基于故障樹的液壓系統污染故障診斷技術研究

劉瑞杰，張潤澤

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

液壓系統具有功率大、體積小、重量輕、結構緊湊、動作靈敏和精度高等優點[1]，廣泛應用于國內外各型直升機上，協助完成直升機起飛、著陸過程的各種操作功能。與此同時，液壓系統又有其脆弱的一面，而抗污染能力低是其突出的弱點[2]，而且當故障發生后，故障診斷又往往十分困難。目前直升機液壓系統的故障診斷技術相對落后，主要是憑簡易診斷儀器和工程技術人員經驗的主觀診斷法，對技術人員經驗的依賴性強，自動化程度低，通用性差，因此，液壓系統故障智能診斷成為當前急需解決的重點問題[3]。本文以某型直升機液壓系統污染故障為研究對象，運用故障樹分析方法并結合工程實際進行推理，找出了產生故障的根本原因，提高了直升機液壓系統的智能故障診斷水平。

1 液壓系統污染分析及故障樹模型構建

故障樹分析法(Fault Tree Analysis)具有層次性強、因果關系明確等特點，是液壓設備進行故障診斷的主要分析方法之一[4]。故障樹分析法結合液壓系統原理深層次的知識和領域專家的維修診斷經驗構建故障樹，明確直觀地反映出了診斷系統內部的邏輯關系。本文對直升機的“液壓系統污染”故障進行分析，并選取這一故障作為頂事件，找出系統中頂事件發生的所有直接和間接原因作為第二級事件，然后根據演繹分析法，再找出造成第二級事件發生的原因，這樣逐級查找下去，直至追查到頂事件發生的根本原因(底事件)。

故障樹分析的過程是一個對系統更深入認識的過程，需要分析人員把握系統的內在聯系，弄清各種潛在因素對故障發生影響的途徑和程度，以便在分析過程中發現問題，找出零部件故障與系統的邏輯關系，以確定系統的薄弱環節。

根據分析，此故障頂事件的發生從產生原因看主要可能由2個原因引起：內部污染和外部污染。內部污染指系統內部機件磨損、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。兩者只要出現其一，就會導致整個液壓系統污染，因此用“或門”將它們與頂事件相關聯。按照此分析方法，建立故障樹，如圖1所示。故障樹每個編碼所對應的事件，如表1所示。其中：T—頂事件，A、B、C—中間事件，X—底事件。

圖1 直升機液壓系統污染故障樹

表1 故障樹對應的事件列表

在故障樹中，割集是能使頂事件發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生，就能使頂事件發生的必要底事件集合。故障樹分析的目的就是找出系統的全部最小割集。

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，即從最下級的中間事件開始，按邏輯門表達式進行計算，自下而上直到將頂事件表達成基本事件乘積之和，再利用邏輯運算加以簡化，簡化后每一個乘積項就是一個最小割集。下行法，是根據故障樹的實際結構，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。系統故障樹布爾代數表達式為：

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)

利用布爾代數簡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 液壓系統污染故障實例

2.1 液壓系統簡述

直升機液壓系統的主要功能是在直升機飛行包線內，連續供給主、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正常工作。

通常情況下，直升機的液壓系統是雙余度系統。它有兩套完全相同且相互獨立的壓力供應系統，在正常的操縱情況下，兩套液壓系統同時為主、尾槳助力器提供液壓助力。任何一套液壓系統故障，另外一套液壓系統仍能夠繼續為主、尾槳助力器提供液壓助力，保證直升機安全著陸。

圖2為某型機液壓系統原理圖(單側單套)。該液壓系統由液壓泵、液壓油箱、安全閥、單向閥、自封閥、液壓油濾、壓力信號器及液壓導管等組成。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，當液壓油濾進出口壓差達到一定數值時，污染指示器紅色指示桿彈出，表示液壓油液污染等級高。在正常工作條件下，液壓系統油液污染度等級應優于NAS1638 9級[6]。

圖2 直升機液壓系統工作原理圖(單側單套)

2.2 故障情況描述

該型直升機在一次組織飛行訓練時，出現異常振動現象。飛機關車后進行檢查，發現液壓系統油濾污染指示器紅色指示桿彈出。

隨后，對液壓系統油液污染度進行了檢查，檢出左液壓系統取樣開關處油液污染度為11級，右液壓系統取樣開關處油液污染度劣于12級。從飛參記錄數據看，該架機整個飛行過程中液壓系統壓力穩定，液壓系統未出現任何告警信號，且助力器也未出現卡滯告警信號。檢測油樣中顆粒物發現有丁晴橡膠顆粒。

圖3和圖4所示為該型機拆卸下來的回油濾和壓力油濾的情況。外觀檢查結果為：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

運用前文所建立的故障樹模型對本次直升機的“液壓系統污染”故障進行診斷分析，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，此頂事件的發生主要可能由2個原因引起：A1(內部污染)和A2(外部污染)。

首先，針對導致A2(外部污染)發生的所有底事件進行分析?？紤]到該型機液壓系統為全封閉式液壓系統，且液壓油車進行了定期的污染度檢查，近期也未進行過液壓系統的附件拆裝等操作，因此，A2(外部污染)的因素可以排除。A1(內部污染)的因素應該是本次液壓系統污染的主要原因。A1(內部污染)考慮了下列方面的影響因素：

1) X1—液壓油氧化分解產生沉淀。該型機使用了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生沉淀造成污染的因素。

2) B1—內部機件磨損。針對丁晴橡膠顆粒污染物的來源進行排查，可將排查重點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污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)導致。

3) B2—內部機件鍍層脫落。由于發現的污染顆粒為丁晴橡膠，因此也可以排除系統內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污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)，發生C1主要由2個原因：底事件X4(固定密封磨損)和底事件X5(活動密封磨損)。下面將針對兩個底事件X4和X5進行重點排查，找到污染源，查出本次液壓系統污染的根本原因，才能真正完成故障診斷任務。

3.1 固定密封排查及分析

液壓系統歧管和附件多處使用了固定密封結構，且使用丁晴橡膠作為密封件。安裝后，由于不存在相對運動，密封圈不會損傷，即使在安裝時損壞，也只是在出廠試驗時會影響污染度，不至于產生持續的影響。根據上述分析，液壓系統歧管和附件的固定密封處不會產生丁晴橡膠顆粒。

液壓系統壓力油濾和回油濾也使用了固定密封結構，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產生丁晴橡膠顆粒。

3.2 活動密封排查及分析

液壓泵多處使用了活動密封結構，該液壓泵的運動副為金屬摩擦副，產生污染物以金屬為主。檢查液壓系統壓力油濾和回油濾表面，未見金屬顆粒。此外，若液壓泵產生橡膠顆粒污染物，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現橡膠顆粒。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筒結構，往復運動，使用了活動密封結構，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，只有液壓助力器產生的橡膠顆粒會停留在回油濾腔，同時不會對壓力油濾腔產生污染。通過初步分析，確定本次液壓系統的污染源為液壓助力器活動密封圈。

在隨后的液壓油污染度等級影響試驗中，在該型機液壓系統助力器試驗時發現，液壓尾助力器進、出口始終存在約2級的污染度等級差異，故確認液壓助力器橡膠件磨損是導致本次液壓系統污染的主要因素，回油濾前污染物的聚集是污染度超標的重要原因。

此結果和我們運用故障樹分析法得出的結論完全一致。

4 結束語

液壓系統故障具有隱蔽性、復雜性、隨機性、多樣性及分散性等特點，因此，在實際診斷過程中面臨許多問題，往往會使工程技術人員束手無策。本文采用基于故障樹的液壓系統污染故障診斷方法，最大限度地減少了測量、試驗次數并降低了對維修人員知識結構的要求，提高了故障診斷的效率和實用性。這種液壓故障診斷方法在實際應用中具有很好的推廣價值。