劉文斌,孫安全,王 雷,廉晚祥,胡鵬濤

(中國人民解放軍93170部隊(duì),陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著飛行器隱身設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,武器內(nèi)埋已成為飛行器提高戰(zhàn)場生存能力和突防能力的必然選擇[1]。內(nèi)埋武器的投放分離過程主要依靠武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),其主要功能是驅(qū)動(dòng)和控制武器艙門的打開、關(guān)閉、到位鎖定等動(dòng)作,它是內(nèi)埋武器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一[2]。而電液伺服閥(EHV)是武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心元件,電液伺服閥在武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓流量信號(hào),為下級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力輸入,對(duì)武器艙門功能實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要[3-4]。一旦電液伺服閥發(fā)生故障,可能導(dǎo)致武器艙門系統(tǒng)出現(xiàn)震顫、噪音,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、使用壽命縮短,甚至?xí)霈F(xiàn)武器艙門無法正常打開、關(guān)閉、超越行程等非預(yù)期運(yùn)動(dòng),嚴(yán)重危及飛行器安全。因此,深入分析和研究武器艙門系統(tǒng)中電液伺服閥的工作特性和故障模式具有重要意義。筆者針對(duì)某型飛機(jī)武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)趨勢故障進(jìn)行研究,通過建立故障樹模型開展失效分析,對(duì)導(dǎo)致伺服閥故障的因素進(jìn)行試驗(yàn)研究與仿真分析,確定了故障原因及機(jī)理,提出了解決方案并實(shí)際應(yīng)用。

1 武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡介

1.1 武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用于某型飛機(jī)武器系統(tǒng)的全電控制電液伺服裝置,與輔助控制器一起組成伺服作動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的左、右側(cè)武器艙門的分別操縱。單側(cè)武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由功率驅(qū)動(dòng)裝置(PDU)、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器(1～6號(hào))、傳動(dòng)軸組成,如圖1所示。

圖1 側(cè)武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

功率驅(qū)動(dòng)裝置接受輔助控制器的控制指令,實(shí)現(xiàn)開閉艙門、減速、停止、把持等功能,并將功率驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速及位置信號(hào)反饋給控制器,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,其工作原理如圖2所示。電液伺服閥由力矩馬達(dá)、噴擋前置級(jí)、滑閥放大級(jí)組成。伺服閥跟隨輸入電流進(jìn)行工作,在電流作用下通過力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)前置級(jí)銜鐵運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng),改變閥芯兩側(cè)壓力,驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)使節(jié)流窗口打開,控制輸出液壓流量和壓力的大小及方向,驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

圖2 功率驅(qū)動(dòng)裝置原理圖

1.2 故障概述

某型飛機(jī)武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生功率驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)趨勢故障,功率驅(qū)動(dòng)裝置只能向開艙方向運(yùn)動(dòng),使得武器艙門運(yùn)動(dòng)超出限制行程,并與機(jī)上某結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉碰撞。

分析飛行過程中數(shù)據(jù)曲線,開艙門工作過程中啟動(dòng)、快速運(yùn)動(dòng)、減速段都運(yùn)行正常,開艙過程正常。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)收到關(guān)艙門指令后,艙門未按指令關(guān)閉,而是向開艙門極限位置運(yùn)動(dòng),控制系統(tǒng)報(bào)“武器艙門運(yùn)動(dòng)趨勢監(jiān)控故障”,并切斷功率驅(qū)動(dòng)裝置的電磁閥電流和伺服閥液壓壓力后,功率驅(qū)動(dòng)裝置靠制動(dòng)器把持。

2 故障定位分析

以功率驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)趨勢故障為頂事件,根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)裝置的原理結(jié)構(gòu),對(duì)功率驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)趨勢故障開展故障樹分析,如圖3所示,逐項(xiàng)對(duì)故障樹底事件進(jìn)行排查。

圖3 故障樹

對(duì)功率驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行位置閉環(huán)試驗(yàn),向故障件輸入開艙指令和關(guān)艙指令,供壓通電后功率驅(qū)動(dòng)裝置均快速向開艙方向運(yùn)動(dòng),角位移傳感器超過極限行程,伺服閥電流達(dá)到負(fù)向最大。對(duì)功率驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行位置開環(huán)試驗(yàn),向故障件輸出零指令,供壓通電后驅(qū)動(dòng)裝置快速向開艙方向運(yùn)動(dòng),角位移傳感器超過極限行程。更換性能合格的伺服閥后,重新測試,功率驅(qū)動(dòng)裝置功能、性能正常。確定功率驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)趨勢故障原因?yàn)樗欧y故障。

進(jìn)一步檢查伺服閥上殼體組件,清洗時(shí)發(fā)現(xiàn)上殼體左側(cè)前置級(jí)油路不通,取出左側(cè)噴嘴油濾后,發(fā)現(xiàn)噴嘴油濾表面和上殼體左側(cè)噴嘴孔內(nèi)有大量多余物。同時(shí),密封圈排查結(jié)果發(fā)現(xiàn),伺服閥閥套密封圈破損嚴(yán)重,對(duì)密封圈相關(guān)尺寸進(jìn)行測量,故障件破損部位最大寬度0.65 mm、周向長度約40 mm,與左側(cè)噴嘴油濾上的多余物尺寸吻合;分析多余物成分發(fā)現(xiàn),故障件多余物成分為丁腈橡膠,與閥套密封圈材料一致,多余物光譜與閥套密封圈光譜高度相似,如圖4所示。

圖4 多余物與閥套密封圈光譜對(duì)比

對(duì)閥套與密封圈裝配過程進(jìn)行分析,密封圈裝入閥套密封槽后,目視檢查密封圈裝配質(zhì)量,確認(rèn)密封圈表面完整,無扭曲、無缺陷后,再通過冷凍壓裝方法將閥套與密封圈一起裝入閥體孔內(nèi)。冷凍壓裝是將閥套連同密封圈一起裝入閥套冷凍夾具中,放入溫箱內(nèi),在-65～70 ℃條件下保溫4 h,保溫完成后從溫箱中取出冷凍夾具,從夾具中取出閥套,將閥套左端面朝下,放入閥體右端孔內(nèi),將閥套與閥體中心孔對(duì)準(zhǔn),調(diào)整角向位置后,用手快速將閥套從上往下壓入閥體內(nèi)。閥套及密封圈裝入閥體后,無法目視檢查密封圈是否存在破損。故障伺服閥閥套密封圈破損斷口位于密封圈左側(cè),且斷口較整齊,裝配時(shí)閥套從閥體右側(cè)向左安裝,密封圈安裝時(shí)左側(cè)受力,受力方向與斷口位置相同,確認(rèn)閥套密封圈是在冷凍后壓裝進(jìn)入閥體時(shí)破損。

綜上所述,最終定位故障原因?yàn)樗欧y閥套密封圈冷凍裝配工藝不完善,導(dǎo)致故障件閥套裝配過程中密封圈破損,產(chǎn)生的密封圈殘?jiān)氯麌娮煊蜑V,使功率驅(qū)動(dòng)裝置只能向開艙方向運(yùn)動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致武器艙門運(yùn)動(dòng)超出限制行程。

3 故障機(jī)理分析

伺服閥閥套從左至右共安裝8個(gè)密封圈,在實(shí)際裝配過程中,伺服閥閥套密封圈冷凍裝配工藝不完善,缺少送入桿工具,人工裝配時(shí)故障件閥套的裝配過程不順暢,閥套密封圈易受到閥體環(huán)槽倒角擠壓作用,導(dǎo)致密封圈破損,從而使產(chǎn)生的密封圈殘?jiān)z留在閥體環(huán)槽內(nèi)。伺服閥通壓后,前置級(jí)油液從節(jié)流孔流向噴嘴油濾和噴嘴孔,前置級(jí)油路與閥體環(huán)槽溝通,閥體環(huán)槽內(nèi)油液通過閥套上的四個(gè)小孔與閥芯端面油液溝通。由于密封圈殘?jiān)⒉辉谇爸眉?jí)油液的主流道內(nèi),因此短時(shí)間內(nèi)不會(huì)隨油液流動(dòng)進(jìn)入噴嘴油濾中。當(dāng)伺服閥工作時(shí),閥芯左右往復(fù)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致閥體環(huán)槽內(nèi)的油液低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)(閥芯以最大行程開關(guān)一次,會(huì)引起約0.13 mL的油液流動(dòng))。因此,閥體環(huán)槽內(nèi)的密封圈殘?jiān)鼤?huì)隨著油液緩慢地往復(fù)流動(dòng),在長時(shí)間過程中逐漸進(jìn)入前置級(jí)油液的主流道內(nèi),最終進(jìn)入噴嘴油濾,導(dǎo)致噴嘴油濾堵塞,密封圈殘?jiān)\(yùn)動(dòng)路徑如圖5所示。

圖5 密封圈殘?jiān)\(yùn)動(dòng)路徑示意圖

伺服閥噴嘴油濾由外濾芯、內(nèi)濾芯和骨架組成,結(jié)構(gòu)如圖6所示。內(nèi)濾芯有9排孔,每排18個(gè)孔,共162個(gè)孔,孔徑0.15 mm;外濾芯上也有9排孔,每排18個(gè)孔,共162個(gè)孔,孔徑0.15 mm;外濾芯套在內(nèi)濾芯上,保證所有油路孔錯(cuò)開排布。內(nèi)濾芯和外濾芯之間的徑向間隙為0.035 mm,大于0.035 mm的殘?jiān)鼰o法通過徑向間隙,即油濾過濾精度為0.035 mm。噴嘴油濾總過流面積為2.8 mm2,當(dāng)密封圈殘?jiān)饾u進(jìn)入噴嘴油濾后,將油濾過油孔堵塞,導(dǎo)致油路過流面積不足,伺服閥發(fā)生故障。

圖6 噴嘴油濾結(jié)構(gòu)

使用AMEsim軟件建立伺服閥仿真模型,模型包含力矩馬達(dá)、伺服閥前置級(jí)、滑閥放大級(jí)等,如圖7所示。伺服閥前置級(jí)油路為液壓橋式原理,28 MPa高壓進(jìn)油經(jīng)過節(jié)流孔降壓至約14 MPa,再通過噴嘴與擋板間的間隙降壓至回油壓力,流回油箱。噴嘴前的油壓同時(shí)作用到閥芯端面,控制閥芯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)伺服閥輸入電流為0時(shí),閥芯左右兩端壓力均為14 MPa,閥芯不動(dòng),輸出流量為0;當(dāng)伺服閥輸入正電流時(shí),力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擋板向左運(yùn)動(dòng),使閥芯左端壓力升高、右端壓力降低,閥芯向右運(yùn)動(dòng),輸出正流量;反之,當(dāng)伺服閥輸入負(fù)電流時(shí),力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)擋板向右運(yùn)動(dòng),使閥芯右端壓力升高、左端壓力降低,閥芯向左運(yùn)動(dòng),輸出負(fù)流量。閥芯左右兩端壓力隨電流變化,正常情況下,變化范圍約11～17 MPa。

圖7 伺服閥AMESim模型

對(duì)仿真模型輸入±20mA正弦電流,此時(shí)伺服閥負(fù)載腔輸出流量可隨指令正弦變化。在仿真模型中設(shè)置左側(cè)噴嘴油濾堵塞,此時(shí)伺服閥輸出流量持續(xù)為正方向接近極限流量,不能輸出負(fù)向流量,仿真結(jié)果與理論分析一致,如圖8所示。

圖8 正常伺服閥與左側(cè)噴嘴油濾堵塞輸出流量變化

由此可見,伺服閥發(fā)生正方向極偏故障時(shí),只能輸出正方向最大流量,功率驅(qū)動(dòng)裝置失去閉環(huán)工作的能力,通電上壓后驅(qū)動(dòng)裝置以最大速度向開艙方向運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置持續(xù)開艙向開艙方向運(yùn)動(dòng),艙門角度逐漸增大,超出限制行程,導(dǎo)致武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最終發(fā)生運(yùn)動(dòng)趨勢故障。

4 改進(jìn)方案

(1) 完善閥套密封圈裝配工藝,增加閥套送入桿工裝。冷凍裝配過程中采用的閥套送入桿工裝組件由送入桿和導(dǎo)向錐組成,裝配時(shí)與閥套固定為一體,如圖9所示。送入桿由人手握持,便于裝配送入操作,同時(shí)設(shè)計(jì)有限位塊,可以防止裝配行程過大;導(dǎo)向錐與閥套、閥體配合,可以保證閥套與閥體對(duì)中,防止閥套偏擺。

圖9 閥套送入桿工裝

(2) 增加閥套裝配后清洗檢查工藝,確保裝配后密封圈完好。閥套裝配完成后,將工裝閥芯安裝在閥套內(nèi),安裝左右端蓋及上殼體組件,通壓清洗后,檢查上殼體油濾孔和噴嘴油濾上是否有密封圈殘?jiān)?。伺服閥清洗時(shí)的油路與工作油路不同,如圖10所示,高壓油液經(jīng)進(jìn)油窗口進(jìn)入工藝閥芯兩端,通過閥套油孔經(jīng)閥體環(huán)槽、前置級(jí)油路、噴嘴油濾后回到回油。如閥套壓裝過程中伺服閥密封圈破損,則殘?jiān)嬖谟陂y體環(huán)槽內(nèi),在高壓油液作用下會(huì)快速進(jìn)入上殼體噴嘴油濾,拆下噴嘴油濾即可被檢查到。

圖10 閥套裝配后清洗檢查原理圖

(3) 上殼體噴嘴油濾安裝孔內(nèi)設(shè)置φ5.1 mm×2.3 mm環(huán)槽,噴嘴油濾納污容腔由11.0 mm3增大至20.4 mm3,提高局部過流面積,降低多余物堵塞噴嘴油濾的可能性。

5 結(jié) 語

文中通過建立武器艙門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)趨勢故障的故障樹模型,對(duì)可能影響武器艙門性能的因素進(jìn)行了分析驗(yàn)證,最終定位為伺服閥閥套密封圈裝配過程中破損,導(dǎo)致產(chǎn)生的密封圈殘?jiān)氯麌娮煊蜑V,從而使功率驅(qū)動(dòng)裝置只能向開艙方向運(yùn)動(dòng),引起武器艙門運(yùn)動(dòng)超出限制行程。后續(xù)通過完善閥套密封圈裝配工藝和增加閥套裝配后清洗檢查工藝發(fā)現(xiàn),該型產(chǎn)品再未發(fā)生此類故障,實(shí)際應(yīng)用效果良好。