馮宇

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某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)研究

馮宇

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519040）

為了解決某型飛機(jī)通用液壓源系統(tǒng)液壓泵過熱導(dǎo)致空中壓力下降故障，開展了系統(tǒng)相關(guān)溫度特性研究工作，通過理論及試驗(yàn)研究，準(zhǔn)確定位了故障的原因、確認(rèn)了故障發(fā)生的機(jī)理，并針對故障原因，研究確定了有效的改進(jìn)措施。對研究過程中理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證以及改進(jìn)措施確定的情況進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為類似問題的處理提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

液壓泵；壓力下降故障；溫度特性；油液

1 概述

液壓系統(tǒng)油溫過高將促使液壓油的氧化和分解，加劇油液的腐蝕作用，進(jìn)而產(chǎn)生的沉淀物和膠狀油泥是系統(tǒng)油液污染的重要來源。同時，隨著油液溫度的升高，加劇各種密封裝置的老化失靈，液壓油的黏性也將隨之減小，導(dǎo)致液壓泵和整個系統(tǒng)的泄漏量增加，液壓泵和系統(tǒng)工作效率大幅下降。因此，設(shè)置有效的措施控制飛機(jī)液壓系統(tǒng)及油液工作溫度，對延長系統(tǒng)、附件及介質(zhì)壽命，保證飛機(jī)工作正常、節(jié)約航空裝備的維護(hù)保障費(fèi)用具有重要意義[1]。某型飛機(jī)交付用戶兩年期間內(nèi)，發(fā)生十余起液壓泵過熱導(dǎo)致通用液壓源系統(tǒng)空中壓力下降故障，表現(xiàn)為飛機(jī)起飛約20 min后，在平飛過程中液壓系統(tǒng)壓力下降至系統(tǒng)告警壓力。本文對研究過程中理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證以及改進(jìn)措施確定的情況進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為類似問題的處理提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

2 故障原因及機(jī)理研究

2.1 故障飛機(jī)液壓系統(tǒng)檢查

分解檢査故障飛機(jī)循環(huán)散熱油濾，其濾芯表面嚴(yán)重臟污，油濾流阻超標(biāo)。對油濾附著物成分進(jìn)行輪譜分析，油濾附著物主要來自液壓油高溫時氧化析出的含碳沉淀物。更換系統(tǒng)循環(huán)散熱油濾后，重復(fù)上述試驗(yàn)，開車時間約25 min，系統(tǒng)輸出壓力穩(wěn)定，工作正常。

2.2 故障機(jī)機(jī)理理論和試驗(yàn)研究

通過液壓泵出口零流量、全流量狀態(tài)下發(fā)熱量計(jì)算結(jié)果，該液壓泵在零流量狀態(tài)下自身發(fā)熱量最大，為全流量工況下發(fā)熱量的1.75～2.3倍。

通過在地面試驗(yàn)臺架測溫試驗(yàn)，液壓泵出口零流量工況下在工作17 min左右泵腔內(nèi)溫度接近液壓油氧化安定溫度，油箱溫度上升至接近Ⅱ型液壓系統(tǒng)允許溫度，并且溫度還在上升過程中，系統(tǒng)溫度還未達(dá)到熱平衡。

根據(jù)該液壓泵工作原理、油濾檢查結(jié)果和機(jī)上、地面試驗(yàn)情況，判斷通用液壓源系統(tǒng)壓降故障原因?yàn)椋合到y(tǒng)用液壓柱塞泵自身發(fā)熱量較大，在液壓系統(tǒng)零流量或小流量工況下，泵腔內(nèi)部熱量未能及時耗散掉，造成溫度在較短時間內(nèi)升高并超出該機(jī)用航空液壓油的氧化安定性溫度指標(biāo)（160 ℃），加劇氧化產(chǎn)生的醇類、脂類、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等含碳沉淀物附著在油濾的濾芯上，使油濾流阻增大、液壓柱塞泵冷卻循環(huán)流量進(jìn)一步降低，導(dǎo)致泵腔溫度進(jìn)一步升高，由于摩擦副中柱塞和轉(zhuǎn)子的材料不同，其中轉(zhuǎn)子的線膨脹系數(shù)較大，從而導(dǎo)致柱塞和轉(zhuǎn)子的配合間隙增大，造成泄漏增加，使得液壓柱塞泵效率下降，致使泵輸出壓力下降。

另一方面，油泵殼體回油管路油濾流阻的增加導(dǎo)致油泵回油壓力逐步上升，當(dāng)回油壓力超出液壓泵回油腔內(nèi)卸荷活門開啟壓力時，卸荷活門開啟，泵內(nèi)用于循環(huán)散熱的液壓油直接從卸荷活門流出，未能起到內(nèi)部循環(huán)散熱的作用，形成惡性循環(huán)加劇液壓泵溫度的上升，同樣導(dǎo)致液壓泵輸出壓力迅速下降。

3 改進(jìn)措施研究

采取了從飛機(jī)系統(tǒng)和液壓泵本身兩方面采取措施的改進(jìn)思路，一方面滿足飛機(jī)現(xiàn)有系統(tǒng)和空間的限制，同時，還需要保證飛機(jī)外場改裝的可實(shí)施性。

3.1 液壓泵改進(jìn)

該泵出廠驗(yàn)收對零流量條件下殼體回油流量指標(biāo)只控制上限值（回油壓力0.5 MPa時，冷卻循環(huán)流量不大于5 L/min），對下限值不予控制。在地面試驗(yàn)臺上進(jìn)行了供油零流量狀態(tài)下不同殼體回油流量對油泵及油箱溫度影響的測量試驗(yàn)。由于液壓泵殼體回油流量隨工作時間摩擦副的磨損量增加而增加，考慮到液壓泵壽命末期供油流量的指標(biāo)要求，新出廠液壓泵殼體回油流量指標(biāo)不應(yīng)過大，結(jié)合飛機(jī)外場液壓泵殼體回油流量1 L/min以下的發(fā)生壓降故障時工作時間短、次數(shù)多的現(xiàn)象，確定該泵出廠時冷卻循環(huán)流量下限指標(biāo)為1 L/min。

3.2 飛機(jī)通用液壓源系統(tǒng)改進(jìn)

針對液壓泵出口零流量工況下自身發(fā)熱量大的特點(diǎn)，制定出取消液壓系統(tǒng)工作過程中液壓泵出口零流量工況條件的改進(jìn)方案：①在通用液壓源系統(tǒng)供壓管路上增加旁路，在旁路中設(shè)置常通限流閥，控制旁路流量為5 L/min。②通過增大液壓泵散熱循環(huán)管路面積來增加散熱效率；同時，從環(huán)控系統(tǒng)燃油空氣散熱器排水口引約30 kg/h的低溫、潮濕空氣對限流閥進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以進(jìn)一步提高液壓泵冷卻效果；為增強(qiáng)環(huán)控引氣對限流閥的冷卻效果，限流閥外部設(shè)計(jì)成翹片形狀，裝于筒體內(nèi)。

4 實(shí)施效果

4.1 地面試驗(yàn)臺架改進(jìn)驗(yàn)證

在地面試驗(yàn)臺上連接機(jī)上導(dǎo)管及油箱，通過控制供油管路1.96 L/min流量及5 L/min流量輸出，監(jiān)測系統(tǒng)各測量點(diǎn)的壓力、流量及溫度變化情況，與系統(tǒng)改進(jìn)前進(jìn)行對比，泵腔及油箱溫度隨時間的變化曲線如圖1所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①隨著供油流量增加泵腔溫度上升速率變緩，油箱與泵腔之間的溫度差逐漸變小，油箱溫度控制在135 ℃以內(nèi)；②不同供油流量下油泵回油流量及回油壓力隨溫度變化趨勢和變化量相當(dāng)，隨著泵腔溫度升高，油泵泄漏量顯著增加，即造成泵腔內(nèi)泄漏熱量增加及油泵的效率下降。

綜合分析，在通用液壓系統(tǒng)供油管路增加5 L/min的常通流量，可以有效地降低液壓泵腔內(nèi)溫度，如果從環(huán)控系統(tǒng)引氣對限流閥進(jìn)行冷卻散熱，則能夠進(jìn)一步增強(qiáng)散熱效果。

4.2 機(jī)上改進(jìn)驗(yàn)證

機(jī)上液壓源系統(tǒng)改進(jìn)后進(jìn)行了機(jī)上測溫試驗(yàn)，經(jīng)約37 min開車并且不進(jìn)行任何舵面操作后，液壓泵殼體溫度穩(wěn)定于約115 ℃、液壓油箱出口壁溫穩(wěn)定于約70 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 泵腔、油箱溫度變化曲線

圖2 改進(jìn)前、后油泵泵腔及殼體表面溫度對比

改進(jìn)后泵腔溫度能夠穩(wěn)定在135 ℃以下，低于該機(jī)用航空液壓油氧化安定性溫度160 ℃的指標(biāo)；液壓油箱油液溫度可穩(wěn)定在100 ℃以下，低于Ⅱ型液壓系統(tǒng)允許的135 ℃的指標(biāo)，改進(jìn)效果明顯，可以滿足使用要求。

5 結(jié)論

在理論計(jì)算分析研究的基礎(chǔ)上，通過開展液壓泵、飛機(jī)液壓源系統(tǒng)機(jī)上及地面臺架測溫試驗(yàn)，摸清了液壓泵的特性及其對飛機(jī)液壓源系統(tǒng)的熱特性影響。確定了控制液壓泵殼體散熱流量最低值，同時，針對液壓泵零流量工況下自身發(fā)熱量大的特點(diǎn)，提出取消液壓系統(tǒng)工作過程中泵零流量工況，增加系統(tǒng)循環(huán)散熱面積，利用機(jī)上環(huán)控系統(tǒng)排棄低溫、高濕空氣對新增限流閥進(jìn)行強(qiáng)制冷卻等綜合優(yōu)化改進(jìn)方案。該方案技術(shù)簡單，改進(jìn)成本低、周期短，經(jīng)驗(yàn)證，能夠有效地解決壓力下降故障，滿足飛機(jī)的使用要求。

另外，類似液壓柱塞泵還在國內(nèi)多個機(jī)型上裝備，一般采用燃油作為介質(zhì)的燃油一液壓油散熱器給液壓系統(tǒng)散熱，即利用發(fā)動機(jī)燃燒的燃油來給液壓系統(tǒng)散熱，并且散熱器安裝在液壓系統(tǒng)總回油管路[2]。但未能充分認(rèn)識到該型號系列液壓泵零流量工況下液壓泵發(fā)熱量大的特點(diǎn)，并采取主動消除液壓泵零流量工況的措施。本文介紹的研究結(jié)果可為機(jī)液壓源系統(tǒng)溫度控制提供新思路。

［1］王秀霞，蘇珉.飛機(jī)液壓系統(tǒng)的溫度控制方法［J］.流體傳動與控制，2009（01）.

［2］王莉，姜曼琳.某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)熱計(jì)算分析與應(yīng)用［J］.中國航空學(xué)會控制與應(yīng)用，2008（03）.

2095－6835（2019）05－0144－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.144

〔編輯：張思楠〕