某型飛機液壓泵磨損故障分析

文/李永彬 程巧怡（國營蕪湖機械廠）

一、引言

液壓泵作為飛機的動力源，為飛機提供高壓液壓油，使飛機按照預定飛行姿態和軌跡對各執行機構進行驅動和控制，在飛機起飛、飛行操縱、著陸過程中起著十分重要的作用[1]。

液壓泵的故障模式多為空化現象、內部異常磨損。張鶴然[2]以某型航空燃油柱塞泵為研究對象，介紹了燃油柱塞泵工作原理和特性，詳細分析了空化現象的產生機制及影響空化發生的因素，提出優化配流盤阻尼槽結構達到抑制空化現象的改進措施，并獲得了試驗驗證。張一夫[3]針對某小型飛機液壓泵失效故障進行分析，找出電機碳刷過度磨損的原因，認為是由于液壓油的異常浸入而加速了碳刷的磨損，根據故障結論提出了維護建議。左子璋[4]根據AIR1922A 中對應轉速和排量的柱塞式液壓泵臨界入口壓力的要求，結合某型機主液壓泵工作原理和實際安裝位置以及外場故障現象，對在航線運營中發生的主液壓泵典型故障進行了分析與診斷。本文對某型飛機液壓泵磨損故障進行了分析，提出了有效的改進措施。

二、概述

液壓系統在飛機中廣泛應用，其工作特點可以概括為動作速度快、壓力和溫度高[5]。液壓系統主要由油箱、液壓泵、應急電動泵、蓄壓器以及各功能執行系統構成。某型飛機液壓主要完成起落架收放、主起落架機輪剎車、襟翼收放、前輪轉彎等工作，這些動作均由液壓泵提供液壓能源，液壓泵是飛機液壓系統的核心能源裝置[4]。

某型飛機在進行地面試車時，出現平尾抖動現象，發現飛機第Ⅱ液壓系統壓力從28 MPa 降到22 MPa，隨后系統壓力在22 MPa 到26 MPa 范圍內波動，最終壓力保持在22 MPa 波動，此時殼體回油濾壓差信號器安全帽跳起。在飛機系統接油口處接油進行實驗室檢查，外觀目視發現油液為鮮紅色，經實驗室檢查后，油液實驗室檢查等級為GJB 420B-10 級[6]；隨后分解殼體回油濾，其濾芯為工藝濾芯，發現濾杯油液呈灰黑色，用白色綢布過濾油液，有少量均勻細小的金屬屑，初步分析判斷為由液壓泵磨損導致的飛機第Ⅱ液壓系統壓力變化異常。

三、原因分析

1.五件產品分解情況

為進一步分析飛機第Ⅱ液壓系統壓力變化異常的原因，對液壓泵、高壓油濾、低壓油濾、液壓油箱、散熱器等5 項產品進行分解檢查，相關檢查與分析情況如下。

（1）液壓泵分解情況：故障液壓泵總使用時間為隨發動機時間，即1241 小時35 分（約4 年零5 個月）；分解前檢查液壓泵外部保險完整，取出尾部花鍵軸測轉動力矩為8 N·m，有卡澀情況，不滿足工藝轉動靈活要求；分解進油口、出油口和回油口堵蓋，倒出液壓泵內腔液壓油，進油口液壓油和出油口油液有少許金屬懸浮物。從殼體組件上將斜盤安裝座組件取出，檢查轉子端面和分油盤表面無異常脫落、磨損，密封帶位置無異常磨損缺口，滾柱軸承滾柱無異常剝落，軸承無異常磨損，安全活門處的卡圈未斷裂、脫落，內部保險完整，支柱等內部零件無異常磨損、剝落。檢查轉子組件旋轉有卡澀，柱塞組件在轉子組件孔中往復運動有卡澀感。拆下軸承、轉子組件，檢查發現轉子內孔都有劃傷。測量斜盤處柱塞滑靴活動間隙0.56～0.74 mm，尺寸異常。拆去止動墊片保險，將柱塞從斜盤組件上分解下檢查柱塞滑靴端面有異物輥壓痕跡，其中三個滑靴面有不同程度損傷。發現夾緊墊圈和分離片異常磨損，分離片外圈已被磨去呈圓環。檢查石墨環組件完整無損傷、崩角。從分解現象來看，本次故障分離片與夾緊墊圈處磨損較大，產生大量金屬屑和高溫，導致內腔油液碳化發黑。造成液壓泵磨損的原因需要確定。

（2）高壓油濾分解情況：從外觀進行檢查無異常，安全活門的氟塑料密封面狀態完好，倒出進口、出口油液，油液含有少許雜質。濾杯有少許金屬雜質，有黑色顆粒物質殘存，濾芯有部分壓痕、斷絲。

（3）低壓油濾分解情況：對外觀進行檢查無異常，安全活門的氟塑料密封面狀態完好；倒出進口、出口油液，油液含有少許雜質；濾杯有少許金屬雜質，濾芯有部分壓痕、斷絲。

（4）液壓油箱分解情況：產品實物與履歷信息一致，保險及外觀檢查無異常；對液壓油箱進行分解，倒出內部油液，未見大量金屬屑。液壓油箱內部正常。

（5）散熱器分解情況：產品實物與履歷信息一致，保險及外觀檢查無異常；倒出散熱器內油液，有少量金屬懸浮，未見大量金屬屑。

綜上，從分解情況來看，液壓泵的夾緊墊圈與分離片磨損，產生細小金屬屑，造成殼體回油濾流阻過大，指示器跳出。液壓油箱內部、系統高低壓油濾內部油液及污染物較少，與液壓泵殼體回油濾不同，間接說明了液壓泵回油過濾器未完全失去功能，沒有造成下一級產品的較大污染。

2.液壓泵磨損故障分析

根據故障液壓泵的分解情況，并結合故障樹分析，如圖1 所示，首先對液壓泵內主要雜質進行成分確認，接著就斜盤處柱塞滑靴活動間隙尺寸異常問題檢查滑靴端面的壓傷情況，最后就夾緊墊圈和分離片異常磨損的問題對其磨損表面進行檢測與分析。

圖1 故障樹分析

（1）液壓泵內主要大塊金屬雜質的金屬成分確認：將液壓泵內主要大塊金屬雜質大都存在于主軸上、主軸端面以及油泵內部。主軸上的金屬屑以鐵質金屬為主，未發現異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖2 所示；主軸端面的金屬泥以鐵質金屬為主，未發現異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖3 所示；油泵內部小顆粒雜質以銅質金屬為主，未發現異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖4 所示。

圖2 主軸上金屬屑成分

圖3 主端面金屬泥成分

圖4 油泵內小顆粒雜質成分

（2）滑靴端面壓傷檢查：在景深劃傷儀電鏡下觀察滑靴壓傷處缺口，缺口有凹坑，為明顯的異物犁鏵、輥壓痕跡，邊緣處存在擠壓毛刺。

（3）夾緊墊圈磨損檢查：夾緊墊圈2/3 圈有磨損，在殼體內對應的區域為吸油區。將夾緊墊圈損傷部位放大進行檢測，發現夾緊墊圈擴散焊銅層有藍色絲狀鑲嵌物，可以確定藍色絲狀物為異物。對夾緊墊圈表面進行電鏡檢查，發現磨損表面有多處夾雜物，為不規則絲狀異物，有的已嵌入銅層。

對絲狀異物材料成分進行分析，若材料為金屬物，在電鏡下呈灰暗色，非金屬呈亮色。圖5、圖6 展示了夾緊墊圈上異物的成分分析圖，該絲狀異物為亮色，材料成分以C、O 為主，可以確定為其他外來異物。

圖5 夾緊墊圈鑲嵌異物1 金屬成分分析圖

圖6 夾緊墊圈鑲嵌異物2 金屬成分分析圖

（4）轉子孔磨損檢查：圖7 展示了滑靴與轉子孔照片磨損情況，分別為9 個柱塞孔不同程度的磨損，其中3#、7#、8#孔磨損已穿透到底部。

圖7 滑靴與轉子孔照片磨損情況示意圖

3.液壓泵修理情況核實及運轉情況分析

從裝配角度來看，影響夾緊墊圈與分離片磨損的關鍵尺寸、數據有：夾緊墊圈與分離片的平面度、配合間隙、螺釘處擰緊力矩，但這些參數在修理記錄中均滿足要求。且修理過程中在試驗臺上試驗時間約為6 h，根據磨合試驗后二分檢查看，斜盤組件部分正常，無磨損，而裝機試車約1 h 出現故障，說明該現象異常。

而修理導致故障的可能性有兩個方面：其一是產品內部間隙調整不當，安裝不到位，導致運轉時不平穩，局部受力大，快速磨損，但是結合油泵修理過程，尤其是磨合分解檢查、重新裝配性能試驗及油液污染度檢測，并結合修理記錄返查、實物分解檢查，該原因的可能性極低；其二是產品在修理過程中，零部件有毛刺或掉塊，修理過程中污染度控制不當導致運轉時摩擦副進入異物，破壞潤滑，導致磨損失效。在產品完成性能檢測后分解接頭導管并安裝堵蓋時雖然存在污染的可能性，但該過程時間短，動作簡單，可能性較低。

該架飛機開車不到1 h，出現嚴重的磨損，并且磨損顆粒極細。按液壓泵分解檢查情況，磨損只集中在斜盤組件運動部位，明顯異常位置為滑靴頭部。根據液壓泵內部機械運轉和流體運動的情況，結合故障現象可以確定在吸油區柱塞滑靴給分離片的壓力過大，或分離片和夾緊墊圈間存在異物，會導致結合部位油膜被破壞，出現非正常的工作磨損。

若是由于分離片和夾緊墊圈間存在異物而造成的磨損現象，則異物進入油路的途徑為：異物在吸油區被吸入，經過轉子孔、滑靴導油槽等，最后進入夾緊墊圈磨損分離片。異物在滑靴端面受滑靴旋轉（離心力）和油膜擠壓（推力）向滑靴外周圓移動。由于滑靴所在圓周角速度和夾緊墊圈與分離片接觸面的角速度相同，但夾緊墊圈與分離片接觸面的線速度比滑靴所在圓周線速度大，根據伯努利方程[7]，滑靴處壓力大于接觸面處壓力，異物被吸入夾緊墊圈與分離片接觸面中，造成異物磨損。

若是由于柱塞滑靴給分離片的壓力過大而造成的磨損現象，則其可能原因為：油泵進口壓力低，吸油負壓大；異物進入柱塞和轉子、柱塞球頭和滑靴、滑靴和底板之間，出現偏磨；油液含氣量偏大。上述可能導致油泵柱塞吸、壓油時運動受力不平穩，運動副卡滯，有偏斜或脈動，在由底板支撐滑靴向分離片支撐滑靴，作用力進行換向時變化劇烈，不能平滑過渡，油膜被破壞，從而出現非正常的工作磨損。

三、分析與討論

從五件產品的分解情況可以發現，液壓泵的夾緊墊圈與分離片磨損，產生細小金屬屑，造成殼體回油濾流阻過大，指示器跳出。液壓油箱內部、系統高低壓油濾內部油液及污染物較少，與液壓泵殼體回油濾不同，間接說明了液壓泵回油過濾器未完全失去功能，沒有造成下一級產品的較大污染。

針對雜質成分、壓傷端面、磨損表面的能譜分析并結合故障樹分析，從裝配角度來看，影響夾緊墊圈與分離片磨損的關鍵尺寸、數據等這些參數在修理記錄中均滿足要求。修理過程中在試驗臺上的試驗時間約為6 h，磨合試驗后進行二分檢查，結果顯示斜盤組件部分正常、無磨損現象。而裝機試車約1 h 出現故障，說明該現象異常。按液壓泵分解檢查情況，磨損只集中在斜盤組件運動部位，明顯異常位置為滑靴頭部。根據液壓泵內部機械運轉和流體運動的情況，結合故障現象可以確定在吸油區柱塞滑靴給分離片的壓力過大，或分離片和夾緊墊圈間存在異物，會導致結合部位油膜被破壞，出現非正常的工作磨損。

四、結論及改進措施

油泵在磨合試驗后經分解檢查合格，重新恢復裝配并性能復測合格，在修理過程中油泵運轉時間約為6 h，經過在線油液污染度檢測合格后交付。故障泵裝機后短時間內快速失效，同時結合分解檢查的情況，以及對高壓油濾濾杯發現的黑色顆粒及其他磨損物成分進行分析，外來異物磨損液壓泵的可能性極大。從油泵修理過程加強油液污染控制，建議內、外場加強系統油液污染相關控制，做好地面加油時油車、加油接頭清洗等工作。對修理工卡中產品的間隙記錄由原來的9 個范圍值改成81 個點實測記錄。關注液壓系統油液污染度，定期檢查三型油濾濾芯并定時清洗。內場使用的工藝濾芯應嚴格檢查濾芯質量，做好清洗工作。注意液壓系統油液含氣量，需要經常放氣，避免因氣塞造成摩擦副干磨損。注意檢查油箱增壓壓力，防止壓力過低導致液壓泵磨損。