簡析阻攔索裝置定長沖跑控制閥

楊茂勝，畢玉泉，陳躍良，楊炳恒，姜文豪

（海軍航空工程學院青島分院，山東 青島 266041）

美國現役的MK7-3型攔阻裝置是目前世界上各國海軍中攔阻能量等級最大的著艦攔阻裝備，能量等級達到6 500 t·m。當固定翼艦載機以航速240 km/h 著艦時，MK7-3型攔阻裝置能夠保障飛機在102 m 內安全著艦[1-3]。定長沖跑控制閥是MK7-3阻攔裝置的心臟，它通過控制定長沖跑控制閥閥口的節流壓降，將阻攔機主液壓缸的液壓能轉化為熱能，有效控制阻攔機主液壓缸的壓力變化規律和飛機的阻攔距離，在規定的阻攔距離內，為不同重量和速度的飛機提供理想的阻攔力[4-5]。

本文介紹了MK7-3型攔阻裝置定長沖跑控制閥的結構組成，分析了其基本控制原理，討論了常見故障的種類及其產生的原因。

1 MK7-3型攔阻裝置工作原理

如圖1所示，當艦載機著艦時，飛機尾鉤鉤住用鋼索支撐系統支撐至甲板面一定高度的阻攔索，飛機前沖力通過阻攔索傳遞到滑輪組索上，滑輪組索再將該作用力傳遞到滑輪緩沖裝置、阻攔機動滑輪組、定滑輪組、鋼索末端緩沖裝置上。阻攔索的初始沖擊力迫使滑輪緩沖裝置動作，減少阻攔索的峰值應力，隨著滑輪組索被飛機尾鉤不斷拉出，阻攔索牽動阻攔機動滑輪組向定滑輪組方向移動從而帶動主液壓缸柱塞運動，主液壓缸中的工作液經定長沖跑控制閥閥口節流降壓后流向蓄能器，主液壓缸內產生液壓力，為飛機提供阻攔力，同時蓄能器內的壓力隨之也升高，為阻攔索裝置的復位提供了壓力能[6-7]。

圖1 MK7-3型攔阻裝置工作原理

當著艦飛機的前沖運動停止時，阻攔索和滑輪組索中的應變能將會使飛機稍微往回滑動，阻攔索便自動地從飛機尾鉤上脫落。打開復位閥，蓄能器內的壓力液體通過油液冷卻器冷卻和油液過濾器過濾后進入主液壓缸，將柱塞連同動滑輪組、定長沖跑控制閥驅動系統推至初始待命位置，從而使阻攔索裝置又恢復到待阻攔狀態，待完全復位后，關閉復位閥，為下次阻攔作準備。

2 結構組成

如圖2所示，MK7-3型攔阻裝置定長沖跑控制閥主要由閥體、閥體支柱和飛機重量選擇器3部分組成。

圖2 定長沖跑控制閥結構示意圖

2.1 閥體

閥體由閥套、閥芯、閥座和一些安裝組件組成。工作時，一方面從主液壓缸的來油通過閥座流向閥口，在閥口處經節流降壓后，由閥體流向蓄能器；另一方面，調整螺釘在外部作用力的帶動下推動閥套，從而帶動閥芯向下運動，逐漸關閉閥口。閥體組件的實質就是一個由外力所控制的節流閥，主要作用是在閥口上下兩端產生壓力差，為飛機提供阻攔力。

2.2 閥體支柱

閥體支柱由凸輪和上、下搖塊以及柱塞組成的搖臂機構兩部分組成。其中，凸輪安裝在水平方向的凸輪軸上。工作時，在鏈輪的帶動下，凸輪繞著凸輪軸做旋轉運動，通過凸輪旋轉時凸輪線型的變化就可以控制閥口的關閉規律。

搖塊機構從上至下共有4個軸承，其中1號軸承與上端凸輪組件的凸輪相連，4號軸承與下端閥體組件的調整螺釘相連，在1號和4號兩個軸承之間安裝有上、下兩個搖塊。工作時，軸承1在凸輪旋轉力的作用下和軸承2 一起向下運動，軸承2的運動帶動上搖塊繞著支點A 做順時針轉動，從而推動軸承3 向下運動，軸承3的運動又帶動下搖塊繞著支點B 做逆時針旋轉，從而推動軸承4 向下運動，最終帶動與之相連的調整螺釘向下運動，逐漸關閉閥口。

在閥體支柱中核心就是這兩個搖塊，從這兩個搖塊的簡化示意圖圖3中可以看出，假如此時軸承3和4都處在上、下搖塊的中間位置，那么要想軸承4 向下移動1個單位長度，就需要軸承3 向下運動2個單位長度，而軸承2就需要向下移動4個單位長度，即軸承2與軸承4 向下移動距離的比值是4∶1，這個比值叫做臂長比。進一步來看，軸承2移動的距離也就是凸輪最下端點移動的距離，而軸承4 移動的距離也就等于閥芯向下移動的距離，由于凸輪的轉動和閥芯的向下移動是同步進行的，所以，距離的變化也就代表了速度的變化。因此，臂長比在這里反映的實質就是凸輪線型變化時最下端點移動速度與閥芯移動速度之間的比值。假如沒有這兩個搖塊，閥芯向下移動速度就等于凸輪最下端點移動速度，而有了這兩個搖塊，閥芯的向下移動的速度既可以等于又可以不等于凸輪下端的移動速度，也就是說通過搖塊臂長比的改變，就可以改變閥芯向下移動速度，這就是安裝這兩個搖塊的主要作用。

圖3 搖塊機構示意圖

2.3 飛機重量選擇器

飛機重量選擇器安裝在閥體支柱上搖塊左端，主要由指示器、手輪和導向螺桿組成。當需要調整飛機重量設置時，通過電機帶動或者手輪旋轉，就可以帶動導向螺桿伸縮，改變上搖塊支點A的位置，支點位置A的改變，使得軸承2和軸承3分別在上、下搖塊上的位置也發生變化，也就改變了整個搖塊機構的臂長比。另外，支點位置A的改變，通過搖塊結構的傳動，帶動軸承4 向下運動，最終反應在閥芯向下移動的距離上，也就是閥的初始開口大小。預開口大小的調節，使得阻攔力大小適應了飛機重量的變化，而臂長比的改變，保證了重量設置不同時閥口的關閉時機相同。

當導向螺桿處于最大伸出狀態時，也就是立柱組件中的4個軸承處在同一直線上時，初始狀態下閥芯向下移動的距離最小，也就是閥的預開口最大，此時所設置的飛機重量應該最輕，搖塊機構的臂長比為1∶1。隨著導向螺桿逐漸向左縮回，閥芯向下移動的距離越來越大，臂長比也逐漸增加，當導向螺桿向左運動到底處于最大縮回狀態時，閥芯向下移動的距離最大，也就是閥的預開口最小，此時所設置的飛機重量應該最重，同時臂長比增加到最大，為4∶1。但是不管所設置的飛機重量輕還是重，在飛機達到規定滑跑距離時凸輪轉動的角度都是一樣的，由于凸輪線型一定，因而軸承1 向下移動的距離也一樣。只是重量輕時，預開口大，也就是要使得閥口關閉需要閥芯向下移動的距離h1就大(見圖4a))；重量重時，預開口小，h2就小(見圖4b))。但是重量輕時的臂長比小，軸承1 向下移動1 mm，閥芯也向下移動1 mm，而重量重時，臂長比大，軸承1 向下移動4 mm，閥芯才向下移動1 mm，即是重量輕時閥芯向下移動的速度快，重量重時閥芯向下移動的速度慢。這樣就可以保證在相同時間內讓h1和h2都能同時變為0，也就是讓閥口同時關閉，飛機同時停住。

圖4 重量選擇器搖塊機構的臂長比

3 控制原理

由阻攔裝置基本工作原理可知，阻攔力的大小最終是反映在主液壓缸內的液壓壓力上。因此，控制阻攔力的變化，也就是控制主液壓缸中的壓力變化，使其滿足阻攔需求：一方面，飛機在阻攔過程中過載要平穩，也即盡量保持阻攔力恒定；另一方面，還需適應飛機重量變化。

為了分析方便，將阻攔裝置中的相關部件動滑輪柱塞、主液壓缸、定長沖跑控制閥單獨列出來，如圖5所示。

圖5 定長沖跑控制閥控制原理

由液壓原理可知，單位時間內流過閥口的液壓油流量Q是與閥口上下兩端的壓力差 ΔP以及閥口面積A 成正比，即：

式中，k1是一個與閥口形狀、油液性質有關系的系數，在這里是一個常數。而流過閥口的液壓油也就是從主液壓缸中排出的液壓油，其流量大小可用主液壓缸缸筒的移動速度v'和缸筒面積S的乘積來表示，而缸筒的移動速度與飛機滑跑速度v 成正比，因而流量還可以表示為：

式中，系數k2是缸筒移動速度與飛機滑跑速度間的一個比例因子。聯合式(1)和(2)，消掉Q就可以求得A的大小，

式中，k1、k2和S 這3 項都是常數，用另外一個系數k 來代替，最終得到閥口面積A的表達式

由于閥口上端的液壓油是流向蓄能器的，其工作壓力在2～4 MPa之間，而主液壓缸中的工作壓力P1一般在60 MPa 左右，因而P2的數值相對于主液壓缸中的壓力P1來講是一個小量，可以近似地認為閥口上下兩端的壓力差 ΔP代表了主液壓缸中的壓力P1。要滿足過載穩定的需求，也就是要求 ΔP 不變，而飛機速度在滑跑過程中是逐漸減小的，因而就要求閥口面積也逐漸變小；反過來，只要能控制好閥口面積的變化規律，讓其與飛機速度的變化規律相同，就能保證 ΔP 不變，從而滿足過載穩定的需求，同時當飛機達到規定滑跑距離時控制閥口，讓其完全關閉，面積為0，速度就為0，飛機停止向前滑行，也就達到了定長阻攔的目的。所以，控制阻攔力變化使其滿足過載穩定和定長阻攔兩個需求都可以通過控制閥口面積的變化規律來實現。

當飛機重量增加時，所需阻攔力也需增加，也就是要增大 ΔP。在初始條件下，由于飛機著艦的初始速度v0一定，由式(4)可知，要想增加 ΔP，就必須減小閥口面積A，也就是閥的初始開口要變小。所以，要滿足飛機重量變化的需求，只要控制閥的初始開口大小就可以實現，讓飛機重量大時閥的預開口小，重量小時閥的預開口大。

4 工作過程

定長沖跑控制閥的工作過程如圖6所示，飛機尾鉤鉤住阻攔索后，一方面，主液壓缸中的工作液經凸輪閥流向蓄能器，當油液高速流過凸輪閥時，在閥口上下產生壓力差 ΔP，從而為飛機提供阻攔力；另一方面，凸輪軸右端的鏈輪在驅動系統帶動下開始轉動，進而推動凸輪旋轉，凸輪旋轉時線型變化推動其最下端點向下移動，帶動立柱主件上的軸承向下運動，通過搖塊結構的傳動，推動閥芯向下運動，改變閥口面積A，從而控制閥口上下兩端壓力差的變化規律，當飛機達到規定滑跑距離時，凸輪閥閥口在凸輪線型變化下完全關閉，飛機停住，阻攔過程結束。此外，當飛機重量發生變化時，通過重量選擇器的設置，一方面，可以調節閥的預開口大小；另一方面，還改變了機構的傳動比，最終使得不同重量飛機都能在相同的規定滑跑距離內停下。這就是整個凸輪閥的工作過程。

圖6 定長沖跑控制閥工作過程

5 常見故障分析

通過對收集資料的整理、分析后發現，定長沖跑控制閥在使用中最常見的故障主要有3類，分別是飛機重量設置不準、閥芯不能正常關閉和密封件出現滲漏。

5.1 飛機重量設置不準

假如在阻攔作業前飛機重量設置偏小，閥的預開口偏大些時液壓油就能更容易流過閥口。因此，在閥口上下產生的壓力差 ΔP就偏小，為飛機提供的阻攔力也偏小，而阻攔力小，則飛機在達到規定滑跑距離時，速度就還不能減為0。但由于閥口關閉時機不因飛機重量設置而改變，也就是在此時閥口已完全關閉，由式(4)可知，面積A為0，速度v不為0，因而 ΔP 趨于無窮大，從而產生一個極大的過載，強行將飛機停下，整個阻攔過程中過載的變化趨勢如圖7中的虛線所示。由于過載太大，一方面，可能超出飛行員或機體的承載能力，造成人員受傷或飛機損傷；另一方面，還能可能導致阻攔鋼索斷裂，造成機毀人亡的事故[8-9]。

假如在阻攔作業前飛機重量設置偏大，則在阻攔開始的瞬間，阻攔力迅速增加，產生一個過載極值，如圖7中點劃線所示。如果此極值在飛行員或機體的承受范圍以內，則阻攔作業是安全的，只是飛機的阻攔距離比正常時要短，一旦此極值超出了承受范圍，則可能造成比重量設置偏小時更為嚴重的后果[10]。

圖7 重量設置不準對過載的影響

5.2 閥芯不能正常關閉

定長沖跑控制閥閥蕊是控制閥口上下兩端的節流壓降，將阻攔機主液壓缸的液壓能轉化為熱能，有效控制阻攔機主液壓缸的壓力變化規律和飛機阻攔距離的關鍵部件。由于艦艇長期服役于海洋環境中，其內部結構件直接或間接地受到海水的侵蝕，腐蝕現象較為嚴重，使得定長沖跑控制閥在使用一段時間后在閥蕊的表面出現腐蝕產物的堆積，導致閥蕊不能正常關閉，引起二次阻擋。因此，在定長沖跑控制閥的使用中，應當定期檢查閥芯的腐蝕情況，發現問題及時進行修理或更換。

5.3 密封件出現滲漏

在定長沖跑控制閥的初始安裝時，如果O型密封圈、擋圈等密封件安裝質量不好，或者在使用過程中出現損壞，密封件將出現滲漏現象，使得系統壓力不穩定，從而影響到定長沖跑控制閥的工作可靠性，降低阻攔作業的安全性。為了防止此類故障現象的發生，在工作中應按時仔細檢查密封件的質量、滲漏情況，出現問題立即進行重新安裝或及時更換。

6 結論

本文以美國現役的MK7-3型攔阻裝置定長沖跑控制閥為例，分析了它的基本控制原理，討論了其在使用當中容易出現的故障，并分析了其故障產生的原因。結果表明：維護操作不當造成的重量設置不準、閥芯不能正常關閉和密封件出現滲漏是最典型的3種常見故障，其中飛機重量設置偏小和偏大都會引起閥口初始面積的變化，使得阻攔力過載產生突變，從而造成飛機損傷或者人員傷亡，甚至導致阻攔作業失敗。

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