航空发动机燃油附件修理清洁度控制研究

学术论文 2018-02-09 11:01:18
    0 引言
    本文从航空发动机燃油附件修理过程中清洁度实际需要出发,分析了燃油附件污染物的来源,分析了燃油污染的原因及危害,研究了常用油液状态监测技术,分析了各种监测技术的优、缺点,确定了颗粒分析法的适用性,研究了航空燃油附件清洁度标准、存在问题和改进措施。
    1 概述
    1.1 航空发动机燃油附件
    航空发动机燃油附件是对发动机进行控制和调节的重要装置。以某型航空发动机为例,其燃油附件主要包括主燃油泵调节器、喷口加力调节器、燃油分配器、高压柱塞泵、柱塞泵控制附件、应急放油附件、加力泵、离心增压泵、燃油计量装置等组成。
    1.2 航空发动机燃油附件的修理
    航空发动机的性能日益先进,功能综合,结构复杂,价格昂贵,保养问题显得尤为重要。航空发动机修理的概念已经起了质的变化,早已不是修修补补了,而是一门复杂的现代工程技术。修理的质量和速度,直接影响航空发动机的完好率、出勤率、事故率、修理工时等指标。修理得好,一架飞机可顶好几架使用,反之,可能几架也顶不了一架。
    航空发动机修理是一个大系统。其规模庞大,专业纷繁,结构复杂,功能综合,因此,航空发动机的修理要以可靠性为中心。在设计时就要进行可靠性预测,经可靠性论证;在生产时要进行可靠性管理;在修理上更要进行可靠性研究,从根本上改善和提高可靠性。
    1.3 燃油附件清洁度控制的方法和目标
    目前,航空发动机润滑油状态监控技术已经广泛应用于民用工业和军队建设,减少和避免了许多灾难性事故的发生。国内对航空发动机润滑油的监控也取得了很大进展。
    污染对航空发动机燃油附件造成的危害也很大,附件中一旦存在污染物就极有可能造成各类活门卡滞、油滤堵塞、运动偶件工作表面严重磨损、密封部位漏油等,影响燃油系统正常工作甚至危及飞行安全。因此分析燃油附件污染原因,认识其危害性,制定清洁度检测标准,采取预防措施是很有必要的。
    航空发动机燃油附件的清洁度控制已引起人们的高度重视,在航空发动机的修理中,对清洁度的要求非常严格。经过国内多型发动机的修理,我们对清洁度有了一定的了解,采取了许多措施来保证燃油附件的清洁度,如在对燃油附件进行性能试验时,规定试验器应使用高过滤度的油滤;定期清洗或更换油滤;定期清洁系统管路等。但这些都只是定性的分析,而通过国外第三代战斗机的修理,我们对清洁度的认识上了一个台阶。清洁度不是一个定性术语,而是一个相当具体的定量数值。
    2 燃油污染原因及危害
    2.1 燃油附件污染物的来源
    燃油附件污染物的来源主要有三个方面:
    机械加工造成的污染:燃油附件壳体孔路复杂,纵横交错,而且还有许多盲孔和工艺孔,经精密机械加工后,一些微小的金属屑和研磨膏等杂质仍不可避免地积存在壳体的深孔、盲孔和小沟槽内,当装配完毕,燃油附件投入工作后,污染物就会进入燃油系统而造成系统污染,对燃油附件的零部件产生破坏作用。
    自身污染:燃油附件在使用过程中,金属元件长期磨损产生的金属微粒和氧化物、密封元件磨损产生的橡胶颗粒以及镀层、焊料脱落等产生的碎片或燃油本身含有的机械杂质和水分,对系统造成污染。
    外部污染:生产、运输、修理过程中,由于种种原因将尘土、雨水、金属微粒、纤维等杂质带入系统内部,造成附件污染。外部污染中,最严重的污染是油液污染。油液中的污染物有固态、液态和气态三种形式。固态污染物通常以颗粒状存在于油液中;液态污染物主要是侵入附件中的水分;气态污染物主要是混入油液中的空气。
    2.2 燃油污染的原因
    在修理过程中,大量使用燃油,用于对附件进行清洗、油封、性能测试等,因此对燃油的清洁度控制是保证修理质量的重要环节。燃油被污染的主要原因有四个:已被污染的新油、残留污染、侵入污染、内部生成污染。
    已被污染的新油:虽然燃油是在比较清洁的条件下精炼和调制成的,但燃油在装入油桶或进入液压测试系统油箱前,要流过许多软管和硬管。这时燃油已不再清洁,因为曾流过的油管会混杂一些金属和橡胶颗粒。除非装了合适的空气滤,否则来自大气的污染物也会进入油箱。使用带高效油滤的运输车能将油料中的污染物在进入液压测试系统前就清除。在新油中发现的污染颗粒包括锈、氧化皮、纤维和砂子等。
    残留污染:使用了一个翻修间隔期的燃油附件中往往会有一定数量的残留污染,如磨损后产生的微小金属屑;修理中的燃油附件也会产生残留污染,如研磨膏等杂质;新制造的燃油附件性能测试装置如有毛刺、焊瘤、锈块等,装配系统时冲洗管路、采用不锈钢管等可减少这种污染,但不能根除,因此对任何新制造或改装的液压测试装置而言,磨合运转是至关重要的。
    侵入污染:来自周围环境的污染也会侵入燃油附件。关键在于严格控制进入燃油附件的环境污染的路径,尤其是性能测试装置被环境污染侵入的通路。污染物进入性能测试装置有四个主要方式:从油箱通气口侵入;从油箱进油口侵入;打开测试系统装置进行修理时污染物侵入;燃油附件从性能测试装置中拆下时,产品和装置接管嘴未加堵盖使污染物侵入。
    内部生成污染:在日常运行中所有燃油附件都会产生少量颗粒,尤其是油泵,如果这些颗粒未被附件过滤,就会使新颗粒的数量成加速度增长,对燃油附件造成磨损,从而形成恶性循环。生成污染包括:磨粒磨损、粘附磨损、疲劳磨损、冲刷磨损、气蚀磨损、腐蚀磨损等。
    2.3 污染的危害
    燃油附件由许多诸如油泵转子、柱塞、分油盘、活门偶件等关键件组成,这些零部件对污染物很敏感,非常小的污染物就会引起工作异常,以至燃油系统附件功能失效。
    2.3.1 失效的类型
    由污染引起的失效分为三大类:突发失效、间歇失效、性能衰减失效。
    2.3.2 失效的关键部位
    油泵:油泵部件之间的间隙充满油液。如果间隙内的油液被污染,油泵会出现性能迅速退化直至最终卡死的现象。
    油泵最常见的失效模式是磨损和气蚀。如果燃油被污染,一些微小的硬质颗粒使工作表面磨损,增大其配合间隙,将降低燃油泵的供油效率;如果燃油中含有空气,使供油效率降低,甚至引发油泵不打油等故障。
    精密偶件:精密偶件是燃油附件的关键部件,最常见的失效模式是粘着磨损。如果燃油被污染,使偶件运动紧涩、阻滞以至咬合卡死。
    轴承:在滚动和滑动轴承中,发生直接接触最常见的方式是有颗粒卡进燃油,并同时接触运动和固定表面。所生成的损坏往往是擦伤或表面裂纹,这就开始了剥落过程。
    如上所述,在错误的时间到达错误部位的个别大颗粒能引起突发失效。少量淤积尺寸颗粒也能通过侵蚀表面或通过在关键区域中聚集而带来问题。单个或少量的颗粒不会引起问题,但在油液中存在的比例较大时,就会产生淤积而导致失效。
    2.3.3 污染的危害
    如果燃油较脏,经过長时间工作循环,污染物就会包住油滤,或粘附在油嘴孔上,导致燃油过分节流和淤塞,限制燃油的流通,引起主燃油泵调节器的半程加速时间变长、加力燃油泵出口油压上升时间变长等故障。
    燃油附件的运动活塞主要用来调节供油量和转速,精度要求较高,对污染物特别亲和,硬质污染物会划伤活塞衬套或嵌入活塞的橡胶皮碗中;软质污染物会淤塞在活塞与衬套的间隙中,造成活塞摩擦力增大或泄漏,引起燃油量上升缓慢或供油量降低等故障。
    如果燃油被机械杂质或水分污染,则水分会使燃油附件金属元件锈蚀剥落,机械杂质会加速油液的氧化,使之生成油水乳液而削弱油液的润滑能力,改变油液粘度,增大油液的酸性,从而加速金属元件的锈蚀等。
    3 常用燃油状态监控技术
    发动机的燃油状态监测,目前主要是通过对燃油附件中燃油本身的物理特性和油液中磨粒的检测与分析来实现的。可以分为以下两类:常规油液分析和固体颗粒监测。
    3.1 常规油液分析技术
    油液的常规分析技术是对燃油本身的物理特性进行测试和分析,测试项目大致包括水分、酸值、水溶性酸或减、机械杂质等内容,其主要目的是:检查所用的燃油牌号是否正确;检测所用的油液性能是否已下降而需要更换;对一些简单故障做出判断,如机械杂质总量增加说明磨损严重。
    3.2 固体颗粒监测技术
    油液固体污染物又称油液固体颗粒污染物,是指存在于油液中的不溶于油液的固体有害物质。
    油液的固体颗粒监测技术是对燃油中携带的金属微粒、纤维等进行分析,主要包括颗粒计数法、磁塞检测法、磨粒铁谱分析和油料光谱分析等。
    颗粒计数法:颗粒计数法是评定油液污染程度的一项重要指标。颗粒计数法的优点在于判断油液的污染程度很有效,且操作简便,生产中应用较广。但它不能分辨颗粒的种类,分不清颗粒是磨粒还是外部侵入的固体污染颗粒。
    磁塞检测法:磁塞又称磁性碎屑探测器,可分为普通磁性碎屑探测器、信号式磁性碎屑探测器和信号式油滤等,均是目前使用较广泛的在线监测技术。
    铁谱分析法:由于磨擦材料大多是铁磁性金属,因此在油液磨屑技术中主要是对铁磁性磨粒的分析监测。
    光谱分析法:光谱分析法是通过测量油样中各种金属元素的原子在跃迁过程中吸收、发射或散射的电磁辐射的波长及强度来了解油样中含有金属元素的种类及含量的一种技术。
    以上的分析法各有其优、缺点,但工程上使用较多的是颗粒计数的方法,判断油液中的颗粒数量来确定其清洁度,而不过多的考虑颗粒的材料等。只有在特殊的情况下,如分析滑油的状况时,我们才更多地关注滑油中所含金属颗粒的材料。
    4 燃油附件修理过程清洁度控制
    4.1 污染控制工艺要求
    金属屑、研磨膏、外来物(多余物)残存在燃油附件中的危害极大。在修理过程中,我们也认识到控制燃油系统的清洁度至关重要,有一些细节问题未得到很好的控制也会使零件失效。因此,所有的工艺过程,依据其特点都有污染控制要求。
    4.1.1 一般要求
    环境:零件、组件清洗和附件装配、调试、清洗、清洁度检测、油封和包装应在环境污染受到有效控制的工作间进行。
    工艺和工艺设备:附件装配所使用的工具应完好无损、洁净,并防止因装配工具磁化的影响将污染物带入附件内部。附件调试、清洗、清洁度检测等工艺装备,都有清洁度控制制度,由专人负责维护、保管。
    清洗剂:清洗剂应与被清洗件相容,防止对附件过度的侵蚀和潜在的破坏。用于吹净和吹干元件的空气也是经过过滤和脱水、脱油处理的。
    人员和衣着:从事燃油附件装配的、调试、清洗、清洁度检测、油封和包装人员都经过污染控制的专业培训,考核合格后才能参与工作。进入工作场地,应穿工作鞋、专用工作服和戴工作帽。
    4.1.2 零、组件清洗、油封和包装
    清洗:零、组件装配前应彻底清洗,除掉油污、切屑、研磨膏、焊渣、锈蚀和其他污染物,特别注意盲孔、内螺纹的清洗。零、组件清洗后要立即进行干燥处理。
    油封:零、组件清洗后在24小时内不进行装配时,应进行油封。油封油的清洁度按规定执行,油封油中含水量不高于100PPM。
    包装:零、组件清洗后按规定进行包装。与零、组件直接接触的内层包装,应选用中性的,并具有良好的防潮性能和不对附件造成附加污染的包装材料。
    4.1.3 附件装配
    装配前对零、组件进行彻底清洗;装配过程中各道工序间转移有严格的污染控制技术措施和管理措施;附件装配后试验前也有防止污染的措施。
    4.2 燃油附件清洁度标准选择
    要使燃油附件最终达到清洁度标准,除修理过程中要严格防止金属屑、研磨膏、外来物(多余物)残留在附件中,必须有一个明确的标准。燃油附件中的油液應净化到在燃油附件预期寿命内,污染不会成为附件中任何零件失效的因素,是根据附件的功能设定的一个清洁度等级。
    清洁度等级的选择一般是根据系统元件或承载轴承的性质(包括材料、关键间隙和加工公差等)而设定的。设定清洁度等级的程序:针对系统中的最敏感元件确定推荐清洁度等级;针对油液类型调整等级;针对系统元件受力的外部因素来调整。
    附件是否清洁,产品内部是否被污染,都在最终验收工序中表现出来。要使附件最终达到清洁度标准,首先其性能检测装置中的油液应符合清洁度标准,在设计上应保证有足够的自净化能力和防止污染侵入的措施,其污染度原则上应低于相应系统或产品要求的清洁度验收水平1-2级。
    5 结束语
    航空发动机燃油附件是发动机控制系统的重要组成部分,它直接影响发动机的安全和性能。燃油附件修理过程中,清洁度的控制是保证产品质量的重要条件和有效手段。
    本文从航空发动机燃油附件修理过程中,清洁度实际需要出发,分析了燃油附件污染物的来源;分析了燃油污染的原因及危害;研究了常用油液状态监测技术,分析了各种监测技术的优、缺点,确定了颗粒分析法的适用性;研究了航空附件清洁度标准、存在问题和改进措施;本文的研究结果对提高航空发动机燃油附件维修质量起到了积极作用,也会为进一步开展清洁度控制研究打下一定基础。
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