（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院廣漢分院，廣漢 618307）

飛機(jī)真空系統(tǒng)為輕型飛機(jī)的基本系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用是提供預(yù)定壓力及流量的清潔氣源來驅(qū)動(dòng)機(jī)載陀螺儀表，一般由真空泵、壓力調(diào)節(jié)活門、壓力指示、警告組件及相關(guān)導(dǎo)管組成。飛機(jī)真空系統(tǒng)的工作受發(fā)動(dòng)機(jī)控制，由于頻繁及長(zhǎng)時(shí)間工作，真空系統(tǒng)故障率一直較高。本文將為真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種縫隙式真空壓力調(diào)節(jié)活門，使其具備可視情況自動(dòng)及時(shí)清除縫隙部位污物的實(shí)用特性，從而降低真空系統(tǒng)故障率，提高飛機(jī)安全性[1-2]。

1 飛機(jī)真空壓力調(diào)節(jié)活門現(xiàn)狀

結(jié)合Cessna172R飛機(jī)的真空壓力調(diào)節(jié)活門的工作環(huán)境對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以初步判斷該機(jī)型真空系統(tǒng)的故障率高發(fā)原因有兩個(gè)：

（1）真空壓力調(diào)節(jié)活門的工作環(huán)境惡劣，其安裝位置位于駕駛艙儀表板后面的發(fā)動(dòng)機(jī)防火墻上，該部位周邊油漬較多，且工作人員長(zhǎng)期在此活動(dòng)，揚(yáng)塵較多，導(dǎo)致真空壓力調(diào)節(jié)活門的縫隙部位被塵埃和油氣混合物封堵，從而失去調(diào)節(jié)功能。

（2）由于真空壓力調(diào)節(jié)活門自身的設(shè)計(jì)缺陷，使得封堵的堵塞物不易被去除，只得重新更換真空壓力調(diào)節(jié)活門。

2 縫隙式真空壓力調(diào)節(jié)活門

鑒于上述原因，可為該型真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種新型可視情況及時(shí)清除縫隙部位污物的真空壓力調(diào)節(jié)閥，該閥門作為一獨(dú)立構(gòu)件，其工作原理為：通過固定在膠木上的彈簧與真空調(diào)節(jié)裝置底座伸入的調(diào)節(jié)莖桿鏈接，被支撐托架托放在真空調(diào)節(jié)裝置頂部，調(diào)節(jié)閥整體為一圓餅形構(gòu)件，其一面為硬殼結(jié)構(gòu)，通過另一環(huán)狀物夾緊一韌性材料，在韌性材料的中央內(nèi)外側(cè)有兩個(gè)等圓形膠木相互夾接，而在外側(cè)的膠木中心還固定一鼓形彈簧，通過拉伸彈簧可帶動(dòng)膠木向外位移，松開彈簧，在韌性材料張力作用下，膠木又隨韌性材料回到原來的平面[3-5]。

該調(diào)節(jié)活門的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部剖視圖如圖1所示 。

從圖1可見，調(diào)節(jié)閥裝有彈簧的一端向下，并將彈簧插入調(diào)節(jié)歧管內(nèi)，使整個(gè)調(diào)節(jié)閥平放在真空調(diào)節(jié)裝置的支撐托架上，通過旋入彈簧的調(diào)節(jié)莖桿將調(diào)節(jié)閥與整個(gè)真空調(diào)節(jié)裝置連為一體。鼓形彈簧端頭內(nèi)徑與調(diào)節(jié)莖桿相匹配，正好可以讓調(diào)節(jié)莖桿旋入，但中部?jī)?nèi)徑較大，調(diào)節(jié)莖桿不與其接觸。調(diào)節(jié)莖桿旋入彈簧后一直上行，彈簧順螺紋下行逐漸拉伸，帶動(dòng)圓形膠木下移貼緊調(diào)節(jié)歧管，彈簧越被拉伸，膠木與調(diào)節(jié)歧管貼的越緊，旁通進(jìn)氣越少，在空氣歧管抽氣量固定時(shí)，真空歧管內(nèi)被抽吸的空氣量增加，其真空度值就越大，反之越小。根據(jù)飛機(jī)真空系統(tǒng)的需要，彈簧的拉力在18～26N時(shí)，滲入膠木與調(diào)節(jié)歧管之間縫隙的調(diào)節(jié)空氣量正好使真空調(diào)節(jié)器真空歧管內(nèi)的真空度值達(dá)到設(shè)備需要的114.3～139.7mmHg。

圖1 真空壓力調(diào)節(jié)活門結(jié)構(gòu)及其剖視圖Fig.1 Vacuum pressure regulating valve structure and its crosssectional view

3 驗(yàn)證測(cè)試

3.1 平臺(tái)測(cè)試

該真空壓力調(diào)節(jié)活門是為Cessna172R飛機(jī)設(shè)計(jì)安裝的，已知該機(jī)機(jī)載真空泵(件號(hào)：rap215cc)為干式旋片真空泵。

根據(jù)旋片真空泵的幾何抽速計(jì)算公式：

式中：S為抽氣速率（L/s），Z為旋片數(shù)，n為轉(zhuǎn)速（r/min），L為泵腔長(zhǎng)度（cm），D為泵腔直徑（cm），d為轉(zhuǎn)子直徑（cm），Kv為容積利用系數(shù)（一般取95%）。

當(dāng)飛機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)速從1000r/min上升至額定轉(zhuǎn)速2100r/min時(shí)，結(jié)合機(jī)載真空泵的技術(shù)參數(shù)，可以計(jì)算出真空泵的抽吸量變化范圍為1.11～2.33L/s，而在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)飛機(jī)操作手冊(cè)要求真空系統(tǒng)的指示值為（127±12.7）mmHg，在抽吸量不斷變化時(shí)，又要嚴(yán)格控制真空度，這就是真空壓力調(diào)節(jié)活門的作用所在。

為驗(yàn)證真空調(diào)節(jié)活門在不同空氣流量時(shí)的真空度，特將其連接于真空系統(tǒng)空氣流量與壓力測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 真空系統(tǒng)空氣流量與壓力測(cè)試平臺(tái)Fig.2 Vacuum system air flow and pressure test platform

真空泵工作時(shí)，空氣從主汽濾被吸入，吹動(dòng)陀螺儀轉(zhuǎn)子葉輪，從真空壓力調(diào)節(jié)活門的真空歧管流入，從空氣歧管流出，設(shè)該氣流為真空管路內(nèi)的主氣源A，如圖3所示。由于主氣源A的存在，在調(diào)節(jié)歧管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，調(diào)節(jié)歧管和膠木的縫隙處由于內(nèi)外壓差的存在，有部分氣流從縫隙處滲入調(diào)節(jié)歧管內(nèi)，形成氣流B，氣流B的大小與縫隙的開度及內(nèi)外壓差相關(guān)。最后，主氣源A和氣流B在空氣歧管匯成氣流C被真空泵抽出。在真空泵抽氣量一定的時(shí)候，即氣流C不變，如果氣流B變大，那主氣源A將變小，管路內(nèi)真空度也將變小，因此氣流B的大小決定了真空度的大小，所以將氣流B稱為調(diào)節(jié)氣源B[6]。

通過在平臺(tái)上的測(cè)試，模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)真空泵抽吸的空氣流量，然后記錄在不同流量下真空度表的讀數(shù)，繪制出圖4。通過圖4可以看出，在真空泵抽吸流量C較小時(shí)（1.0L/s以下），由于調(diào)壓器內(nèi)外壓差較小，調(diào)壓閥上的韌性材料還未被往下拉伸，膠木和調(diào)節(jié)歧管間的縫隙較大，調(diào)節(jié)氣源B相對(duì)較大，因此真空度很低；當(dāng)空氣流量較大時(shí)（1.2～2.2L/s），隨著真空泵抽吸量增大，調(diào)壓器內(nèi)外壓差增大，膠木和調(diào)節(jié)歧管間的縫隙隨著壓差的增大而變小，從而控制調(diào)節(jié)氣源B的大小，使調(diào)壓器真空歧管入口的真空度保持在125mmHg汞柱左右；當(dāng)空氣流量很大時(shí)（2.4L/s以上），由于真空度的增大，膠木和調(diào)節(jié)歧管間的縫隙變得很小，已無調(diào)節(jié)距離，調(diào)節(jié)氣源B為一恒定流量，所以真空度隨著外界抽吸量的變大而變大[7]。

圖3 氣流流向示意圖Fig.3 Schematic diagram of air flow

圖4 空氣流量與真空度關(guān)系Fig.4 Relation of air flow and vacuum

3.2 裝機(jī)測(cè)試

為測(cè)試真空調(diào)壓活門在飛機(jī)上的工作性能，將其安裝于Cessna172R飛機(jī)上進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試。機(jī)載環(huán)境相對(duì)于試驗(yàn)平臺(tái)復(fù)雜很多，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）機(jī)載真空泵性能是個(gè)變量，當(dāng)機(jī)載的旋片式真空泵刮片磨短后，真空泵內(nèi)部漏氣率增加，將使真空泵性能變差，管路內(nèi)真空度將變小。此時(shí)，通過調(diào)節(jié)莖桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，彈簧被拉伸，固定彈簧的膠木被下拉，鑲嵌在膠木邊緣的韌性材料也被拉伸，當(dāng)彈簧與韌性材料兩者的力平衡時(shí)，膠木給調(diào)節(jié)歧管施加一恒定的壓力，兩者結(jié)合部的環(huán)狀縫隙減小，從環(huán)狀縫隙處流入的調(diào)節(jié)氣源B減小，在真空泵轉(zhuǎn)速一定、抽吸能力不變的情況下，主氣源A的流量將增大，在歧管及其前端管路內(nèi)的真空度將增大。同理，調(diào)節(jié)莖桿向反時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，管路內(nèi)真空度將下降。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是個(gè)變量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)（從1000r/min向上增加），隨著轉(zhuǎn)速的增加，真空泵的抽吸量變大，需要抽出更多的空氣，此時(shí)氣流A受中央主氣濾過濾速度限制，不能及時(shí)補(bǔ)充被真空泵抽出的空氣，使得真空管路內(nèi)真空度有增大趨勢(shì)[8-9]。此時(shí)，在調(diào)壓活門內(nèi)部，由于膠木和調(diào)節(jié)歧管兩者結(jié)合部的環(huán)狀縫隙的存在，當(dāng)調(diào)節(jié)歧管內(nèi)外壓差增加時(shí)，環(huán)狀縫隙處流入的調(diào)節(jié)空氣B流量隨之增大，主氣源A和調(diào)節(jié)氣源B疊加，可以補(bǔ)充氣流A流量的不足，避免管路內(nèi)真空度上升。反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)（從大轉(zhuǎn)速向1000r/min降低），調(diào)節(jié)歧管內(nèi)外壓差逐漸減小，調(diào)節(jié)空氣B流量遞減，讓真空泵對(duì)真空管路保持預(yù)定的抽吸力，避免管路內(nèi)真空度下降，此時(shí)調(diào)節(jié)活門的調(diào)節(jié)特性如圖5（曲線1）所示。

（3）座艙空氣潔凈度較差，當(dāng)真空壓力調(diào)節(jié)活門工作較長(zhǎng)時(shí)間后，其調(diào)節(jié)閥的膠木和調(diào)節(jié)歧管縫隙部位被塵埃和油氣混合物封堵時(shí)，調(diào)節(jié)氣源B將減小甚至為零，真空泵所抽吸的空氣大部分甚至全部來自于主氣源A，此時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而引起真空泵抽吸能力改變后，在系統(tǒng)管路內(nèi)真空度必然變化，真空度的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，真空度的變化率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率成正比，而且縫隙堵塞越嚴(yán)重，變化越明顯，此時(shí)真空調(diào)節(jié)活門失去調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)活門的調(diào)節(jié)特性如圖5（曲線2）所示。

如果調(diào)節(jié)活門全開，真空泵所抽吸的空氣幾乎全為調(diào)節(jié)氣源B，此時(shí)的調(diào)節(jié)活門的調(diào)節(jié)特性如圖5（曲線3）所示。

圖5 裝機(jī)測(cè)試性能曲線Fig.5 Airplane test performance curve

4 結(jié)論

當(dāng)真空調(diào)節(jié)活門被堵塞而影響真空度的調(diào)節(jié)能力后，以往的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)是直接更換一新的真空調(diào)節(jié)活門，因?yàn)锳A2H3-2真空調(diào)節(jié)活門自身設(shè)計(jì)缺陷，堵塞物不易清除且清除后效果不佳。本文設(shè)計(jì)的真空調(diào)節(jié)活門由于調(diào)節(jié)閥體自身為獨(dú)立可拆卸部件，當(dāng)縫隙部位被封堵時(shí)，可以擰動(dòng)調(diào)節(jié)莖桿，將調(diào)節(jié)莖桿從彈簧里擰出，即可卸下閥體對(duì)附在膠木及調(diào)節(jié)歧管口的污物徹底清除，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)試車的參數(shù)，視情做相關(guān)的保養(yǎng)修理工作。最后將調(diào)節(jié)莖桿旋入彈簧里，預(yù)設(shè)相應(yīng)拉力，即可得到需要的縫隙，整個(gè)真空調(diào)節(jié)活門又可重新投入工作，既減少維護(hù)工作量又提高了經(jīng)濟(jì)性。

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