Допустимая загрязненность АМГ-10 гидросистемы самолета Ту-154

Кондиционеры, уплотнения, гидролинии

 

Кондиционеры

Рабочие жидкости топливной, масляной и гидравлической сис­тем ВС должны при эксплуатации сохранять оптимальные физи­ческие свойства. Кондиционность рабочего тела этих систем под­держивается специальными устройствами — кондиционерами. К ним относят фильтры и очистители, удаляющие механические при­меси, центрифуги для отделения воздуха, теплообменники, резерв­ные и дренажные баки.

Фильтры являются наиболее многочисленными устройствами жидкостных систем. В топливной, масляной и гидравлической си­стемах современного ВС их насчитывается от 50 до 100 штук.

Загрязнение жидкостей влияет на надежность агрегатов столь значительно, что срок их службы при неудовлетворительной филь­трации может быть снижен на порядок величины.

Отделение от жидкостей твердых частиц осуществляется в основном механическими и реже силовыми методами. В первом случае используют фильтры со щелевыми или пористыми фильт­рующими элементами, во втором – силовые поля (центробежное, магнитное, электрическое и др.). В гидравлических, топливных и масляных системах ВС применяют преимущественно первый ме­тод очистки, в наземных средствах помимо геометрических фильт­ров широко используют очистку в силовых полях, в частности центробежные и электрические очистители.

Важнейшей характеристикой фильтра является его способность удерживать частицы определенных размеров (тонкость фильтра­ции). Фильтрацию считают удовлетворительной, если фильтр не пропускает частицы, соизмеримые с зазорами в золотниковых па­рах гидроагрегатов. Поэтому тонкость фильтрации должна состав­лять 3...5 мкм.

Конструктивно защитные грубые фильтры выполняют в виде стаканов, дисков, полусфер и т. д. Их располагают непосредствен­но на входе в защищаемый агрегат или отдельный элемент агре­гата. Защитные сетки устанавливают, например, на входе в гид­роусилители, перед пакетами дроссельных шайб, непосредственно на золотниках и дросселях, в заливных горловинах баков и т. д.

Конструктивная схема фильтра тонкой очистки показана на рис. 3.1. При нормальном режиме фильтрации жидкость последо­вательно проходит через фильтр тонкой очистки 2 и затем через защитную сетку 3. В случае засорения фильтроэлемента тонкой очистки, когда перепад давления превысит предельное значение, открывается перепускной клапан 1 и жидкость поступает через канал А в полость Б и далее через защитную сетку 3 к выходному штуцеру. Такая комбинация фильтров тонкой и грубой очистки повышает надежность работы жидкостных систем.

Рис. 3.1. Фильтр тонкой очистки

 

В качестве фильтровального материала в авиационный гидросистемах используют никелевую сетку саржевого плетения 80/720 с тонкостью фильтрации 12...16 мкм. Наиболее ответственные агрегаты гидросистем имеют фильтры из проката пористой нержавеющей стали ФНС-5 с тонкостью фильтрации 5 мкм. Указанные фильтроматериалы имеют высокую стоимость: 1 м² никелевой сетки саржевого плетения стоит 60...70 руб., материала ФНС-5 – 1200 руб. Несмотря на высокую стоимость (фильтр может стоить столько же, сколько насос), фильтры применяют в больших количества) как в бортовых системах, так и в технологическом оборудовании.

Состояние фильтра, например, наличие на сетке металличес­ких частиц, или время, за которое фильтр увеличивает свое сопро­тивление до предельного значения, являются важнейшими диагно­стическими признаками качества функционирования системы.

Рабочими параметрами авиационных фильтров являются гидравлическое сопротивление, равное не более 0,18 МПа, диапазон рабочих температур – минус 60... плюс 180 °С, ресурс фильтроэлемента до промывки – 50 ч, ресурс работы фильтра – 500... 1000 ч, рабочее давление – 22,0 МПа. Перепуск рабочих жидкостей осуществляется параллельно фильтру, топливо – при перепаде давления на фильтре – 0,05...0,06 МПа, моторное масло –0,07...0,09 МПа, гидравлическая жидкость АМГ-10 – 0,7...0,09 МПа.

Расчет фильтра сводится к определению расхода жидкости че­рез него при заданном перепаде давления. Для этих расчетов ис­пользуют зависимость, представляющую видоизмененную формулу Пуазейля:

где удельная пропускная способность единицы площади фильтровального материала при перепаде давления 0,1 МПа и вязкости жидкости 1П (пуаз), л/мин·см²; площадь фильтрующей поверхности, см²; перепад давления на фильтре, МПа; динамическая вязкость, П.

С увеличением значения уменьшается гидравлическое сопротивление фильтра. Удельную пропускную способность находят экспериментально. При определении гидравлической характеристики фильтрующих материалов используют чистые жидкости.

Помимо фильтров тонкой очистки в системах устанавливают грубые фильтры (защитные сетки) для предотвращения попадания гидроагрегаты крупных частиц, которые могут случайно оказаться в жидкости. С помощью защитных сеток удается задер­жать частицы размерами свыше 20 мкм.

Работа электроочистителей основана на притяжении к электродам частиц, получивших заряд в результате трения в потоке.

Принцип действия магнитных очистителей основам на притя­жении частиц из стальных сплавов магнитом, установленным в штоке. Магнитными пробками оснащаются фильтры авиационных жидкостных систем для диагностики состояния жидкости и системы в целом.

В центробежных очистителях в результате действия центробеж­ных сил частица с большей плотностью, чем рабочая жидкость, от­брасывается к стенкам и осаждается на них. Центробежную очи­стку широко применяют в качестве средств технологической очис­тки при изготовлении, ремонте и техническом обслуживании жидкостных систем ВС.

Оценку чистоты жидкости производят весовым методом или подсчетом количества осажденных частиц с помощью микроскопа.

Количество частиц определенного размера, содержащихся в 100 см³ рабочей жидкости гидросистемы самолета Ту-154, не должно быть больше, чем указано в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Допустимая загрязненность АМГ-10 гидросистемы самолета Ту-154

Размер частиц, мкм	5…10	10…25	25…50	50…100
Количество частиц, не более

 

Эффективным средством отделения от рабочей жидкости пу­зырьков выделившегося воздуха является центробежный воздухо­отделитель – центрифуга. Центрифугами оборудуются масляные, топливные и гидравлические системы ВС. Поле центробежных сил в роторе центрифуги ускоряет отделение воздушной фазы от жидкости в сотни раз по сравнению со скоростью отделения пузырьков в баке.

Требуемый уровень чистоты топлива соответствует 4-5-му
классу чистоты по ГОСТ 17216–71, загрязненность жидкости гидросистем – 5-6-му классу, смазочного масла в системах смазки авиадвигателей – 7-8-му классу. Стандарт устанавливает 19 классов чистоты, каждому классу соответствует определенное количество частиц различного размера, содержащихся в 100 см³ пробы жидкости.

Длительная работоспособность жидкости во многом зависит от конструкции и параметров резервного бака гидросистемы. Для обеспечения отстоя жидкости (всплытия пузырьков газа и отделения пены) и отвода тепла вместимость бака должна быть такой же, как и минутная подача насоса. Минимальную вместимость бака самолетной гидросистемы назначают на 50 % больше суммарного объема жидкости во всех ее агрегатах и трубопроводах. Однако она должна быть больше полуминутной подачи насоса.

Обеспечение высотности гидравлических систем достигается наддувом гидробаков, в которых поддерживается избыточное давление порядка 0,1...0,2 МПа, необходимое для предотвращения явления кавитации. Присутствие не растворенных газов в рабочей
жидкости ведет к отрицательным последствиям. Основными нарушениями функционирования являются уменьшение быстродействия и изменение плавности работы исполнительных механизмов,
ухудшение смазки трущихся деталей, деструкция рабочей жидкости, кавитация и повышенная пульсация давления. Ухудшение ра­боты гидросистемы происходит в основном вследствие повышения сжимаемости жидкости (снижения модуля упругости), зависящего от суммарного объема свободного газа в жидкости.

Для улучшения условий выделения пузырьков свободного газа необходимо отделять всасывающие трубы от сливных специаль­ными перегородками.

Бак «закрытой» и гидравлической системы состоит (рис. 3.2} из сферического корпуса 4, резиновой диафрагмы 3, защитной перфорированной перегородки 2, поплавкового клапана 1, предназначенного для автоматического стравливания газовых пробок. Бак снабжен штуцерами для присоединения трубопроводов поддавливания, слива и подачи жидкости к насосу.

При работе гидравлической системы жидкость постоянно дрос­селируется, что приводит к рассеиванию механической энергии, которая превращается в тепло. При большой вместимости и пе­риодическом режиме работы привода жидкость достаточно охлаж­дается за счет конвективного теплообмена в системах эпизодичес­кого действия с автоматами разгрузки.

Системы с насосами регулируемой подачи снабжаются специальными теплообменниками. Простейший самолетный теплообменник представляет собой змеевик из труб легкого сплава, в котором циркулирует охлаждаемая жидкость. Змеевик обдувает потоком забортного воздуха.

 

Рис. 3.2. Бак закрытой гидравлической системы

 

Потребную охлаждающую поверхность змеевика можно рассчитать по уравнению теплового баланса:

,

где мощность, затрачиваемая на привод насосов, Вт; КПД системы; коэффициент теплопередачи, Вт/(м²°С); средний температурный напор, °С; расчетная поверхность
теплообменного аппарата, м².

В баках высокотемпературных систем зачастую размещается
жидкостно-топливный радиатор, через который пропускается топливо для охлаждения жидкости гидросистем.

В гидросистемах блочного типа бак является основной конструктивной базой. В нем расположены основные агрегаты: насосы, фильтры, распределители, приборы контроля работы. Особенно распространены блочные конструкции в гидросистемах вертолетов и автономных приводах с насосными электроприводными станциями.

Топливные системы ВС оборудуются топливно-масляными радиаторами для подогрева топлива, поступающего к фильтрам, и охлаждения масла в системе смазки двигателей. Подогрев топли­ва уменьшает возможность забивки фильтров кристаллами замерзшей воды. Образование кристаллов льда происходит вслед­ствие замерзания выделившейся из топлива воды при резком охлаждении системы в условиях высотного полета. Нормальная фильтрующая способность фильтров начинает нарушаться для топлива Т-1 при минус 40 °С, для топлива ТС-1 – при минус 30 °С.

 

Уплотнения

Уплотнения гидросистем служат для предотвращения перетекания жидкости через зазоры в стыках деталей. Уровень уплотнительной техники во многом определяет совершенство гидравлических устройств. Наибольшее количество отказов агрегатов
жидкостно-газовых систем происходит из-за негерметичности их
уплотнений.

Неподвижные соединения уплотняются в основном различными прокладками, кольцами и реже – за счет притирки и сжатия самих уплотняемых поверхностей. Наиболее распространенные схемы уплотнений неподвижных соединений показаны на рис. 3.3.

 

Рис. 3.3. Уплотнения неподвижных соединений прокладкою (а), резиновым кольцом круглого сечения (б), пустотелым металлическим кольцом (в)

 

Для герметизации стыков в качестве уплотнительных прокла­док применяют эластичные материалы и резину (а), дляневысоких давлений (4,0...5,0 МПа) используют паронит, для вы­соких – алюминиевые и медные прокладки. Чаще всего применяют резиновые кольца круглого сечения (б), пустотелые металлические кольца (в), саморасширяющиеся или газонаполненные.

Уплотнения подвижных соединений показаны на рис. 3.4.

 

Рис. 3.4. Уплотнение подвижных соединений:

а – щелевое уплотнение; б – уплотнение штока резиновым кольцом

круглого сечения; в – уплотнение вала резиновым кольцом круглого

сечения; г – манжетное уплотнение вала

 

 

Большинство уплотнений полостей герметизируется щелевыми) уплотнениями (рис. 3.4, а). Герметичность таких уплотнений не абсолютная. Герметизируемые давления не ограничены: от единиц до сотен мегапаскалей. Щелевые уплотнения имеют малое
трение, высокую тепловую стойкость и практически неограниченный ресурс службы.

Удельные утечки (на единицу периметра) через щелевые уплотнения рассчитываются по формуле Пуазейля:

где перепад давления; зазор (высота щели); коэффициент динамической вязкости уплотняемой среды; длина щели.

Наибольшая сложность возникает при уплотнении выходных штоков силовых цилиндров, а также приводных валиков насосов и гидромоторов, где требуется герметичность без каплеобразования. Штоки при возвратно-поступательном движении чаще всего уплотняются резиновыми кольцами круглого сечения в сочетании с прокладками и подложками из фторопластовых колец (рис. 3.4, 6). Фторопласт препятствует выдавливанию резины в зазор и снижает трение. Сжатие резинового кольца в канавке должно быть равно 10...16 %. Достоинствами уплотнений резиновыми кольцами круглого сечения являются высокая герметич­ность, малое трение и идеальная простота конструкции. Однако эти уплотнения недостаточно теплостойки при температурах свы­ше 100 °С, затруднена герметизация в нерабочем состоянии меха­низма при температурах минус 20... минус 30 °С, ресурс ограничен несколькими тысячами часов работы. Параметрами уплотнений возвратно-поступательных соединений гидравлических агрегатов являются скорость скольжения, равная 0...150 мм/с, давление среды – до 30,0 МПа, срок службы порядка – 3000...6000 ч при температурах рабочей среды 50...80°С.

Резиновые кольца круглого сечения применяют также для уплотнения вращающихся валов при относительно малых скорос­тях скольжения. На рис. 3.4, в показано уплотнение вала гидромотора. Наклон кольца сделан для обеспечения смазки зоны контакта и отвода тепла, генерируемого при трении.

Параметры этих уплотнений определяются следующими усло­виями работы: скорость скольжения до 1,5 м/с, давление среды до 3,0 МПа, кольца в канавку монтируются с радиальным и ок­ружным сжатием. Окружное сжатие препятствует проворачива­нию кольца в канавке, радиальное сжатие обеспечивает плотный контакт с уплотняемой поверхностью.

Приводные валы насосов уплотняются манжетами, дополни­тельный прижим которых обеспечен браслетной пружиной (рис. 3.4, г). Косая кромка манжеты способствует лучшей смазке и охлаждению вала. Параметрами манжетных уплотнений валов являются скорость скольжения до 5 м/с, давление среды – до 0,20 МПа, натяг кромки манжеты при монтаже на вал – 0,2 мм. Температура рабочей кромки манжеты для нитрильных резин не должна превышать 100...120 °С. Нагрев кромки в результате тре­ния о вал может составлять 20... 30 °С. Таким образом, темпера­тура рабочей среды не должна превышать 70...80°С. В указан­ных условиях ресурс уплотнений манжетами составляет 5000... 6000 ч.

Для работы в условиях высоких давлений жидкости, особенно при высоких температурах, применяют уплотнения торцевого ти­па. Торцевое уплотнение вала состоит из уплотнительного коль­ца 2, изготовленного из мягкого антифрикционного сплава, и опор­ного бурта вала 3 высокой твердости. Пружина 1 создает кон­тактное давление на поверхности колец 2 и 3, достаточное для предотвращения утечек при нулевом давлении среды (рис. 3.5). Эти уплотнения применяют при окружных скоростях вала да 50 м/с и давлениях среды до 40 МПа.

Рис. 3.5. Торцовое уплотнение вала

 

Детали уплотнения 2 и 3 рассчитывают из условий нераскрытия стыка, и в то же время стык не должен быть нагружен избы­точной силой, чтобы трение не было слишком большим и не взывало перегрева поверхностей контакта.

Условие равновесия подвижного кольца без учета сил трения для случая гидродинамического течения жидкости в зазоре можно записать в виде

где среднее избыточное давление в зазоре между прилегающими поверхностями колец; площадь контакта; перепад уплотняемого давления; площадь прижима; усилие затяжки пружины.

Допуская, что распределение давления жидкости в зазоре будет линейным, можно принять

Гидравлическая сила прижима будет равна силе расклинивающей, если отношение площадей составляет

При указанном значении коэффициента плотность контакта достигается лишь за счет действия пружины 1 (рис. 3.5). Поскольку распределение давления может быть нелинейным, коэффициент принимают обычно больше 0,5, чтобы гарантировать плотность контакта.

Для уплотнений с шириной полоски контакта мм для малых давлений принимают

К механическим уплотнениям предъявляют высокие требования по точности изготовления: биение торца – 0,01 мм, неплоско­стность и волнистость – 0,8...1,0 мкм. Поверхности трения дово­дятся путем притирки.

Для уплотнения штоков гидравлических силовых цилиндров, работающих в тяжелых условиях (частые перекладки, запылен­ная атмосфера, наличие перерезывающих усилий), применяют шевронные манжетные уплотнения. Конструкция одного из таких уплотнений показана на рис. 3.6, а.

Первоначальный контакт манжеты с уплотняемой поверхностью обеспечивается за счет монтажного сжатия. С увеличение
давления жидкости увеличиваются площадь контакта и сила трения манжеты о подвижную деталь.

Для изготовления манжет применяют различные материалы: кожу, резину, прорезиненные хлопчатобумажные, асбестовые и асбометаллические ткани, пластмассы, в том числе и фторопласт-4, имеющий низкий коэффициент трения по стали (f = 0,01...0,03). Для резины по стали коэффициент трения составляет 0,05...0,30. Коэффициент трения зависит от температурных условий, скорости скольжения, вида смазки и давления жидкости. Манжетные уплот­нения требуют высокой чистоты обработки уплотняемой поверх­ности подвижных деталей, так как шероховатость поверхности сильно влияет на износ уплотнения.

 

Рис. 3.6. Уплотнения штоков (а) и поршнем (б) гидравлических

силових цилиндров для тяжелых условий работы

 

Наиболее долговечным после щелевого уплотнения является уплотнение с помощью металлических разрезных колец в агре­гатах с поступательным движением, особенно при повышенных скоростях. Схема металлического кольца показана на рис. 3.6, б. Для удобства установки, а также для обеспечения плотности кон­такта с уплотняемой поверхностью металлические кольца делают разрезными. Форма разреза кольца может быть разной, два типа разреза изображены на рис. 3.6, б. Такое кольцо обычно вставля­ется в канавку, выполненную на поверхности поршня. Количество колец зависит от давления жидкости. Для давления 15 МПа обычно используют два кольца. Материалом для металлических колец служат серый чугун, бронза. Распространены также кольца из текстолита, графита и металлографитовой массы.

Для подвода жидкости к перемещающимся агрегатам приме­няют гибкие трубопроводы, которые могут быть изготовлены из армированных резиновых рукавов, из гофрированных фтороплас­товых или стальных труб.

При большом сроке службы используют металлические трубы в форме витых пружин. Радиус изгиба пружин и количество витков подбирают таким образом, чтобы максимальная деформация трубы не превышала допустимого значения.

В гидроавтоматике для подвижных соединений с ограничен­ным ходом широко применяют разнообразные разделители сред,
к которым относятся сильфоны, мембраны и гибкие трубки. С их
помощью можно получить абсолютную герметичность подвижных
элементов. Изготавливают разделители сред из нержавеющей
стали, латуни, фосфористой бронзы, резины, фторопласта и других материалов.

Наиболее важной характеристикой уплотнений является их герметичность. Для сравнения уплотнений различных типоразмер ров необходимо выявить общие закономерности утечек. Утечки определяют по эмпирическим и теоретическим формулам, вклю­чающим такие параметры уплотнений, как диаметр ширина контакта зазор вязкость рабочей среды скорость герме­тизируемое давление

Утечки по уплотнениям подвижных соединений связаны с об­разованием пленки смазки толщиной между контактирующи­ми поверхностями при их взаимном перемещении. Герметичность уплотнения зависит от режима трения, характеризуемого крите­рием . В уплотнении подвижных соединений (УПС) объем утечки пропорционален площади контртела (например, штока): В уплотнениях валов расход утечки пропорционален периметру и . Герметичность из-за диффузии свойственна в той или иной степени всем уплотнениям. На герметичность и трение существенно влияют многочисленные случайные факторы: загрязнение жидкости, старение и температурные свойства материалов, деформации и т. д. Их можно оценить только при статистическом подходе к изучаемой проблеме. Утечки в большой партии уплотнений определяют наиболее характер­ным средним значением а отклонения от нее находятся в определенных пределах, что позволяет установить с помощью статистической обработки математическое ожидание и дисперсию утечек.

Классы негерметичности определяют с учетом закономерностей утечек для различных типов уплотнений. Утечки пропорцио­нальны характерным размерам соединений, поэтому целесообраз­но оценивать класс герметичности по утечке за килосекунду, отнесенной к периметру B (), либо по утечке от­несенной к единице площади контакта . Для диффузионного проникновения Удельные утечки примерно соответствуют утечке по уплотнению вала (УВ) при диаметре мм за 15 мин, а утечке УПС по штоку при мм за 100 двойных ходов длиной L = 100 мм.

В процессе эксплуатации вследствие старения материала, из­носа сопряженных поверхностей и воздействия таких неблагопри­ятных факторов, как деформация посадочных мест и вибрация, происходит постепенное нарастание утечек. Когда они превышают допустимые нормы, уплотнение необходимо заменять. Обычно при эксплуатации допускаются утечки по нормам следующего класса (группы) герметичности. Количественная оценка утечек при эксплуатации изделий затруднена и даже невозможна, по­этому в классах негерметичности даются также критерии визуаль­ной оценки. После длительной эксплуатации изделий утечки не­стабильны по времени и имеют случайные кратковременные пики повышения расхода. Наиболее вероятной причиной этого явления следует считать расклинивающий эффект от попадания в зазор твердых частиц загрязнений. В классах негерметичности [3] пер­вая группа оценивает герметичность при нормальной работе, а вторая – выбросы утечек, а также допустимый уровень утечек в эксплуатации (табл. 3.2).

Проблема герметизации в последние десятилетия усложнилась в связи с повышением рабочих давлений, температуры и скорости приводов. С ростом температуры падает вязкость масла и быст­рее стареют эластомеры. Следует также учитывать местный на­грев уплотнений в результате трения уплотнений о вал. Темпера­тура в месте контакта резинового уплотнения с валом превышает температуру рабочей жидкости на 50...60 °С, т. е. при = 100°С достигается предельно допустимая температура на по­верхности контакта для нитрильных резин (150...160 °С). Резины на основе фторкаучуков более термостойкие, но имеют худшие свойства при отрицательных температурах.

Таблица 3.2

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: