(3)離心凈化

啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)11利用皮帶輪帶動(dòng)離心桶13旋轉(zhuǎn)，通過壓力傳感器15檢測達(dá)到一定壓力時(shí)，打開截止閥17。航空液壓油流動(dòng)在離心筒13內(nèi)形成負(fù)壓，將儲(chǔ)油油箱7內(nèi)航空液壓油吸入離心桶13凈化處理，并將航空液壓油輸送回儲(chǔ)油油箱7，完成一個(gè)凈化過程。當(dāng)檢測到油液固體顆粒污染度優(yōu)于GJB420B規(guī)定的4級(jí)，含水量低于50 ppm以下時(shí)，切換換向閥18改變航空液壓油流動(dòng)路線，啟動(dòng)航空液壓油泵車1將凈化好航空液壓油輸送至航空液壓油泵車1內(nèi)，完成航空液壓油泵車內(nèi)航空液壓油凈化。若儲(chǔ)油油箱7內(nèi)的航空液壓油已經(jīng)提前凈化合格，也可以通過切換換向閥6，啟動(dòng)航空液壓油泵車1，直接將儲(chǔ)油油箱7內(nèi)航空液壓油吸入航空液壓油泵車1。

(4)排水清理

關(guān)閉電動(dòng)機(jī)11、截止閥8、截止閥17，打開截止閥22，待離心桶13內(nèi)部航空液壓油通過納污盒12全部排出后，打開離心桶13清理內(nèi)壁固體顆粒。通過觀察窗20或者液位傳感器19檢查泄油盒21內(nèi)航空液壓油是否已滿，若已滿則切換換向閥23，啟動(dòng)隔膜泵24，將泄油盒21內(nèi)航空液壓油抽取至儲(chǔ)油油箱7。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)、離心凈化系統(tǒng)的正常工作，控制電動(dòng)機(jī)、變頻器、自吸泵、隔膜泵、截止閥的開關(guān)以及換向閥的切換和壓力的增減，監(jiān)測油液固體顆粒污染度、油溫、流量、壓力等性能參數(shù)，具有超溫、欠壓、欠流量保護(hù)等功能，當(dāng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)不僅可以保證在超出正常工作性能之前自動(dòng)停止工作，還可以通過“電源開關(guān)”按鈕來直接停止裝置工作?？刂葡到y(tǒng)選用控制面板、觸摸屏和PLC結(jié)合的方式進(jìn)行操控，易于安裝，減少了傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)的繁瑣操作，自動(dòng)化程度高，便于操作。

圖4 控制面板Fig.4 Control panel

控制面板主要用于操作控制動(dòng)力系統(tǒng)、離心凈化系統(tǒng)，安裝有觸摸屏、按鈕、開關(guān)按鈕、壓力表、指示燈、氣泡觀察管等，如圖4所示。

PLC控制器選用西門子的SIMATIC S7-200 SMART，中央處理單元為CPU ST20，配合模擬量輸入模塊、數(shù)據(jù)采集模塊作為系統(tǒng)供電以及動(dòng)力系統(tǒng)、離心凈化系統(tǒng)動(dòng)作和流量、壓力、溫度、含水量、固體顆粒污染度等參數(shù)的輸入通道，經(jīng)過控制器處理后可以實(shí)時(shí)將電壓、電流等電參數(shù)和流量、壓力、溫度、含水量、固體顆粒污染度等性能參數(shù)顯示在觸摸屏上。

觸摸屏選用西門子的SMART精彩系列面板SMART LINE，簡單直觀，功能強(qiáng)大，可以與SIMATIC S7-200 SMART PLC控制器完美結(jié)合，組成自動(dòng)化控制和人機(jī)交互平臺(tái)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置的自動(dòng)控制。主控界面如圖5所示。

圖5 主控界面Fig.5 Main control interface

3 結(jié) 論

本文采用離心分離技術(shù)對(duì)航空液壓油泵車儲(chǔ)油凈化裝置展開設(shè)計(jì)，該裝置不僅有效解決現(xiàn)役航空液壓油泵車難以同時(shí)凈化航空液壓油中固體顆粒、水、氣體三種污染物的難題，提高航空液壓油泵車保障飛機(jī)液壓系統(tǒng)的出動(dòng)速度，還可以滿足航空液壓油泵車批次生產(chǎn)、修理、貯存等過程中航空液壓油儲(chǔ)存和凈化需求，提高航空液壓油的使用效率。該裝置采用控制面板、觸摸屏和PLC結(jié)合的操控方式，自動(dòng)化程度高，人機(jī)交互友好。該裝置可以推廣到航空液壓油泵車生產(chǎn)、修理單位，同時(shí)適用于航空兵部隊(duì)，還可以推廣到其它類似工作介質(zhì)的裝備使用，應(yīng)用前景廣闊。