某卡環內鎖作動筒嘯叫故障分析

鄒 衍，黃志軍，趙振貴，傅琳輝

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

在航空領域，液壓系統得到廣泛的應用。液壓系統往往是機械、電子和液壓技術相結合的高精密部件[1]，系統工作時嘯叫成為液壓系統常見故障之一。學者對液壓系統的嘯叫現象研究較多，陳元章[1]對伺服閥銜鐵組件的嘯叫問題進行了CFD分析發現，嘯叫時流體在產品內部產生了一明顯的狹長負壓區，通過改變產品內部結構，伺服閥嘯叫的問題得到解決。朱釩[2]等對溢流閥的噪聲進行研究發現，主要有三類噪聲，即機械噪聲、流體噪聲和結構噪聲，并提出通過減少氣穴，改進裝配等方法進行降噪。劉玉龍[3]針對飛機剎車伺服系統中壓力伺服閥的嘯叫問題展開理論研究、仿真分析和試驗探究，發現其嘯叫現象主要為相關組件受迫性高頻振動，影響因素包括滑閥結構參數、滑閥增益、前置級氣穴現象、死容腔氣泡和供油壓力脈動等。

作動筒是液壓系統中將液壓能轉變為機械能的執行機構[4]，本文針對某卡環內鎖作動筒活塞部件運動時出現的嘯叫現象，驗證了故障原因的正確性，同時提出了更有效的間隙檢測方法，給出了避免故障的解決措施，并通過試驗驗證了解決措施的可行性。

1 故障描述及初步分析

圖1為某卡環內鎖作動筒結構示意圖[5]。作動筒主要由外筒、保持器、活塞桿、活塞、卡環、彈簧和密封圈組成。保持器與活塞桿固連，保持器與活塞間裝有若干彈簧，活塞可沿活塞桿運動。作動筒一側設有卡環式內鎖，上鎖狀態時卡環處于自然狀態，開鎖后卡環處于收縮狀態。作動筒解鎖后，在液壓作用下活塞桿等部件沿外筒往復直線運動。

圖2為作動筒縮進運動示意圖。作動筒做縮進運動時，活塞在液壓作用下壓縮彈簧，與保持器端面貼合，推動活塞桿向左運動，同時活塞桿一端面與卡環貼合，推動卡環運動。此時彈簧腔幾乎為密閉空間。

圖3為作動筒伸出運動示意圖。作動筒做伸出運動時，活塞在液壓作用下與卡環斜面貼合，推動活塞桿向右運動。活塞與保持器端面脫離，形成彈簧腔與液壓油腔間的通路。

圖1 某卡環內鎖作動筒上鎖位置示意圖

圖2 作動筒縮進運動示意圖

圖3 作動筒伸出運動示意圖

試驗時發現，當作動筒做縮進和伸出運動時，都會發出持續的嘯叫聲。根據經驗，作動筒嘯叫的可能原因包括機械噪聲或者流體噪聲。機械噪聲又可分為振動噪聲和摩擦噪聲。由于作動筒運動較簡單且零部件剛度較強，排除振動噪聲的可能。作動筒工作時，卡環處于收縮狀態，卡環與外筒間必然存在摩擦作用，卡環收縮程度影響卡環與外筒間摩擦強度，故該摩擦是造成作動筒嘯叫的可能因素。

作動筒安裝完成后，由保持器、活塞桿和活塞包圍形成彈簧腔，彈簧腔與液壓油腔間的通路大小由保持器和活塞間隙保證。當該間隙過小時，作動筒運動時彈簧腔可能產生負壓作用，出現負壓腔甚至氣穴，從而導致流體噪聲。如圖2所示，作動筒做縮進運動時，理論上保持器和活塞完全貼合，間隙很小，彈簧腔幾乎為密閉空間；如圖3所示，作動筒做伸出運動時，理論上保持器和活塞間有一定的間隙，該間隙大小與多個零件公差有關。若由保持器和活塞間隙導致流體噪聲，則噪聲應出現在伸出過程，縮進過程不該產生噪聲。

2 尺寸鏈分析

圖4為作動筒相關尺寸參數示意圖。

圖4 尺寸示意圖

由圖4可知：

所以

根據作動筒零件尺寸及公差要求，公差范圍按均勻分布，隨機生成10000組尺寸，計算當d1=0時，卡環收縮后最大外徑D，結果如表1所示。

表1 D統計結果表

外筒內徑Dt理論值為75mm，由表1可知，卡環收縮后最大外徑有可能大于外筒內徑，故卡環與外筒間存在干涉，導致嘯叫故障。設收縮后卡環與外筒內壁徑向干涉量為dRN，統計表1中干涉量，如表2所示。

表2 dRN統計結果表

由表2可知，當前作動筒結構參數在考慮公差后，有不大于10%的概率出現卡環收縮后與外筒干涉的情況，其中，最大干涉量約為1mm。

本研究通過建立一套測定天然氣中重組分對MDEA溶液脫硫性能影響的室內實驗裝置，研究不同重組分對MDEA溶液吸收性能的影響規律，采用多因素方差分析篩選關鍵因素，并判定其影響程度大小，采用人工神經網絡建立天然氣中重組分不利影響的預測模型，準確找出天然氣中重組分不利影響與相關因素之間的隱藏關系，并確保此預測模型的誤差小于10%。

作動筒裝配要求如圖5所示。

圖5 裝配要求圖

由圖5可知，當d1=0.5mm時，必須保證d2=4±0.5mm。

由式（1）～式（5）可得

計算d2，當D≤Dt，d1=0.5mm 時，統計滿足要求的次數，結果如表3所示。

表3 d2統計結果表

由表3可知，當前尺寸參數及公差要求并不能100%保證滿足裝配間隙要求，合格率僅80%左右。

圖6 間隙實際測量示意圖

實際裝配時，沒有設計專門檢驗工裝，故圖4所示配合要求無法檢測，僅將保持器與活塞完全貼合，即d1=0時，測量d2，記為d2sc，如圖6所示。檢測時，若4≤d2sc≤5，則認為滿足裝配要求。

計算d2sc，統計相關結構，如表4所示。

由表 4 可知，當d1＜0.5mm 和D＞Dt時，d2sc范圍與檢驗范圍有重疊，說明當實際檢測時，某一作動筒滿足檢測要求，但理論上作動筒在實際安裝狀態時并不一定滿足設計要求，也無法排除卡環收縮后與外筒干涉情況。

表4 d2sc統計結果表

該問題作動筒d2sc=4.2mm，滿足檢驗要求，但實際卻出現嘯叫故障。故當前檢驗方法不可靠。

實測另一無故障作動筒d2sc=4.9mm，而卡環收縮后與外筒干涉時最大d2sc=4.75mm，說明檢測時，當d2sc偏上差時，有較大可能不會出現干涉情況。

3 解決措施

由上節分析可知，當前檢測方法不可靠，故應設計工裝測量安裝狀態d1和d2實際尺寸是否滿足設計要求。如圖7所示，設計一工藝筒，與活塞桿部件配合安裝后即可測量d1，再根據圖6測量d2sc，即可得到d2=d2sc-d1。

檢測后，若d1＜0.5mm，則必須修銼保持器與活塞配合端面，但修銼量有限制。

圖7 安裝狀態d1測量示意圖

由式（1）～式（5）可得

假設修銼量為dx2，則當d1=0時

此時d3必須大于彈簧并圈尺寸。

彈簧直徑dth=1.2mm，有效圈數為nth=11.5，同時考慮各尺寸極限偏差，則

故保持器端面修銼量不應超過1.92mm。

根據上述分析，對故障作動筒保持器端面修銼0.5mm，重新裝配后進行試驗，作動筒工作時未出現嘯叫現象。

4 結論

通過對某卡環內鎖作動筒嘯叫故障分析可得出以下結論：

1）卡環收縮后與外筒間干涉導致作動筒運動過程中出現嘯叫現象；

2）當前作動筒零部件尺寸和公差要求無法100%保障設計間隙要求，需裝配時對零件進行修銼或更改零件設計；

3）當前作動筒間隙檢測方法不可靠，需增加工藝筒，分步驟完成間隙檢測；

4）通過尺寸鏈分析，修銼保持器與活塞配合的端面，可以避免作動筒嘯叫現象，并得到試驗驗證。