戴國(guó)杰，李 欣

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖）

液冷系統(tǒng)是飛機(jī)上執(zhí)行熱控制的主要系統(tǒng)之一，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)冷卻液在吸熱區(qū)和散熱區(qū)循環(huán)往復(fù)，其主要功能是完成對(duì)特定系統(tǒng)工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的控制。

1 故障現(xiàn)象

某型飛機(jī)液冷系統(tǒng)按要求調(diào)試合格（接通系統(tǒng)工作，系統(tǒng)欠壓燈應(yīng)熄滅）后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短時(shí)多次啟停工作，欠壓等常亮，系統(tǒng)停止工作后（2～3）min 內(nèi)，會(huì)有大量冷卻液從系統(tǒng)排液口噴出，需重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液排氣調(diào)試，系統(tǒng)才能夠恢復(fù)正常。

2 故障分析

液冷系統(tǒng)由液冷泵、過(guò)濾器、壓差信號(hào)器、安全活門(mén)、油氣分離器、膨脹罐、散熱器等組成。系統(tǒng)上電后液冷泵開(kāi)始工作，泵進(jìn)口通過(guò)吸附膨脹罐及回油管路中的冷卻液，經(jīng)過(guò)液冷泵增壓后，輸出壓力液體，高壓管路液體經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，隨后經(jīng)回油管路將升溫后的冷卻液輸送至散熱器進(jìn)行冷卻，經(jīng)過(guò)冷卻的冷卻液在進(jìn)入液冷泵之前，經(jīng)油氣分離器將液氣分離，分離后的氣體進(jìn)入膨脹罐。

基于故障現(xiàn)象及系統(tǒng)工作原理，在機(jī)械及電氣兩方面分析，液冷泵故障、過(guò)濾器堵塞、液冷加注量不足、管路不密封、系統(tǒng)中氣體較多、壓差信號(hào)器故障、液冷泵線路故障及欠壓燈線路故障均可能導(dǎo)致液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障。

根據(jù)液冷系統(tǒng)工作原理和系統(tǒng)欠壓、噴液故障現(xiàn)象情況，繪制故障樹(shù)，具體見(jiàn)圖1。

圖1 液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障樹(shù)

3 故障排查及定位

3.1 故障樹(shù)底事件排查

根據(jù)故障結(jié)構(gòu)樹(shù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)樹(shù)中的X1～X9底事件進(jìn)行分類逐項(xiàng)試驗(yàn)及排查，排查過(guò)程如下。

3.1.1 底事件X1、X8 分析排查

液冷泵作為液冷系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，當(dāng)液冷泵存在液冷泵供電線路故障，會(huì)導(dǎo)致泵不能正常啟動(dòng)工作。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電，接通泵工作，機(jī)上泵工作正常。排除底事件X1、X8 可能。

3.1.2 底事件X2 分析排查

當(dāng)過(guò)濾器中雜質(zhì)過(guò)多產(chǎn)生堵塞時(shí)，過(guò)濾器的壓降較大，導(dǎo)致系統(tǒng)高壓管路中壓力與流量降低，引發(fā)欠壓燈燃亮。從故障現(xiàn)象來(lái)看，如果過(guò)濾器堵塞，濾前壓力會(huì)升高，通過(guò)壓力表檢測(cè)濾前的高壓管路中的壓力，測(cè)得的壓力值一直低于0.4 MPa，小于泵的正常出口（0.5～0.85）MPa 值；同時(shí)檢查過(guò)濾器中濾芯，發(fā)現(xiàn)濾芯情況良好。排除底事件X2 可能。

3.1.3 底事件X3 分析排查

當(dāng)冷卻液加注不足時(shí)，液冷泵入口吸入冷卻液不足，會(huì)造成泵出口壓力及流量不足，引發(fā)欠壓燈燃亮。按工藝要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加注冷卻液作業(yè)，加注至系統(tǒng)排液接管嘴有液冷排出，同時(shí)在經(jīng)清洗后，補(bǔ)充加注冷卻液循環(huán)后，檢查膨脹罐內(nèi)液面高度，滿足要求。排除底事件X3 可能。

3.1.4 底事件X4 分析排查

當(dāng)系統(tǒng)管路不密封時(shí)，會(huì)造成冷卻液外泄，導(dǎo)致系統(tǒng)中冷卻液總量不斷下降，引發(fā)欠壓燈燃亮。一方面液冷系統(tǒng)管路及相應(yīng)附件已在裝配階段完成，同時(shí)進(jìn)行了高壓及低壓氣密試驗(yàn)，密封性檢查合格；另一方面，在液冷加注及清洗過(guò)程中，均未發(fā)現(xiàn)各管路連接處有冷卻液泄露情況。排除底事件X4 可能。

3.1.5 底事件X5 分析排查

當(dāng)系統(tǒng)中存在較多氣體未排除時(shí)，會(huì)造成液冷泵進(jìn)油口吸入不足，出口流量下降，從而會(huì)造成液冷泵出口輸出的壓力值不滿足（0.5～0.85）MPa 的要求。不能排除底事件X5 可能性。

3.1.6 底事件X6、X7、X9 分析排查

壓差信號(hào)器故障、欠壓燈故障、欠壓燈線路故障，可能導(dǎo)致欠壓燈常亮無(wú)法熄滅。試驗(yàn)中，通過(guò)接入地面設(shè)備輔助，提高液冷系統(tǒng)中的流量，可以看到，當(dāng)系統(tǒng)中的流量大于3 600 L/h 時(shí)，欠壓燈能夠正常熄滅，流量小于3 600 L/h 時(shí)，欠壓燈能夠正常燃亮，可以斷定信號(hào)器、指示燈、電氣線路的正常。排除底事件X6、X7、X9 可能。

3.2 故障原因定位

經(jīng)以上分析，已確認(rèn)系統(tǒng)中氣體較多是導(dǎo)致液冷系統(tǒng)欠壓、噴液故障的唯一疑似原因。為進(jìn)一步確定故障原因，對(duì)系統(tǒng)欠壓信號(hào)出現(xiàn)原理進(jìn)行仿真分析，具體如下。

3.2.1 建模及仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)中存在較多氣體未排除時(shí)，會(huì)造成液冷泵進(jìn)油口吸入不足，出口流量下降。系統(tǒng)欠壓信號(hào)是通過(guò)壓差信號(hào)器感知同一管路中不同截面下的壓差信號(hào)，流量變化產(chǎn)生的壓差值跟隨變化。對(duì)系統(tǒng)中的流量壓差開(kāi)展仿真分析如下。

（1） 壓差信號(hào)器工作管道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)確定

系統(tǒng)流量測(cè)量工作原理是通過(guò)壓差式流量測(cè)量原理對(duì)系統(tǒng)中的流量進(jìn)行測(cè)量。該原理是在充滿液體的管道中放置一個(gè)流通面積小于管道截面積的限流件，流體在通過(guò)限流件時(shí)局部收縮，在收縮處流速增加，靜壓力下降，在限流件前后就會(huì)產(chǎn)生一定的壓差。對(duì)一定形狀和尺寸的限流件，在一定的測(cè)壓位置和流體參數(shù)的情況下，限流件前后的壓差與流量之間具有一定的函數(shù)關(guān)系,如下式所示[1]。

（2） 計(jì)算雷諾數(shù)

式中：ρ 為介質(zhì)密度；V 為介質(zhì)流速；L 為特征尺寸；v為動(dòng)力粘度。在溫度為20 ℃時(shí)，冷卻液（乙二醇溶液）的密度為1 090 kg/m3、動(dòng)力粘度為0.006 99 Pa/s?？紤]到管道內(nèi)限流件影響，特征尺寸可確定為限流件內(nèi)徑0.014 8 m，管道內(nèi)流速約為5 m/s。計(jì)算得出雷諾數(shù)Re=116 89，此處管道內(nèi)流動(dòng)可視為充分發(fā)展的湍流。

（3） 建模仿真分析

利用Fluent 軟件建立壓差信號(hào)器處管道流體模型[2]，流體介質(zhì)選用乙二醇，建立仿真網(wǎng)格劃分試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

當(dāng)限流件內(nèi)徑為14.8 mm，管道入口流量分別設(shè)定為3 200 L/h 和3 600 L/h 時(shí)，壓差信號(hào)器兩端壓差值ΔP 的仿真結(jié)果分別為7.9 kPa 和9.6 kPa，當(dāng)ΔP＜9.6 kPa 時(shí)，發(fā)出欠壓信號(hào)，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 Q=3 200 L/h 壓力分布

圖3 Q=3 600 L/h 壓力分布

通過(guò)以上分析，可以確定，系統(tǒng)欠壓是系統(tǒng)中流量不足導(dǎo)致，結(jié)合上述分析結(jié)構(gòu)可知，影響系統(tǒng)流量的唯一不確定因素為系統(tǒng)中存在較多氣體，導(dǎo)致液冷泵進(jìn)油口吸入不足，工作效能下降，出口流量降低。

3.2.2 故障原因驗(yàn)證

前面已基本確定故障原因是系統(tǒng)內(nèi)氣體較多，現(xiàn)通過(guò)引入地面設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行排氣及故障復(fù)現(xiàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證故障原因（該裝置能夠有效排除經(jīng)過(guò)設(shè)備的液體中混合的氣體）。通過(guò)將設(shè)備接入到系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)，排除系統(tǒng)中的氣體（設(shè)備上設(shè)有管路觀察窗口，在接入設(shè)備（20～30）min 后，系統(tǒng)管路中流動(dòng)的冷卻液已無(wú)明顯氣泡），氣體基本排除后斷開(kāi)設(shè)備，完善機(jī)上系統(tǒng)自運(yùn)行，欠壓燈熄滅，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

系統(tǒng)合格狀態(tài)保持一段時(shí)間，在經(jīng)過(guò)多次系統(tǒng)的上下電后，系統(tǒng)又再次出現(xiàn)欠壓情況，再次接入排氣設(shè)備，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有存在大量氣體，多次重復(fù)上述排氣過(guò)程，最后結(jié)果依舊，由此斷定，液冷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生或吸入氣體。查閱冷卻液物理性質(zhì)，進(jìn)一步確定系統(tǒng)內(nèi)氣體是外部吸入所致。

3.2.3 故障點(diǎn)確定

在大量的分析及模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖樣分析及在機(jī)上的反復(fù)試驗(yàn)核實(shí)，最終查找系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中液冷泵會(huì)吸入氣體（通過(guò)泵內(nèi)部工作軸密封處吸入）。系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果為：在系統(tǒng)上電啟動(dòng)工作起始階段，監(jiān)測(cè)液冷泵漏油口壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)泵啟動(dòng)工作起始階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值為負(fù)壓，符合系統(tǒng)故障現(xiàn)象。

對(duì)液冷泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該泵采用單向密封皮碗進(jìn)行密封，如果內(nèi)外壓力差是正值，密封性較好，如果內(nèi)外壓力差是負(fù)值，系統(tǒng)密封很容易就被打開(kāi)，對(duì)拆下的一件液冷泵進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壓力差值達(dá)到-13 kpa 后外界的氣體能夠打通通道進(jìn)入泵內(nèi)。從泵的工作原理看，液冷泵在啟動(dòng)階段會(huì)在泵的入口產(chǎn)生一個(gè)較高的負(fù)壓，入口的負(fù)壓直接作用在泵密封皮碗，且該負(fù)壓值超過(guò)-13 kpa，最終導(dǎo)致故障的發(fā)生。

圖4 液冷泵密封示意

3.2.4 故障定位結(jié)論

通過(guò)對(duì)液冷系統(tǒng)的工作原理、欠壓燈亮的工作機(jī)制、產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析及系統(tǒng)故障的復(fù)現(xiàn)，可肯定液冷泵在工作的起始階段吸入大量的氣體，會(huì)導(dǎo)致液冷系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)幾個(gè)啟停循環(huán)后出現(xiàn)欠壓、噴液故障。

4 改進(jìn)措施

4.1 當(dāng)前應(yīng)對(duì)措施

為不影響現(xiàn)階段的裝備正常使用，目前，結(jié)合該產(chǎn)品工作原理和修理經(jīng)驗(yàn)，在不能更換液冷泵的前提下，修理及使用環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)層面對(duì)液冷系統(tǒng)噴液情況進(jìn)行優(yōu)調(diào)。通過(guò)在要求范圍內(nèi)調(diào)整安全活門(mén)打開(kāi)壓力，減少膨脹罐內(nèi)冷卻液儲(chǔ)量，增加緩沖空間，穩(wěn)定系統(tǒng)增壓，延長(zhǎng)泵啟動(dòng)后的循環(huán)工作時(shí)間，提升系統(tǒng)自身排氣量等措施[3]，能夠很大程度上改善系統(tǒng)噴液欠壓的情況。

4.2 后續(xù)改進(jìn)措施

導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、噴液故障是因?yàn)橐豪浔妹芊饨Y(jié)構(gòu)不合理，工作過(guò)程中會(huì)吸入空氣所致，可通過(guò)對(duì)液冷泵密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將單向密封更改為雙向密封，能夠徹底解決液冷泵吸氣導(dǎo)致系統(tǒng)欠壓噴液故障。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，液冷系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、噴液故障主要原因是液冷泵密封結(jié)構(gòu)不合理，工作過(guò)程中會(huì)吸入空氣，最終導(dǎo)致液冷泵自身進(jìn)油口吸入不足，出口流體流量下降，同時(shí)系統(tǒng)在殘留氣體及系統(tǒng)壓力的作用下，突破安全活門(mén)壓力限制向外噴冷卻液。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的優(yōu)化參數(shù)調(diào)整及完善使用維護(hù)手段，能夠有效解決現(xiàn)階段外場(chǎng)裝備使用維護(hù)困難。后續(xù)對(duì)液冷泵開(kāi)展密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善系統(tǒng)密封缺陷，徹底能夠解決系統(tǒng)進(jìn)氣困擾，不斷提高平臺(tái)的使用可靠性。