某航空氣動作動器輸出力降低故障分析

齊廣峰 張 策 程珊珊

（1.海軍裝備部，西安 710077；2.慶安集團有限公司，西安 710077）

1 航空氣動作動器介紹

航空氣動作動器是指將氣壓能轉換為機械能，用于驅動飛機各功能部位的執行機構。從機械能輸出形式劃分，它通常包含直線輸出和旋轉輸出2種形式。本文中航空氣動作動器主要指直線輸出的氣動系統末端執行機構，常集成極限位置鎖定、控制閥組、行程檢測以及信號反饋等多種功能。

液壓作動器在飛機上應用廣泛。相比液壓作動器，氣動作動器在飛機上使用相對較少。氣動作動器常應用于要求能夠快速且可靠響應的場景，如應急系統或救生系統。

與液壓作動相比，氣動作動技術具有能源清潔環保、安裝和維護簡單、氣動元件可靠性較高以及耐環境性好（耐高溫、防潮和防火）等優點。但是，高壓氣動系統存在噪聲大、沖擊大等缺點。

氣動作動器為氣動系統的核心元件。研究人員對氣動作動器開展了大量研究，通過研究分析及實際應用，確定了氣動作動器的多種失效模式。其中，沖擊引起的承力件變形及連接失效和過度磨損引起的密封圈變形失效及泄漏較為多發。

2 某航空氣動作動器輸出力降低故障原因分析

氣動作動器耐久性測試方法分為循環工作試驗法和加速壽命試驗法2種。循環工作試驗法是指在額定工況下不斷循環工作，檢查工作過程中產品性能的變化，優點為試驗環境與真實使用環境吻合度較高，但耗時過長。加速壽命試驗方法為確定應力-壽命模型，通過提高應力加快產品故障發生，縮短試驗時間。加速壽命試驗是將高應力水平下的壽命特征代表正常應力水平下的壽命特征，主要缺點為應力-壽命模型錯誤將導致試驗結果不準確。

2.1 輸出力降低故障

發生輸出力降低故障的某飛機艙門用氣動作動器，其壽命試驗采用常規的循環工作試驗法。試驗過程中施加氣壓、液壓以及外部載荷等應力。

該作動器在壽命試驗臺上安裝時，作動器伸出腔與增壓氣源連接，收進腔與緩沖油液循環系統連接。外載通過液壓加載缸提供，產品與加載缸間連接力傳感器，用于監測輸出力大小。試驗臺組成如圖1所示。

試驗時作動器處于收進位置，液壓加載缸給產品施加恒定的最大外載，然后調節氣源增壓裝置出口壓力閥，給產品伸出腔通額定工作氣壓，在氣壓作用下活塞克服外載伸出，同時將收進腔中的油液壓回到緩沖油液循環系統中，最后外載卸載后加壓將產品活塞收回，至此完成產品壽命試驗中的一個工作循環。

故障發生時，作動器活塞處于收進極限位置。給作動器活塞施加逆載4 000 N，然后試驗設備給作動器伸出腔通19 MPa高壓氣體，作動器活塞不工作。當外界逆載降低至2 400 N時，作動器活塞可以推動負載伸出，此時作動器出現輸出力降低故障。

2.2 輸出力降低原因排查

故障發生后，采用故障樹分析的方法分析故障原因，以輸出力不足作為故障樹分析的頂事件，共總結出10種可能導致產品輸出力不足的故障因素。故障原因主要包含試驗臺原因和產品自身原因兩大類。

圖1 壽命試驗臺組成

圖2 氣動作動器故障樹

2.2.1 試驗臺原因排查

發生輸出力降低故障時，已對試驗臺進行了詳細排查，排查過程中未發現異常。

通過檢查整個輸氣管路未發現破損及泄漏情況，可排除試驗臺進氣不暢（X1）和輸氣管路泄漏（X3）的因素。

現場檢查壓力表、力傳感器的合格證，壓力表和力傳感器經過校驗均合格，同時對傳感器及壓力表進行校驗，結果合格，因此排除壓力表指示錯誤（X2）和力傳感器指示錯誤（X4）導致故障的可能。力傳感器指示正常也間接表明試驗臺的加載系統正常，可排除加載缸故障和輸出力超大（X5）的因素。

某飛機艙門用氣動作動器在有桿腔充滿液壓油，當產品無桿腔通氣壓使活塞快速伸出時，有桿腔油液流經節流閥回到飛機油箱，以控制作動器運動速度及防止沖擊。如果回油不暢，可能導致作動器活塞無法伸出。故障發生后，檢查試驗臺液壓回路，未發現堵塞等情況，排除試驗設備回油不暢（X6）的因素。

對試驗臺導軌和加載缸等摩擦力進行測量，試驗臺導軌摩擦力為56～120 N，加載缸啟動壓強（液壓作動器通過測試活塞啟動壓力來表征其摩擦力）為0.15 MPa，摩擦力無異常，因此可排除試驗臺摩擦力過大或卡滯（X7）的因素。經過仔細排查，試驗臺能源系統、加載系統及傳感顯示系統無異常，試驗臺合格，因此輸出力不足故障由產品原因導致。

2.2.2 產品原因排查

產品自身原因導致輸出力降低的故障樹底事件較少，經分析共有3條，分別為產品設計的輸出力不足（X8）、產品密封失效導致氣體壓力無法建立（X9）及作動器內部實際承壓面積小于設計面積（X10）。

該飛機艙門用氣動作動器前期進行大量輸出力測試和帶載工作測試，均無問題，同時設計校核滿足輸出力要求，可以排除產品設計的輸出力不足（X8）因素。

產品輸出力降低故障發生后，隨機對故障件進行了保壓測試，產品密封狀態良好，未發現泄漏情況，可排除產品密封失效導致氣體壓力無法建立（X9）的因素。

至此，故障樹對所有可能的故障因素進行了逐一排查，其中涉及試驗臺的輸氣管路泄漏、力傳感器指示錯誤、加載缸故障、試驗設備回油不暢、試驗臺加載運動機構摩擦力大或卡滯等因素通過檢查逐一排除，涉及產品的故障因素中，輸出力設計錯誤、密封失效等因素通過設計復查及密封性試驗進行了排查，僅有試驗時產品實際承壓面積不足因素。由于無有效排查方案，X10故障因素待排除。

故障排查中發現，輸出力不足故障并非一直存在。排查試驗中，偶爾出現輸出力恢復正常的情況。當在壽命試驗臺上試驗時（見圖1），先施加外載荷將活塞壓到收進極限，再給產品供壓，會出現輸出力不足情況。如果將加載裝置固定，給氣壓作動器供壓使其產生輸出力時，輸出力檢測正常。該兩項試驗的區別僅為活塞是否處于收進極限位置，當活塞處于收進極限位置時會出現輸出力不足問題。活塞離開極限位置即使只有0.5 mm，其輸出力馬上恢復到滿足要求的狀態。為了進一步深入排查故障，需分解檢查產品。

分解產品檢查時發現，產品活塞端面存在白色潤滑油脂集聚的異常情況，結合前期排查時發現的活塞處于極限位置才發生輸出力降低的故障現象，至此基本可以判定輸出力降低故障的原因為潤滑脂進入活塞端面使產品承壓面積不足，如圖3所示。

圖3 活塞端面存在潤滑油脂

為了驗證故障原因的正確性，清洗去除白色潤滑油脂后重新裝配產品進行試驗，輸出力不足故障消失。

進一步排查潤滑油脂來源發現，裝配時為了密封圈裝配順滑，裝配人員在密封槽內部及密封圈上涂抹了大量潤滑油脂，裝配時擠壓及產品通壓工作時氣壓對密封圈的擠壓，導致多余油脂溢出進入活塞端面，從而導致輸出力不足故障發生。

2.3 故障機理分析

通過故障排查，產品活塞端面與結構貼合處異常進入潤滑油脂并形成潤滑脂膜。高壓氣體作用到活塞與結構貼合面前，需要破壞該膜層。根據研究，當膜厚逐漸減小時（外載荷越大，活塞端面與結構貼合度越好），該膜層破壞所需要的剪切力越大。當膜層厚度無限接近分子量級時，膜層還會出現微“結構化”現象（類固體化），破壞更難。因此，工作時的19 MPa氣壓不足以破壞潤滑脂膜，導致承壓有效面積減小，輸出力降低。

從產品設計角度看，氣動作動器為了防止活塞收進到極限位置與結構吸合的情況，均需在活塞端面開通流槽（不設計成完整平面），使氣壓/液壓能夠通過并直接作用在活塞端面，同時活塞端面開槽還能防止吸合破壞時產生的工作異響。本次發生故障的飛機艙門氣壓作動器，設計時未在活塞端面設計通流槽結構，違反了設計規范要求。潤滑脂進入到沒有通流槽的活塞端面，導致實際承壓面積較小，輸出力降低。

3 多余物對氣動作動器的影響

本次氣壓作動器輸出力降低故障的根本原因為裝配環節多余物控制不到位，是人為引入了多余物并導致故障的典型案例。反思設計、制造、裝配及試驗等各環節工作，存在多種違反航空產品研制規范的情況。

航空氣壓系統的內部控制閥較為精密。如果系統內介質存在多余物（航天和航空將所有不屬于系統內部的異物統稱為多余物），工作時極易導致閥的堵塞而影響系統功能實現。本氣壓作動器裝配時違反設計要求，產品內部零件使用潤滑油脂作為裝配潤滑介質，且使用量較大，使系統內部人為引入了異物。除對產品功能的實現造成影響外，作為應急系統使用產品，還有可能導致整個系統失效，造成重大損失。

3.1 多余物對航空產品的危害性

多余物是造成航空產品低層次質量問題的重要原因。近年來，飛機試飛過程先后發生多起多余物問題，導致飛行事故癥候、機體損傷，出現多余物問題增加的苗頭。例如：某平尾作動器內部襯套與閥芯端面間存在多余物，造成閥芯無法按要求運動，出現平尾作動器回中故障，屬飛行事故癥候；某發動機主泵調節器擋板活門槽腔內有多余物，導致發動機主燃油系統失效，飛機墜地燃燒損毀，發生二等飛行事故。

由多余物導致的飛機故障占故障總數的1.5%左右，給飛機安全帶來嚴重危害，同時帶來巨大的經濟損失。

現代飛機結構復雜，空間緊湊，機載設備多，形成許多封閉區域和遮蔽區域。多余物一旦進入，按照常規的檢查方法往往很難發現。由于形成飛機多余物的物質種類非常多，多余物進入飛機的環節和途徑也非常多，加之多余物具有隱蔽性和可移動性，使多余物具有不確定性，給飛機安全帶來了嚴重危害，危及飛行安全。因此，預防和控制多余物對保證飛機安全意義重大。

3.2 航空產品多余物控制方法

多余物控制都是重要工作內容之一，貫穿航空產品整個生命周期（設計研發、制造、裝配、試驗、包裝、儲運、服役、翻修、報廢），其中設計研發、制造及裝配、試驗是防治多余物的重要階段。只有從航空產品整個生命周期內的多個維度進行多余物控制，才能保證產品安全使用。

設計研發是航空產品從無到有的關鍵環節之一。產品設計時應充分考慮預防多余物，保證選擇的原材料、元器件、成件等不會在產品試驗和使用過程中產生多余物。產品結構應采用便于檢查、清除多余物的設計結構，不采用易損傷、易脫落的熱處理及表面處理，不選用不牢靠的連接形式。此外，關鍵部位如重要閥、精密機構等應設計有濾網或防塵罩等，從設計源頭杜絕多余物的產生。

制造及裝配環節是航空產品從理論設計到實物產出的重要環節。制造方面應合理選擇工藝方法和工藝流程，確定工藝分界面，以防多余物的產生。裝配方面應通過規范化且專業化的檢查、零件清洗、修配、調試以及產品清洗等流程，切實防止實物制造過程中多余物的產生。

產品裝配完成后，需通過試驗驗證其功能性能是否達到指標要求。試驗環境檢查和試驗操作過程中，多余物的預防和檢查內容細節化、規范化可有效防治多余物，確保產品的質量和使用安全。

4 結語

氣壓/液壓作動器作為整個系統末端執行機構，重要性不言而喻。通過對某氣壓作動器輸出力降低故障原因分析，查找出輸出力降低的原因，并成功解決故障。此外，通過對某氣壓作動器人為引入多余物導致故障的問題進行反思，分析多余物對航空產品的不利影響，闡述了航空產品多余物的控制方法，可為航空產品多余物控制提供借鑒。