某型飛機伺服作動器非典型性故障分析

張麗 李玉柱 李勝國 劉曉杰 楊兆雷

摘要：針對某型飛機伺服作動器非典型性回中時間超差疑難故障，通過了解產品工作原理找出故障產生機理，建立故障樹進行逐項因素分析驗證，逐步查找故障原因，制定該故障的排故指南，可為后續工作提供指導。

關鍵詞：伺服作動器；回中時間；電磁閥

Keywords：servo actuator；return time；solenoid valve

0 引言

當前飛機的飛行控制系統越來越向數字化、電子化方向發展，機電一體化程度越來越高。某型飛機采用了先進的全權限、三軸、四余度數字式兼兩余度模擬備份的電傳操縱系統FBWS（FlyBy-Wire System），其中的伺服作動器作為該型飛機飛行制導和控制系統的重要組成部分，是飛行控制系統的執行機構，它接收來自飛控計算機的控制指令，并根據指令的要求控制操縱舵面的偏轉，同時將動力活塞桿位移和主控閥位移信號反饋給飛控計算機內的伺服作動器控制器，形成伺服作動器與飛控系統的閉環控制，完成飛機在液壓能和機械能之間的轉換，其性能直接決定了飛行控制系統乃至整個飛機的機動性、穩定性和安全可靠性。

1 故障描述

該型飛機伺服作動器在外場報故之后返廠檢修。故障安全性能測試過程中，作動器的2系統回中時間為130ms，與工藝要求（≤100ms）不符。

2 故障原理及原因分析

2.1 基本工作原理簡介

該型伺服作動器為液壓雙余度、電氣四余度復合型舵機，有三種工作模式：正常工作模式、單系統工作模式和故障回中工作模式。故障安全性能測試的回中時間，是模擬伺服作動器的故障回中模式，在系統失去工作壓力的狀態下伺服作動器進入回中模式的啟動時間。如圖1所示，在故障回中工作模式下，伺服作動器通過電磁切斷閥1與電磁切斷閥2的共同作用，切斷兩個液壓系統的工作壓力，轉換閥通過彈簧力的作用控制閥芯運動，將主控閥與作動筒之間的控制油路切斷，連通回中閥與作動筒的控制油路，使作動筒在回中機構的作用下回到中立位置。

回中時間超差是伺服作動器的常見故障，根據工作原理，建立伺服作動器回中時間超差故障樹，如圖2所示。

2.2 故障原因分析

1）轉換閥性能下降

轉換閥是故障回中模式下的轉換器，利用閥芯凹槽與閥套油路孔通過閥芯的左右運動控制油路的通斷。在故障回中模式下，I、II系統控制壓力為0，轉換閥閥芯、小活塞在彈簧力的作用下產生運動，切斷主控閥工作油路。

轉換閥屬于液壓類長閥組件，閥套長度為26mm，閥芯組件長度為23mm。閥芯組件的長度過長，在加工過程中極易產生變形，因此閥芯組件采用了柔性桿加常規閥芯的設計方式，采用彈性圓柱銷進行連接。柔性桿的最細部位為φ3.14mm，加裝材質較軟的銅襯套與閥套配合相互作用，可以很好地補償閥芯加工或者使用過程中產生的變形，降低加工難度，提高零件的適用性。

常規狀態下，轉換閥的閥芯產生變形或者襯套偏磨都會使閥芯運動摩擦力增大，是導致回中時間超差的重要因素。另外，轉換閥彈簧的彈性系數在使用過程中產生的性能下降也會導致回中時間超差。

對轉換閥閥芯進行圓柱度與圓跳動檢查，對轉換閥彈簧的伸縮力進行檢測，均在合格范圍內；檢查轉換閥襯套，不存在偏磨現象。

按照常規排故方法調整了轉換閥襯套，但故障現象仍然存在。因此，排除轉換閥導致該故障的可能。

2）回中閥性能下降

回中閥是故障回中模式的執行機構。回中模式啟動時，兩個SOV1全部切斷，回中閥芯在彈簧力的作用下，使搖臂組件連接于作動器的活塞與回中控制滑閥的閥芯之間，組成機液反饋控制系統，控制作動器回到中立位置。

因此，回中閥的彈簧力、閥芯與閥套的摩擦力都會直接影響回中時間。

對回中閥進行閥芯的同軸度和圓柱度檢測，對彈簧的伸縮力進行檢測，均在設計合格范圍內；對回中閥進行分組件級單獨的性能測試，性能合格。因此，排除回中閥導致該故障的可能。

3）電磁切斷閥1通斷異常

電磁切斷閥1為四余度通斷閥，采用電氣四余度的結構，有4個獨立的線圈。正常工作模式下，線圈通電，活動鐵芯產生磁力，推動頂桿使鋼球密封于油濾座，這時SOV1負載腔與回油溝通，其壓力為回油壓力。回中模式啟動時，飛控計算機發出線圈斷開電流信號，線圈失去電流后活動鐵芯磁力消失，推桿失去壓力，在進油壓力作用下鋼球密封于鋼球座，這時電磁切斷閥1的控制腔進油，使電磁切斷閥2與電磁切斷閥1溝通，形成回路，油路進入回中閥，回中模式啟動。因此電磁切斷閥1的通斷性能直接影響回中模式的啟動時間。

在舵機的整體調試中，“SOV驗證試驗”是專門針對電磁切斷閥1的性能測試。本臺舵機的測試過程中多次對該項性能進行測試，結果均在合格范圍內。

分解檢查推桿的磨損程度，無偏磨現象；顯微鏡檢查鋼球，表面質量完好，無損傷。因此，排除電磁切斷閥1的通斷異常導致回中時間超差的可能。

4）電磁切斷閥2性能下降

電磁切斷閥2為液壓類兩位三通閥，是切斷油路的關鍵部件，采用5.5mm的鋼球密封。如圖3所示，當SOV1斷電時，SOV2控制腔的壓力為高壓，由于控制腔與進油的面積差，鋼球密封于進油端，回油與負載腔相連，負載腔壓力為回油壓力，切斷油路。

伺服作動器在啟動故障回中模式時，由兩個系統的電磁切斷閥2與電磁切斷閥1聯合作用分別切斷各系統油路。通過不斷試驗，發現該伺服作動器的回中時間超差為單系統（系統2）超差。因此考慮是單系統的電磁閥故障。在排除電磁切斷閥1的故障之后，對系統2的電磁切斷閥2進行故障檢查。

將系統2的電磁切斷閥2分解，進行組件級試驗，測試結果表明其接通、斷開內漏均在合格范圍內，但是在斷開過程中發現負載腔壓力回零緩慢。負載腔壓力回零是否迅速，由鋼球與進油腔密封性是否良好決定，因此初步判斷鋼球與球座之間的密封性不好。

用顯微鏡檢查鋼球的表面質量，發現鋼球表面有壓坑，球座有輕微變形。

更換新的鋼球和球座后再次試驗，負載腔斷開壓力回零迅速。

將系統2的電磁切斷閥2重新裝入舵機進行測試，回中時間為80ms，試驗合格，故障排除。

3 結論

回中時間超差是伺服作動器的常見故障，一般情況下采用更換轉換閥銅襯套的方法排除，這樣操作只是依據經驗，沒有掌握排除該項故障的根本原理。本文以某型飛機伺服作動器回中時間超差故障為例，打破傳統排故方法，通過對舵機回中模式的工作原理進行分析，建立故障樹，對逐項原因進行分析驗證，確認電磁切斷閥2的鋼球與球座密封性不良是導致本次單系統回中時間超差的根本原因。另外，此次排故過程梳理了伺服作動器回中時間超差的各種因素，尤其是單通道的回中時間超差，對以后同類故障的分析排除有一定的指導作用。

4 預防措施

通過對此次排故過程的總結，為今后的修理工作提出以下改進措施：

1）電磁切斷閥2為自修產品，鋼球為必換件，目視檢查之后進行裝配。在后續修理過程中應加強對換新鋼球的表面質量檢查，避免鋼球表面質量不佳引起同類故障。

2）電磁切斷閥2球座修理后的檢查要求是零件雙面孔口壓窩表面質量應光滑，卻沒有具體的檢查手段和檢查標準。后續修理過程中應設置檢查手段及檢查標準，增加對電磁切斷閥2球座密封面的表面質量檢查。

3）電磁切斷閥2的修理試驗，除了要檢查接通斷開的漏油量，還應觀察負載腔壓力在接通斷開過程的變化是否迅速。

作者簡介

張麗，工程師，主要從事飛控系統技術研究與檢驗工作。

李玉柱，工程師，主要從事航空裝備修理質量監督。