劉瑞杰，張潤(rùn)澤

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

液壓系統(tǒng)具有功率大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏和精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各型直升機(jī)上，協(xié)助完成直升機(jī)起飛、著陸過程的各種操作功能。與此同時(shí)，液壓系統(tǒng)又有其脆弱的一面，而抗污染能力低是其突出的弱點(diǎn)[2]，而且當(dāng)故障發(fā)生后，故障診斷又往往十分困難。目前直升機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)相對(duì)落后，主要是憑簡(jiǎn)易診斷儀器和工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的主觀診斷法，對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴性強(qiáng)，自動(dòng)化程度低，通用性差，因此，液壓系統(tǒng)故障智能診斷成為當(dāng)前急需解決的重點(diǎn)問題[3]。本文以某型直升機(jī)液壓系統(tǒng)污染故障為研究對(duì)象，運(yùn)用故障樹分析方法并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行推理，找出了產(chǎn)生故障的根本原因，提高了直升機(jī)液壓系統(tǒng)的智能故障診斷水平。

1 液壓系統(tǒng)污染分析及故障樹模型構(gòu)建

故障樹分析法(Fault Tree Analysis)具有層次性強(qiáng)、因果關(guān)系明確等特點(diǎn)，是液壓設(shè)備進(jìn)行故障診斷的主要分析方法之一[4]。故障樹分析法結(jié)合液壓系統(tǒng)原理深層次的知識(shí)和領(lǐng)域?qū)＜业木S修診斷經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建故障樹，明確直觀地反映出了診斷系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系。本文對(duì)直升機(jī)的“液壓系統(tǒng)污染”故障進(jìn)行分析，并選取這一故障作為頂事件，找出系統(tǒng)中頂事件發(fā)生的所有直接和間接原因作為第二級(jí)事件，然后根據(jù)演繹分析法，再找出造成第二級(jí)事件發(fā)生的原因，這樣逐級(jí)查找下去，直至追查到頂事件發(fā)生的根本原因(底事件)。

故障樹分析的過程是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)更深入認(rèn)識(shí)的過程，需要分析人員把握系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對(duì)故障發(fā)生影響的途徑和程度，以便在分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，找出零部件故障與系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

根據(jù)分析，此故障頂事件的發(fā)生從產(chǎn)生原因看主要可能由2個(gè)原因引起：內(nèi)部污染和外部污染。內(nèi)部污染指系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)件磨損、鍍層脫落和油液分解等，外部污染指污染物從外部入侵系統(tǒng)。兩者只要出現(xiàn)其一，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)污染，因此用“或門”將它們與頂事件相關(guān)聯(lián)。按照此分析方法，建立故障樹，如圖1所示。故障樹每個(gè)編碼所對(duì)應(yīng)的事件，如表1所示。其中：T—頂事件，A、B、C—中間事件，X—底事件。

圖1 直升機(jī)液壓系統(tǒng)污染故障樹

表1 故障樹對(duì)應(yīng)的事件列表

在故障樹中，割集是能使頂事件發(fā)生的一些底事件的集合。最小割集是指屬于它的底事件都發(fā)生，就能使頂事件發(fā)生的必要底事件集合。故障樹分析的目的就是找出系統(tǒng)的全部最小割集。

求故障樹最小割集的方法很多，常用的有上行法和下行法兩種[5]。上行法，即從最下級(jí)的中間事件開始，按邏輯門表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，自下而上直到將頂事件表達(dá)成基本事件乘積之和，再利用邏輯運(yùn)算加以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后每一個(gè)乘積項(xiàng)就是一個(gè)最小割集。下行法，是根據(jù)故障樹的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐漸向下查尋，找出最小割集。

本文采用下行法求圖1的故障樹的最小割集。系統(tǒng)故障樹布爾代數(shù)表達(dá)式為：

T=A1∪A2=(B1∪X1∪B2)+(B3∪B4)=(X2∪X3∪C1)+X1+(X6∪X7)+(X8∪X9∪X10∪X11∪X12∪X13)+(X14∪X15∪X16∪X17∪X18) =(X2+X3)+(X4+X5)+X1+(X6+X7)+(X8+X9+X10+X11+X12+X13)+(X14+X15+X16+X17+X18)

利用布爾代數(shù)簡(jiǎn)化得全部最小割集為：

{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

2 液壓系統(tǒng)污染故障實(shí)例

2.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)述

直升機(jī)液壓系統(tǒng)的主要功能是在直升機(jī)飛行包線內(nèi)，連續(xù)供給主、尾槳液壓助力器工作所需的壓力和流量，保證主、尾槳液壓助力器連續(xù)正常工作。

通常情況下，直升機(jī)的液壓系統(tǒng)是雙余度系統(tǒng)。它有兩套完全相同且相互獨(dú)立的壓力供應(yīng)系統(tǒng)，在正常的操縱情況下，兩套液壓系統(tǒng)同時(shí)為主、尾槳助力器提供液壓助力。任何一套液壓系統(tǒng)故障，另外一套液壓系統(tǒng)仍能夠繼續(xù)為主、尾槳助力器提供液壓助力，保證直升機(jī)安全著陸。

圖2為某型機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖(單側(cè)單套)。該液壓系統(tǒng)由液壓泵、液壓油箱、安全閥、單向閥、自封閥、液壓油濾、壓力信號(hào)器及液壓導(dǎo)管等組成。其中，液壓油濾包括壓力油濾和回油濾，且均配有污染指示器，當(dāng)液壓油濾進(jìn)出口壓差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，污染指示器紅色指示桿彈出，表示液壓油液污染等級(jí)高。在正常工作條件下，液壓系統(tǒng)油液污染度等級(jí)應(yīng)優(yōu)于NAS1638 9級(jí)[6]。

圖2 直升機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理圖(單側(cè)單套)

2.2 故障情況描述

該型直升機(jī)在一次組織飛行訓(xùn)練時(shí)，出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象。飛機(jī)關(guān)車后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油濾污染指示器紅色指示桿彈出。

隨后，對(duì)液壓系統(tǒng)油液污染度進(jìn)行了檢查，檢出左液壓系統(tǒng)取樣開關(guān)處油液污染度為11級(jí)，右液壓系統(tǒng)取樣開關(guān)處油液污染度劣于12級(jí)。從飛參記錄數(shù)據(jù)看，該架機(jī)整個(gè)飛行過程中液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)未出現(xiàn)任何告警信號(hào)，且助力器也未出現(xiàn)卡滯告警信號(hào)。檢測(cè)油樣中顆粒物發(fā)現(xiàn)有丁晴橡膠顆粒。

圖3和圖4所示為該型機(jī)拆卸下來的回油濾和壓力油濾的情況。外觀檢查結(jié)果為：液壓油濾上密封圈形狀完整，無可見損傷。壓力油濾表面光亮，無可見污物，回油濾表面有少許灰塵樣污物。

圖3 壓力油濾

圖4 回油濾

3 故障診斷及分析

運(yùn)用前文所建立的故障樹模型對(duì)本次直升機(jī)的“液壓系統(tǒng)污染”故障進(jìn)行診斷分析，并選取這一故障作為頂事件T，從圖1的故障樹模型可以看出，此頂事件的發(fā)生主要可能由2個(gè)原因引起：A1(內(nèi)部污染)和A2(外部污染)。

首先，針對(duì)導(dǎo)致A2(外部污染)發(fā)生的所有底事件進(jìn)行分析?？紤]到該型機(jī)液壓系統(tǒng)為全封閉式液壓系統(tǒng)，且液壓油車進(jìn)行了定期的污染度檢查，近期也未進(jìn)行過液壓系統(tǒng)的附件拆裝等操作，因此，A2(外部污染)的因素可以排除。A1(內(nèi)部污染)的因素應(yīng)該是本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因。A1(內(nèi)部污染)考慮了下列方面的影響因素：

1) X1—液壓油氧化分解產(chǎn)生沉淀。該型機(jī)使用了MIL-PRF-83282合成烴液壓油，這是世界上最廣泛使用的航空液壓油之一，性能穩(wěn)定，并考慮到液壓油濾表面無膠體類污染，可排除液壓油氧化分解產(chǎn)生沉淀造成污染的因素。

2) B1—內(nèi)部機(jī)件磨損。針對(duì)丁晴橡膠顆粒污染物的來源進(jìn)行排查，可將排查重點(diǎn)放在使用了丁晴橡膠的部位。由于大部分密封件使用的材料正是丁晴橡膠，因此可以初步判定本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)導(dǎo)致。

3) B2—內(nèi)部機(jī)件鍍層脫落。由于發(fā)現(xiàn)的污染顆粒為丁晴橡膠，因此也可以排除系統(tǒng)內(nèi)部附件表面鍍層受腐蝕脫落的因素。

綜上所述，可以初步判定本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)，發(fā)生C1主要由2個(gè)原因：底事件X4(固定密封磨損)和底事件X5(活動(dòng)密封磨損)。下面將針對(duì)兩個(gè)底事件X4和X5進(jìn)行重點(diǎn)排查，找到污染源，查出本次液壓系統(tǒng)污染的根本原因，才能真正完成故障診斷任務(wù)。

3.1 固定密封排查及分析

液壓系統(tǒng)歧管和附件多處使用了固定密封結(jié)構(gòu)，且使用丁晴橡膠作為密封件。安裝后，由于不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密封圈不會(huì)損傷，即使在安裝時(shí)損壞，也只是在出廠試驗(yàn)時(shí)會(huì)影響污染度，不至于產(chǎn)生持續(xù)的影響。根據(jù)上述分析，液壓系統(tǒng)歧管和附件的固定密封處不會(huì)產(chǎn)生丁晴橡膠顆粒。

液壓系統(tǒng)壓力油濾和回油濾也使用了固定密封結(jié)構(gòu)，但從圖3和圖4中可以很直觀地看出液壓油濾上密封圈形狀完整，無可見損傷。因此，液壓油濾固定密封處也不會(huì)產(chǎn)生丁晴橡膠顆粒。

3.2 活動(dòng)密封排查及分析

液壓泵多處使用了活動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，該液壓泵的運(yùn)動(dòng)副為金屬摩擦副，產(chǎn)生污染物以金屬為主。檢查液壓系統(tǒng)壓力油濾和回油濾表面，未見金屬顆粒。此外，若液壓泵產(chǎn)生橡膠顆粒污染物，沿流向必然停留在壓力油濾表面，檢查中并未在壓力油濾表面發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒。通過上述分析，確定液壓泵不是主要污染源。

液壓助力器為活塞作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用了活動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，其主要摩擦副為外筒與活塞。由于外筒與活塞并不直接接觸，實(shí)際上磨損的是活塞上的密封圈，該密封圈材料為丁晴橡膠。此外，從流向分析，只有液壓助力器產(chǎn)生的橡膠顆粒會(huì)停留在回油濾腔，同時(shí)不會(huì)對(duì)壓力油濾腔產(chǎn)生污染。通過初步分析，確定本次液壓系統(tǒng)的污染源為液壓助力器活動(dòng)密封圈。

在隨后的液壓油污染度等級(jí)影響試驗(yàn)中，在該型機(jī)液壓系統(tǒng)助力器試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，液壓尾助力器進(jìn)、出口始終存在約2級(jí)的污染度等級(jí)差異，故確認(rèn)液壓助力器橡膠件磨損是導(dǎo)致本次液壓系統(tǒng)污染的主要因素，回油濾前污染物的聚集是污染度超標(biāo)的重要原因。

此結(jié)果和我們運(yùn)用故障樹分析法得出的結(jié)論完全一致。

4 結(jié)束語

液壓系統(tǒng)故障具有隱蔽性、復(fù)雜性、隨機(jī)性、多樣性及分散性等特點(diǎn)，因此，在實(shí)際診斷過程中面臨許多問題，往往會(huì)使工程技術(shù)人員束手無策。本文采用基于故障樹的液壓系統(tǒng)污染故障診斷方法，最大限度地減少了測(cè)量、試驗(yàn)次數(shù)并降低了對(duì)維修人員知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求，提高了故障診斷的效率和實(shí)用性。這種液壓故障診斷方法在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的推廣價(jià)值。