某型飞机电液压力伺服阀常见故障分析

某型飞机电液压力伺服阀常见故障分析Common Fault Analysis of Electro-Hydralic Press Servo Valve onCertain Plane 李彤 杨申林 / 海军驻成都地区航空军事代表室摘要：作为防滑刹车系统中的重要组件之一，电液压力伺服阀对飞机防滑刹车系统的可靠性起着关键性作用，但通常其故障率较高。本文以某型飞机为背景详细论述了飞机防滑刹车系统中电液压力伺服阀的结构组 成、工作原理、常见故障现象、原因及改进方法。关键词：防滑刹车系统；电液压力伺服阀；故障分析Keywords: anti-skid brake system；electro-hydralic press servo valve；fault analysis1 结构组成及工作原理1.1 结构组成电液压力伺服阀一般主要由电-机 转换部分、机-液转换部分、功率放大 及反馈部分组成。电-机转换部分是把输入电信号的 电能通过特定设计的元件转换成机械运0 引言防滑刹车系统对飞机的安全至关重要，影响飞机防滑刹车性能的主要原因 是系统中各组件（包括电缆、接插件、 机轮刹车盘等）的性能以及系统中所使 用的液压源的品质。电液压力伺服阀作 为飞机防滑刹车系统中为机轮刹车盘提供液压的重要控制组件，在系统中起着电液转换和功率放大的作用，是飞机防 滑刹车系统的关键元件。为此，本文以 某型飞机为背景，重点分析了电液压力 伺服阀故障率高的原因。为了进一步分 析，先对其性能参数、结构组成、工作 原理等作一简要介绍。片 断 裂 故 障 分 析 . 发 动 机 维 修 与 安 全 ，166168.4 刘峰，艾素华，王跃臣，张辉， 王中光.K417铸造镍基高温合金热机械疲 劳行为的研究J.金属学报，2001,37(3).5 何玉怀，苏彬.中国航空发动机 涡轮叶片用材料力学性能状况分析J.航 空发动机，2005,31(2).6 钟培道.航空发动机涡轮转子叶 片的失效与教训J.材料工程，增刊，2003.7 杨键.某发动机涡轮转子叶片断裂 原因分析J . 材料工程，增刊，2003.8 材料的焊接. 焊接手册：第2卷M，北京：机械工业出版社，1992.12.片叶冠冷却孔裂纹的失效原因，确定失效机理是由热机械疲劳应力周期性作用 和冷却孔锐边尖角引起的应力集中综合 作用的结果，燃气腐蚀加速了裂纹的扩 展。分析了铸造高温合金产生结晶和液 化裂纹机理，针对性开发了微弧等离子 低应力焊接和添加高塑性焊接材料的技 术，有效控制K417高温合金叶片焊接缺 陷产生。图 7 K417 材料焊接组织（50）参考文献1 中国航空材料手册编辑委员 会.中国航空材料手册（第二卷）:变形高 温合金、铸造高温合金.第二版.北京:中 国标准出版社,2002.2 陈蓉.某型发动机级涡轮叶片 断裂原因分析J. 贵州科学. 2000,18(3).3 傅国如.某型发动机级涡轮叶作者简介：任天明，主管工程师，主要从事航空发动机零件再制造。图 8 K417 材料焊接组织（500）航空维修与工程73AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING2011/2维 修MAINTENANCE定节流孔的孔径小及喷嘴与挡板之间的间隙小，所以抗 污染能力差。某型飞机采用 的是双喷嘴挡板式液压放大 器，如图1所示。反馈部分通常的反馈形 式有：力反馈、直接位置反 馈、压力反馈及电反馈。 某 型飞机采用的是压力反馈， 使用的是反馈双喷嘴挡板式 带死区单向正增益输出的电 液压力伺服阀，其结构如图2 所示。1.2 工作原理电 液 压 力 伺 服 阀 是 防 滑刹车系统中的控制元件， 系统工作时，它接收系统传 递来的电流信号，并把信号 转换为成比例的、能够控制 伺服阀负载压力的信号，从 而使系统输出需要的液压功 率，用以驱动机轮刹车。其 静态特性曲线如图3所示。从静态特性曲线上可得 出伺服阀的死区电流、额定 压力、线性度、滞环、分辨 率等性能参数，这些参数可 直观地反映伺服阀的质量。 其具体工作原理是，当输入 电流信号为零时，因右喷嘴 腔 压 力 略 高 于 左 喷 嘴 腔 压 力，滑阀的回油边开启，进 油边关闭，负载腔的压力等压力引起的外干扰力达到平衡状态时，阀 芯 将 停 止 运 动 。 当 输 入 电 流 信 号 加 大，阀的输出负载压力也随之增大，且 输出负载压力与输入电流信号成正比例 关系。在 图 3 中 ， 当 i i 时 ， 阀 芯 处 于 最右边限位块限定位置，阀芯处于继电 工作状态；当i=i时，阀芯处于液压零 位。阀芯在最右边限位块限定位置至液 压零位处的行程，即在继电工作状态时 信号电流i段运动的行程，是阀芯的机 械死区行程。在AB段，阀芯处于正常的 反馈工作状态，输出刹车压力PL与输入 电流信号i成比例。由于滑阀总具有摩擦 力，i在略大于i时的瞬间，阀芯快速突 跳至相应于C点的某一位置，引起输出压 力突变，在静态特性曲线上出现AC拐折 段非线性现象。提高滑阀的加工精度， 减少滑阀的摩擦力，可将AC拐折段非线 性现象得以改善。12x1控制输出c2图1 双喷嘴挡板式液压放大器喷嘴组件图 2反馈双喷嘴挡板式带死区单向正增益输出电液压力伺服阀2 常见故障现象、原因分析及改进措施2.1 常见的故障现象产品装机前及装机后伺服阀常见的 故障现象主要有以下几种。a）装机前常见故障主要表现为额 定压力小和死区电流大，偶尔也会出现 线性度差和滞环偏大的情况。b）装机后常见故障主要表现为刹 车压力小、刹车告警灯闪亮报故。c）外场曾发生过一起伺服阀工作 失灵导致飞机刹爆胎的严重故障。2.2 故障原因a）额定压力小：从图3中可知，PT 是飞机上供压系统的回油压力，因该值 通常为一较小的常值，故伺服阀额定压 力偏低，所以，伺服阀的额定压力偏低 是一个先天性的缺陷。死区电流大：死区电流大主要因阀 腔泄露而引起。从图3中可知，死区电流 就是i，对应滑阀的死区行程。由于液LNTiiiN图 3 静态特性曲线（仅示出单向）动的机械能，进而驱动液压放大器的控制元件，使之转换成液压能。此元件通 常被称为力矩马达或力马达。某型飞机 采用的是永磁桥式动铁式力矩马达。机-液转换和功率放大部分是专门 设计的液压放大器，它将力矩马达传递 出的力矩转化为液压负载压力。该组件 的特点是结构简单，体积小，所需驱动 力 小 ， 无 摩 擦 ， 灵 敏 度 高 。 但 由 于 固于回油压力。随着输入电流的逐渐变大（信号为i），挡板向左偏转，阀芯左端 的喷嘴腔压力升高，右端喷嘴腔压力降 低，阀芯向右移动，阀的回油边开启逐 渐减少，进油边开启逐渐增大，液压源 Ps通过进油边向负载腔输出某一负载压 力PL，此压力反馈到阀芯反馈端面上， 直到作用在阀芯上的各力，即喷嘴挡板 级的驱动力、负载压力的反馈力及回油航空维修与工程74AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING2011/2PLPBC PAO线 圈工作气隙衔铁组件挡 板喷嘴腔固定节流孔 油 滤阀 芯浮动套 壳 体PT PLPs挡板 固定节流孔喷嘴PrPsPsQc QcPcP压油受压后有一定的压缩量，导致从极限端位运动到液压零位会有一段行程， 所以死区电流也是先天存在的、无法消 除的。除先天原因，阀腔泄露是加大死 区电流的最大因素。伺服阀工作时阀芯 在阀体内滑动（见图2），如果阀芯与阀 体的配合质量不好会增加阀腔泄漏；如 果阀芯与阀体的配合处有污染物，也易 造成阀腔泄露。阀腔泄露直接引起了阀 的零位变动（对应图3中的A点右移）， 造成死区电流偏大。此外，阀腔泄露引 起的零位变动对阀的额定输出压力、线 性度、滞环等特性指标也有影响。b）引起刹车压力小的原因主要有 两条：一是阀腔泄露，由于伺服阀反馈 喷嘴有泄漏，导致伺服阀对液压源压力 的衰减比较大，这种压力衰减会直接导 致阀负载腔输出的刹车压力减小。二是 伺服阀的温漂问题，即有的伺服阀输出 的额定压力随液压油的温度升高有明显 的变化，温漂没有规律，所以会导致刹 车压力时大时小，但刹车压力偏小时， 温漂也是一个需要考虑的因素。由刹车 压力小导致了告警灯闪亮。c）外场飞机出现的电液压力伺服 阀工作失灵是由于伺服阀内的污染物造 成 的 。 污 染 物 的 存 在 阻 碍 了 阀 芯 的 运 动，阀芯不能回位，导致刹车控制压力 一直不释放，刹车系统一直处于刹车状 态。情况严重时导致刹车抱死，机轮不 转动而一直与地面高速摩擦，最终导致 轮胎刹爆。2.3 改进措施伺 服 阀 不 同 于 控 制 盒 、 速 度 传 感 器、指令传感器和电磁液压锁等其他防 滑系统成品，其精密复杂的机械加工零 件结构和装配关系决定了不可能像其他 组件一样完美，这也是其故障率高的原 因，但通过不断地探索新方法、新工艺 和新技术是可以降低其故障率的，如可 从以下四方面入手：第一，提高伺服阀的设计质量。尽量改善阀本身的结构，着重解决阀腔泄露问题，同时提高阀的抗污染能力。从 图1中可以看到挡板与喷嘴之间有一段距 离，实际上这段距离只有0.040.01mm, 伺服阀工作时挡板在左右偏转，这么小 的 距 离 导 致 阀 的 抗 污 染 能 力 极 弱 ， 所 以，探索新的结构形式、改善设计质量 是降低伺服阀故障率的重要环节。第二，提高伺服阀的加工质量。伺 服阀是由许多精密的机械加工零件、密封 圈、线圈等装配组合而成的，机械加工零 件质量和装配调试直接影响着伺服阀的性 能。因此，应加大对零件加工质量的控 制，尽量采用更先进的加工设备。第三，尽量减少对伺服阀的污染。 一 是 保 证 进 入 伺 服 阀 的 液 压 油 的 清 洁 度。例如，要求液压系统的油液污染度 达到GJB420A-96的9级以下甚至更低； 增大航空液压油的化验频率，将航空液 压油的化验频率由半年一次改为每两月 一次；执行新的污染检测标准，除了检 测固体颗粒，对含水量检测、含空气量 也加以检测，因为水、气与油液特性不 一样，水、气污染也是影响伺服阀死区 电流等静态特性的因素。二是尽量减少 人为干预环节。如采用计算机测试设备 作验收试验；将伺服阀、液压锁分别验 收试验后组装交付改为与装机状态一致 的阀/锁组合后验收试验交付等。第四，对因温度漂移、压力不稳、 扰动等不确定因素而造成的影响深入研 究，并找出相应的控制方法，尽量减少 不确定因素引起的故障。如目前的航空 标准对电液流量伺服阀的液压油温要求 为406，对电液压力伺服阀的液压 油温没有制定标准，所以很多压力伺服 阀出厂交付前都按照406进行控 制，但实际工作中，飞机上液压源的油 温有时可能会达到100以上，所以，对 因温度变化造成的影响还需深入研究。 此外，液压源压力不稳时，极易使伺服 阀因受冲击而导致工作不稳定，甚至引发静态特性参数改变等问题，所以改善液压源的设计，消除液压源压力不稳的 现象，也是一个值得重视的环节。3 结束语防滑刹车系统是保证飞机正常、安全起飞和着陆的重要系统。伺服阀特殊 的结构组成注定了它的故障率要比同系 统的其他成品高。在实践中可以从设计 质量、加工工艺、污染控制、不确定因 素控制等多方面入手，降低伺服阀的故 障率，保证飞机防滑刹车系统的正常使 用。参考文献1 某型飞机电子防滑刹车系统使 用说明及维护指南， 航空工业609所.2 田源道.电液伺服阀技术M.北 京：航空工业出版社， 2008.作者简介：李彤，工程师，主要从事航空机械工作。 杨申林，工程师，主要从事海军装备系统工程研究工作。航空维修与工程75AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING2011/2GAMECO培训中心完成147部民 用航空器部件修理项目培训G A M E C O 培 训 中 心 部 件 修 理培 训 组 自 2 0 0 9 年 9 月 成 立 以 来 ， 共 完 成 了 7 5 期 培 训 ， 有 近 5 5 0 人 次 通 过 了 培 训 并 获 得 了 相 应 的 1 4 7 部 件 修理培训资格证书，其中有75人次 是来自公司外部参加培训的学员。 同时，GAMECO在局方批准的最后 的偏离到期日2010年12月31日前， 完成了针对公司所有部件维修放行 人员的147部民用航空器部件修理项 目的培训。从2011年1月1日开始， G A M E C O 所 有 C A A C / FA A / E A S A 部 件 维 修 放 行 人 员 的 授 权 项 目 按 CCAR66部件修理人员执照子项目进 行了授权转换。 （罗志勇）