舰载机液压系统实用防霉技术及试验研究

2016-08-02 11:47:39 作者：朱武峰，李昆，王兵，李超来源：海军航空工程学院青岛分院分享至：

    0 引言

    随着航母舰载机装备部队，舰载机将在保卫我海洋国土安全方面发挥着越来越重要的作用。由于我国海域辽阔，总体位于北太平洋的西部边缘，南起赤道附近，北至渤海辽东湾，跨越温带、亚热带和热带3 种气温带，这种温暖潮湿的环境为霉菌的繁殖蔓延创造了良好的环境。舰载机长期处于海洋环境中，容易受到霉菌的侵蚀，而且舰载机液压系统大多处于机体的内部，进一步为霉菌提供了更为适合的环境。霉菌的生长会对液压系统造成各种危害，甚至诱发事故。美国空军的C-130、KC135、B-52 机翼内部曾受过芽枝霉和铜绿色极毛杆菌的严重腐蚀。20 世纪70 年代，我国某飞机系统附件霉变受损，而诱发了飞行事故。因此，深入分析霉菌的特点，研究对液压系统的影响机理和失效模式，寻找防止霉菌危害的措施，对保证舰载机液压系统可靠性和安全性是十分必要的。

    1 霉菌的种类及特点

    自然界中霉菌种类有大约十万种，侵袭工业材料的就有4 万多种，而且分布极广。在环境条件达到适宜它们生长的温度和湿度（一般温度24℃～31℃，湿度超过70%），并且提供了足够的营养物质（碳源、氮源和无机盐）时，霉菌的孢子就会开始萌芽和生长。而这些条件，舰载机正常工作的环境都能够提供。

    1.1 霉菌的种类

    根据霉菌的特点来区分各种霉菌。这些分类的依据是：

    （1）按形状与外观可分为：弧菌（Vibrio）：“逗号”状细胞；杆菌（Bacillus）：杆状细胞；球菌（Coccus）：圆球形细胞；丝状真菌样细胞的菌丝（Myces）。

    （2）按适于生长的温度可分为：嗜温菌（Mesophile）：最适宜在20℃ ～35℃ 温度下生的细菌；嗜热菌（Thermophile）：高于40℃的温度下依然有活性的细菌。

    （3）按消耗氧的情况可以分为：绝对或专性厌氧菌（anaerobes），有氧时这样的细菌不起作用；需氧菌（Aerobes）：它们的新陈代谢需要氧；兼性厌氧菌（Facultative anaerobes），无论有无氧，这样的细菌都起作用；微嗜氧菌（Micro-aerophiles），耗氧量很低的细菌；耐氧菌（Aero-tolerants），属于厌氧菌，但是有氧时不受影响。

    （4）按照能源、碳源和电化学反应物的细菌分类如表1 所示。

表一.jpg

    分布在我国沿海地区的霉菌主要菌群有根霉属、毛霉属、梨头属、曲霉属、青霉属、木霉属、紫红曲霉、白地霉和镰刨霉属等。对产品影响比较大的霉菌有米根霉、华根霉、苷薯根霉、鲁氏毛霉、总状毛霉、黑曲霉、米曲霉、黄曲霉、栖土霉菌、产黄青霉、桔青霉等，其中对

    舰载机液压系统影响较大的有黑曲霉、黄曲霉、杂色曲霉、绳状青霉、球毛壳霉等。

    1.2 霉菌的特点

    （1）霉菌具有体积小、吸收多的特点。霉菌体积微小，从外界环境中吸取营养和排泄废物是通过整个细胞表面进行的，具有极大的表面与体积比。极大的表面积使真菌在短时间内吸收大量养料和排出大量代谢废物，为大量生长繁殖提供了物质基础，因此，也具有强大的吸收能力。

    （2）霉菌具有代谢旺、繁殖快的特点。霉菌具有惊人的转化速度和代谢能力，在条件合适时，霉菌一昼夜合成的产物可达本身原来重量的30～40 倍。霉菌的代谢越旺，则破坏的物质越多，造成的损失越大。霉菌的繁殖速度快，它们在短期内产生很多后代，使工业制品迅速腐蚀、腐败和霉变。

    （3）霉菌具有适应强、易变异的特点。霉菌由于体积小、数量多、繁殖快以及与外界的接触更为直接等原因，使得它们比较容易适应外界不良的环境。如果环境条件发生剧烈变化，群体中的大多数个体会死亡，其中个别个体会发生变异而适应新的环境。

    2 霉菌腐蚀的作用机理

    2.1 金属材料失效机理

    舰载机液压系统的附件大多由铝合金、不锈钢等金属材料组成。金属材料一般不具备霉菌生长所需的营养，霉菌不可能通过其组成成分而直接损坏金属本身，而往往是霉菌生长诱发的电化学效应引起金属材料的损坏，腐蚀反应是通过构成该系统的三个组成部分：金属、溶液和霉菌的相互作用实现的。霉菌对金属材料的腐蚀作用机理如下：

    （1）霉菌生长代谢过程中分泌出腐蚀性物质，如各种酶、酸。这些物质引起钢、铜、铝和其他金属的腐蚀。

    （2）霉菌生长改变金属表面状态，使金属表面化学势能变化，形成一个半渗透性和半导电性的薄膜，这个薄膜起到电解液的作用，从而在金属表面构成腐蚀电池，引起金属腐蚀。生物膜模型如图1 所示，生物膜带负电，在生物膜下面的开放结构里能够发生局部腐蚀。

图1.jpg

（3）霉菌去极化作用引起腐蚀。当电化学腐蚀原电池的一个电极上形成了电绝缘层或极化层时，原电池腐蚀作用中断，霉菌能消耗积聚在被腐蚀电极（如铁）上的硝酸盐和硫，也能消耗在这一电极上形成的氢气、氧气等气态产物，从而使停止的腐蚀过程得以继续。其反应过程如图2 所示。

图2.jpg

    材料腐蚀到一定程度会使机载设备产生故障。不洁物体在不抗霉材料与抗霉材料连接处，不抗霉材料上的霉菌使抗霉材料易受间接腐蚀，从而加快霉菌对设备的腐蚀过程。对于舰载机来说，由于其结构和零部件应用的材料各式各样，且相互邻接，而且在制造贮存和使用过程中，难免在其表面积聚灰尘、油脂和各种污物，从而使抗霉材料的表面易长霉，由此所造成的破坏必然是各种失效机理组合和综合作用的结果。

    2.2 非金属材料失效机理

    天然材料和合成材料等非金属材料往往由碳氢化合物组成。霉菌生长后通过有机酸的水解作用，逐渐将材料分解成为碳分子和二氧化碳而被破坏，碳分子被转化为其细胞组分，因此碳氢化合物很容易被细菌利用作为碳源和能源。有些情况下，碳氢化合物的分子可以局部地被降解或稍稍改变。

    1）一般塑料

    塑料中一般含有填料和增塑剂，填料可分为有机填料和无机填料。有机填料大多能提供霉菌的营养并增加材料的吸湿程度，因而其耐霉性不如无机填料。塑料中的增塑剂是获得塑性的主要成分，增塑剂处于大分子中间的空隙处。由于大多数增塑剂是半抗霉的和不抗霉的，它们不断被霉菌所利用。如果材料表面的增塑剂被消耗，则里面的增塑剂会向表面迁移，塑性变差且更易老化，因此，塑料中的有机填料和增塑剂是其被霉菌腐蚀损坏的主要根源。

    2）天然橡胶和普通合成橡胶

    天然橡胶和普通合成橡胶系高分子碳氢化合物。霉菌对橡胶的侵袭主要是使碳链断裂，其物理与机械性能因此变坏；其次，加入的添加剂如为硬脂酸、陶土等，可成为霉菌的食物。某些橡胶在氧化硫杆菌的作用下，能将橡胶中的硫转化为硫酸，而使橡胶受到破坏。

    3）漆膜

    漆膜的破坏主要是由霉菌生长所产生的有机酸性物质所引起。有机酸性物质的长期作用会将漆的脂链打开或者把碳链氧化，再经水解，漆膜的高分子结构变成低分子结构。如霉菌生长严重，会逐渐将漆膜穿透。绝缘漆长霉以后，绝缘电阻特性将显著下降或发生泄电现象。

    3 霉菌综合环境试验

    3.1 试验方案

    本试验方案是根据国军标GJB 1 50.10A -2009《军用装备实验室环境试验方法第10 部分霉菌试验》，并根据实际情况裁剪后制定的。为了更好地反映海洋环境下霉菌的破坏作用，将霉菌试验安排在八个循环的高低温、湿热和盐雾试验之后进行，以检验环境综合因素对液压系统的影响。霉菌综合环境试验方案如图3所示。

图3.jpg

    3.2 试验技术要求

    （1）霉菌试验箱工作空间的各点温度在29℃～31℃之间，相对湿度在90%～95%之间，指标点温度（30±1）℃，相对湿度在（95±5）%。图3 液压系统环境试验方案

    （2）试验附件经过超强紫外线照射24h 后，将试验附件放入霉菌生化培养箱，并植入试验霉菌，附件霉菌试验。

    （3）试验周期28 天，在试验期间，定期对试件进行调整和移位，以保证各种霉菌的作用发挥。

    3.3 试验结果及分析

    1）霉菌生长情况

    以7 天为一个周期，对液压系统附件的霉菌生长情况进行检查，情况如下：

    （1）在采样的液压附件表面上，表1 中列出的各菌种皆有生长发展；

    （2）液压系统附件材料属于Ⅰ-级；

    （3）寄生在绝缘材料、塑料、皮革、橡胶纤维素等物质上并进行霉变损坏，间接寄生并加速腐蚀金属；

    （4）木霉属占所有菌种的46%，是首要菌种，其他菌种均在10%以内。其中，木霉属每年有一个繁衍高峰期：立秋的前7 天到后8 天之间；在繁衍高峰期时，刺激动物的眼睛及皮肤；

    （5）霉菌生长区的PH=5.3～6.9。

    2）液压附件的腐蚀情况

    经过霉菌试验后，液压系统附件的金属表面大多保持完好，但有些表面局部滋生霉菌，并使金属腐蚀加剧。特别是减速板作动器和安全活门的表面有大面积的霉菌滋生，附件表面金属的腐蚀速度也远大于单一的湿热试验或盐雾试验。滋生的霉菌与金属表面结合强度较大，去除困难。表层的腐蚀产物通过机械方法去除以后，发现表层金属的点蚀明显增多，而且腐蚀坑占据的面积较大。其主要特点如下：

    （1）不锈钢或铝合金等金属的光滑表面不容易锈蚀及滋生霉菌。

    如图4 所示，液压系统附件的光滑表面大多无锈蚀、无霉菌滋生。

图4.jpg

（2）附件较为粗糙的表面易于滋生霉菌，并产生较大面积的腐蚀。

阻力板作动器的铸钢材料表面大量滋生绿色木霉等多种霉菌（如图5、图6），霉菌对金属表面有较为严重的腐蚀作用，金属表面出现明显可见的，较为密集的腐蚀坑，腐蚀面积较大，霉菌与金属表面的结合较为紧密，需通过机械方法进行去除。造成金属表面的损伤降低了该附件的结构强度，应在评定损伤等级后，再修复使用。

图5-6.jpg

（3）皮革不易受到腐蚀，对氟塑软管有较好的保护作用。

通过有皮革防护的氟塑软管和无皮革防护的氟塑软管对比试验发现，有皮革保护的氟塑软管（如图7 所示），钢丝编织层基本无断丝、无锈蚀现象，而且皮革无破损，但皮革的张紧拉线有老化现象。无皮革防护的氟塑软管（如图8 所示），钢丝编织层有明显的断丝锈蚀现象。

图7-8.jpg

    4 霉菌的防护

    舰载机液压系统的防霉特性很大程度上取决于材料的选取，选择本身耐腐蚀、抗菌的材料，能够从根本上提高液压系统的防霉水平。采用有效的材料表面防护涂层也是提高抗霉能力的重要方面。除此之外，在舰载机的使用维护中还应做到以下几点：

    （1）为了防止舰载机液压系统在使用过程中长霉，可以进行通风、除湿；

    （2）在维护和使用中注意避免手汗、污物等污染装备光面；

    （3）有外壳的装备，使用中应定期进行清理，以去除可供霉菌生长的营养物质（如灰尘和污垢）；

    （4）部分密封的外壳内放置干燥剂并定期更换或进行加热，以保持壳内的温度较低，避免长霉；

    （5）如材料和装备允许时，可用紫外线或臭氧进行灭菌处理。

    5 结论

    要提高舰载机液压系统的抗霉能力，在选材上首先应选择耐霉性能较好的材料，当不能满足要求时，应用抗霉涂料等防护措施进行保护；另一方面，应从结构设计的角度考虑，以避免有利于霉菌生长的温、湿度条件，在使用中采用必要的维护和环境控制措施抑制霉菌生长。霉菌试验是评价材料和装备抗霉特性的重要手段，在材料和装备研制、设计定型以及使用阶段均应开展相应的霉菌试验，以获取有关信息，为改进设计和评价耐霉能力提供信息支持。