Сравнительная оценка современных рабочих жидкостей для

Сравнительная оценка современных рабочих жидкостей для
авиационных гидравлических систем
09, сентябрь 2015
Макушин С. А., к.т.н., начальник отдела
УДК: 678-404; 629.735.063
Россия, ОАО «Авиационная корпорация «Рубин»
Введение
С выходом отечественной авиатехники на международный рынок и широким применением российскими авиакомпаниями воздушных судов иностранных производителей
встал вопрос об использовании в гидравлических системах (ГС) летательных аппаратов
рабочих жидкостей (РЖ), выпускаемых различными фирмами, в том числе зарубежными.
Российская авиация получила в наследство от советской авиационную технику, в ГС
которой применяются три рабочие жидкости – минеральное масло АМГ-10 ГОСТ6794-75,
синтетические РЖ 7-50с-3 ГОСТ20734-75 и НГЖ-5У ТУ38.401-58-57-93. Они создавались
под определенные условия, не заменяли друг друга, то есть не были конкурентами и поэтому вопрос об их сравнении до настоящего времени просто не возникал.
В то же время иностранные фирмы-производители в условиях конкуренции и антимонопольного законодательства производят каждая свой вариант РЖ, удовлетворяющей
требованиям соответствующей спецификации. Так, например, по спецификации MIL-PRF5606H производится несколько РЖ аналогов масла АМГ-10 ГОСТ 6794-75, из которых
наиболее известны AeroShellFluid 41 (ASF 41), Hydraunikoil FH 51 (FH 51), Royco756.
Аналогами нашей НГЖ-5У являются Skydrol 500 B4, Skydrol LD-4 и Hyjet IV-APlus (спецификация SAE AS1241), а 7-50с-3 – Nykolube 934 (спецификация CG 94-0120). Следует
отметить, что аналоги не идентичны по составу, несколько отличаются по свойствам и по
воздействию на конструкционные материалы, поэтому вопрос сравнительной оценки их
между собой и с соответствующей отечественной жидкостью весьма актуален.
Использование перечисленных РЖ в ГС российских летательных аппаратов в какойто степени регламентирует руководящий технический материал (РТМ) «Перечень зарубежных горюче-смазочных материалов, рекомендованных к применению на авиатехнике
отечественного производства», выпущенный и регулярно обновляемый ЦИАМ [1]. Однако, РТМ – это всего лишь рекомендации не обязательные для представительств заказчика,
которые осуществляют приемку авиационной техники.
2307-0595, Инженерный вестник, №09, 2015
39
Очевидно, что в основе решения для допуска аналога к эксплуатации в ГС с агрегатами, разработанными для основной РЖ, должен лежать апробированный "Комплекс методов квалификационной оценки рабочих жидкостей для гидросистем самолетов и вертолетов" (КМКО) [2]. КМКО включает в себя лабораторные испытания и стендовые. Лабораторные проводят в основном различные НИИ (ВИАМ, ГосНИИГА, НИИЭМИ и др.). Исследуется изменение физико-химических свойств жидкостей при воздействии внешних
факторов, их взаимодействие с конструкционными материалами, определяются предельные значения параметров внешних факторов. При стендовых испытаниях на предприятиях, включенных в КМКО, (АК «Рубин» и НПО «Родина») исследуется изменение свойств
РЖ при работе тестовых агрегатов в ГС, схема которой закреплена КМКО, и влияние РЖ
на детали этих агрегатов (износ, состояние покрытий и т.п.). По результатам испытаний
одновременно определяется работоспособность исследуемой жидкости и агрегатов.
Однако, для постоянного использования аналога этого недостаточно. Как показал
опыт работ с реальными жидкостями в ОАО АК «Рубин», требуется проведение испытаний на подтверждение установленного ресурса агрегатов при работе на жидкости аналоге
той, для которой они проектировались и отрабатывались. Необходимы дополнительные
исследования по оценке допустимых долей смешения жидкостей при их замене в ГС объекта, величин набухания резиновых уплотнений гидроагрегатов, смазывающей способности РЖ в парах трения скольжения гидроагрегатов.
Такие работы начались на АК «Рубин» в 90-х годах с целью добиться решения о допуске к эксплуатации синтетических РЖ 7-50с-3 и FH51 в качестве аналог минеральной
АМГ-10. Связано это было с возросшими требованиями заказчиков по увеличению срока
службы РЖ и агрегатов, расширению температурного диапазона их работы в ГС и ухудшением качества производства АМГ-10. Кроме того, имелась неофициальная информация
о том, что благодаря волевому решению о замене на летательных аппаратах в Афганистане масла АМГ-10 на менее пожароопасную РЖ 7-50с-3 удалось в ходе боевых действий существенно сократить потери техники и людей.
Кремнийорганическая РЖ 7-50-с-3 отличается значительно более высокой верхней
границей допустимых температур, имеет в несколько раз больший ресурс на одинаковых
режимах работы и эксплуатируется в ГС серийных самолетов МИГ31 и ТУ160. Испытания на ресурс проводились на одном и том же насосе при одинаковых условиях. Результаты испытаний представлены на нижеследующей диаграмме (рис. 1).
Рис. 1. Сравнительный ресурс жидкостей 7-50с-3 и АМГ-10 (ресурс АМГ-10 принят за единицу)
http://engbul.bmstu.ru/doc/812431.html
40
Исследования по оценке допустимых долей смешения проводились в объеме требований КМКО для стендовых испытаний. Испытывались смеси, содержащие 25% АМГ-10 и
75% 7-50с-3, 50% АМГ-10 и 50% 7-50с-3 в ГС, схема которой показана на рис. 2, с тестовым насосом НП25.
Рис. 2. Схема стенда для квалификационных испытаний жидкостей
В результате испытаний было установлено:
1. За 50 часов работы при температуре +125С и 50 часов при +150С испытуемые
образцы смесей масла АМГ-10 и жидкости 7-50с-3 не помутнели, остались прозрачными, однородными. Следовательно, жидкости совместимы и могут смешиваться в любых пропорциях.
2. Кинематическая вязкость образцов смесей после испытаний составила: для 25%
содержания АМГ-10 –7,97сСт при норме не менее 7сСт; для 50% – 7,02сСт.
3. Кислотное число испытанных образцов после испытаний: для 25% содержания
АМГ-10 – 0,82 мгКОН/г при норме не более 0,8 мгКОН/г; для 50% – 1,20 мгКОН/г.
4. На сухарях карданов насосов НП25-9 видны следы приработки, что соответствует
нормам.
5. Осадкообразования в процессе испытаний не наблюдалось. Перепад давления на
фильтрах не изменился.
2307-0595, Инженерный вестник, №09, 2015
41
Таким образом, по результатам квалификационных испытаний смеси, состоящей из
25% масла АМГ-10 и 75% жидкости 7-50с-3 было установлено, что она соответствует требованиям квалификационных норм на жидкость 7-50с-3 ГОСТ 20734-75 и может быть рекомендована к применению в интервале температур от минус 60С до плюс 150С длительно.
Смеси жидкостей АМГ-10 и 7-50с-3 при содержании в них АМГ-10 более 25% работоспособны в температурном интервале, установленном для АМГ-10 (от –60оС до +125оС
длительно), при этом они имеют больший ресурс, чем чистое масло АМГ-10. Следовательно, можно рассматривать РЖ 7-50с-3 в качестве аналога масла АМГ-10.
Гидравлическая жидкость FH–51 производства французской фирмы NYCO, включенная в 1 , после лабораторных исследований получила сертификат соответствия и исполь-
зовалась в гражданских самолетах КБ Туполева, эксплуатирующихся за рубежом. Для получения допуска к эксплуатации в ГС всех самолетов, работающих на масле АМГ-10, в
том числе Су30, Миг29, поставляемых в Индию и другие страны, РЖ FH–51 кроме квалификационных стендовых испытаний прошла периодические испытания на ресурс 1000
летных часов насоса НП128. Целью испытаний было:
 оценка возможности применения жидкости FH–51 на режимах работы насоса
НП128;
 подтверждение ресурса насоса на жидкости FH–51, который ранее был установлен
ему на масле АМГ-10 ГОСТ6794-75;
 сравнение характера и величин изменения физико-химических характеристик жидкости FH–51 в процессе отработки ресурса с характеристиками масла АМГ-10 при
аналогичных испытаниях.
В результате испытаний было установлено:
1. Гидравлическая жидкость FH–51 обеспечила работоспособность насоса в течение
1000 летных часов.
2. Гидравлическая жидкость FH–51 в отличие от масла АМГ-10 в процессе испытаний не заменялась, так как сохраняла характеристики в пределах допустимых норм.
3. Гидравлическая жидкость FH–51 обеспечила работу насоса при более жестких
температурных условиях, чем жидкость АМГ-10 (температура на входе в насос при
испытаниях была увеличена на 10…15оС)
4. Уплотнения из резины 51-1668 находятся в удовлетворительном состоянии и обеспечили герметичность насоса в течение всего ресурса.
В ходе испытаний были отмечены некоторые особенности FH–51, но в целом результаты испытаний показали, что эксплуатационные свойства FH–51 несколько выше, чем у
АМГ-10 и позволили с уверенностью дать рекомендации по применению ее наравне с
АМГ-10.
РЖ на основе эфиров фосфорной кислоты (так называемые «негорючие» РЖ) используются в ГС самолетов гражданской авиации с целью обеспечения повышенных требований к пожарной безопасности воздушных судов. Практика эксплуатации ГС самолетов
http://engbul.bmstu.ru/doc/812431.html
42
ТУ204, ИЛ86, ИЛ96 на отечественной РЖ НГЖ-5у показала, что образующийся в жидкости гелеобразный осадок приводит к отказам гидроагрегатов. Наиболее частым видом отказов являлись повышенные утечки в дренаж через торцовое уплотнение вращающегося
вала насоса НП123, приводящие к потерям РЖ вплоть до полного опустошения гидробака.
Организации разработчики вышеперечисленных самолетов на основании рекламных
данных иностранных фирм производителей РЖ приняли решение о замене НГЖ-5у на ее
аналоги – Skydrol LD-4 (ОАО «Туполев») и Hyjet IV-APlus (ОАО «АК им. С.В. Ильюшина»). Однако, в результате проведенных на ОАО АК «Рубин» стендовых испытаний в объеме КМКО было установлено, что все жидкости-аналоги, включая НГЖ-5у, в пределах,
определенных их техническими условиями и спецификацией:
 совместимы и могут смешиваться между собой в любых пропорциях;
 не образовывали осадков в ходе испытаний;
 не имели после отработки ресурса существенных различий в показателях физикохимических свойств, подлежащих контролю.
 обеспечили установленный ресурс агрегатов в пределах условий ТЗ на насос
НП123, при этом состояние деталей, работавших на разных жидкостях, практически одинаково.
Очевидно, что по этим результатам невозможно объективно оценить преимущества
какой-либо из них, следовательно, необходимы дополнительные исследования.
Следует отметить, что во всех видах стендовых испытаний насосов НП123, проводившихся на «Рубине», также не было зафиксировано отказов по причине повышенных
утечек через торцовое уплотнение. Поэтому в конце 90-х годов, когда в эксплуатации шли
массовые отказы, и требовалось найти их причину и устранить, была разработана установка для исследований работы торцового уплотнения и совершенствования его конструкции. Принципиальная схема установки и конструктивное исполнение имитатора
условий работы уплотнения показаны на рис. 3 и 4.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для исследования работы торцового уплотнения
2307-0595, Инженерный вестник, №09, 2015
43
Рис. 4. Конструктивная схема имитатора работы торцовых уплотнений
(торцовое уплотнение выделено окружностью)
Имитатор представляет собой (см. рис. 4) корпус насоса НП123, в котором на валу
удалена качающая группа (блок цилиндров с поршнями), наклонная шайба с деталями системы автоматического регулирования подачи. Оставлено торцовое уплотнение и центробежный насос подкачки.
На этой установке на режимах работы предельных для РЖ НГЖ-5у и насоса НП123
(температура РЖ – +150°С, давление в корпусе – 1,0мПа, частота вращения вала – 6000
1/мин) впервые был воспроизведен отказ торцового уплотнения. Было установлено, что
независимо от конструктивного исполнения уплотнения наработка до появления утечки
более 10см3/час составляет в среднем 50 часов. Жидкость при этом расслаивается, появляется густой вязкий осадок, кислотное число превышает допустимые пределы. То есть
было установлено, что работоспособность торцового уплотнения определяется физикохимическими свойствами жидкости и условиями эксплуатации, которые могут отличаться
от условий, заданных в ТЗ. Такие же испытания были проведены на этой установке с РЖ
Skydrol LD-4 и с Hyjet IV-APlus. Результаты приведены в таблице 1 и на графике рис. 5.
Таблица 1. Результаты испытаний торцового уплотнения на имитаторе в жидкостях-аналогах
tвх, С
Время работы до отказа, час
НГЖ-5У
Skydrol LD-4
Hyjet IV-APlus
+135
300
>350
>260
+150
50
>350
68
http://engbul.bmstu.ru/doc/812431.html
44
Рис. 5. График изменения кислотного числа различных РЖ в процессе испытаний торцового уплотнения
Из анализа полученных данных видно, что наиболее термостабильной из испытанных
РЖ является Skydrol LD-4.
Следует отметить, что причины отказов при работе установки на разных жидкостяханалогах отличались. В НГЖ-5у повышенные утечки через торцовое уплотнение происходили в основном из-за образующегося в большом количестве вязкого осадка, в Hyjet IVAPlus – из-за повреждения трущихся поверхностей в результате ухудшения смазывающей
способности жидкости. Появление в жидкости Skydrol LD-4 небольшого количества мягкого порошкообразного осадка не привело к увеличению утечек за время работы более
350 часов, после чего испытания были прекращены.
Однако некорректно утверждать на основании этого эксперимента, что эксплуатационные свойства Skydrol LD-4 выше, чем у остальных аналогов, поскольку испытаниям
подвергался только один узел насоса (пара трения плоскость по плоскости) и на режимах,
превышающих рабочие. Но на практике, для принятия решения по выбору одного из существующих аналогов в качестве основной РЖ для ГС конкретного самолета результаты
сравнительных испытаний на установке для исследований работы торцовых уплотнений
оказались достаточно информативны.
Заключение
Как показала практика работ по сравнительной оценке эксплуатационных свойств РЖ
с применением КМКО и установки для исследований работы торцовых уплотнений насосов, данная установка после соответствующей доработки и уточнения методики проведения испытаний может быть рекомендована для включения в КМКО для стендовой оценки
термической стабильности РЖ наряду с существующим лабораторным методом. Для получения более полной информации об изменении свойств РЖ в условиях реальной эксплуатации необходимо разрабатывать и другие установки, и устройства, моделирующие
работу узлов гидроагрегатов.
2307-0595, Инженерный вестник, №09, 2015
45
Список литературы
[1]. РТМ Ц2-2009. Перечень зарубежных горюче-смазочных материалов, рекомендованных к применению на авиатехнике отечественного производства (8 издание). М.:
ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова». 2009. 9 с.
[2]. Комплекс методов квалификационной оценки рабочих жидкостей для гидравлических систем авиационной техники. Утвержден межведомственной комиссией при
Госстандарте России 21.11.1996 г.
http://engbul.bmstu.ru/doc/812431.html
46