某型飛機(jī)座艙蓋液壓系統(tǒng)含氣故障分析與改進(jìn)

摘要：該文針對(duì)某型飛機(jī)由于座艙蓋液壓系統(tǒng)含氣引發(fā)的故障，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)工作原理分析故障發(fā)生的原因，采取組建地面聯(lián)調(diào)聯(lián)試環(huán)境、機(jī)上實(shí)際工況驗(yàn)證、周期性驗(yàn)證等方式，驗(yàn)證了導(dǎo)致座艙蓋液壓系統(tǒng)進(jìn)氣的多種可能，找出了導(dǎo)致座艙失密的關(guān)鍵影響因素，制定了檢測(cè)方法，增加了控制措施，消除了質(zhì)量隱患，以確保裝備安全。

關(guān)鍵詞：座艙蓋液壓系統(tǒng)；進(jìn)氣；座艙失密；余壓控制

1概述

在液體系統(tǒng)中進(jìn)入空氣后會(huì)降低系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)力下降、壓力不穩(wěn)定。通常認(rèn)為，溶解于液體中的空氣一般不會(huì)影響油液的體積彈性模量［1］，也不會(huì)對(duì)液壓油的品質(zhì)造成影響，但一旦溶解的氣體因局部低壓從油液中析出形成氣泡，或者在液體加注過(guò)程中帶入空氣，部附件密封不良在工作過(guò)程中吸入空氣，都將形成游離在液體中的氣體，對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓元件造成嚴(yán)重的影響和危害。

2故障概況

構(gòu)建密閉式座艙，是飛機(jī)對(duì)乘員進(jìn)行環(huán)境控制的前提，空中失密可能造成乘員艙空氣壓力快速下降，乘員空中缺氧等情況，是現(xiàn)代飛行器必須避免的故障。對(duì)于某型飛機(jī)而言，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，座艙蓋的開(kāi)關(guān)過(guò)程與鎖閉，是由氣液兩種工作介質(zhì)共同參與，在一次飛行過(guò)程中出現(xiàn)座艙失密，經(jīng)查故障原因?yàn)樽撋w液壓操縱系統(tǒng)混入氣體，放出油液呈乳化現(xiàn)象（圖1），導(dǎo)致座艙蓋液壓操縱系統(tǒng)未能可靠鎖定，飛行過(guò)程中座艙蓋操縱作動(dòng)筒緩慢伸出，最終導(dǎo)致座艙密封失效，同年類(lèi)似的問(wèn)題再次發(fā)生，急需對(duì)液壓系統(tǒng)含氣情況進(jìn)行研究，以避免液壓系統(tǒng)進(jìn)氣影響飛行安全。

3系統(tǒng)工作原理

該型機(jī)座艙蓋系統(tǒng)主要由座艙蓋操縱作動(dòng)筒、油箱、氣動(dòng)操縱開(kāi)關(guān)等部件組成，座艙蓋操縱系統(tǒng)由氣、液兩種工作介質(zhì)共同參與工作，正常工作時(shí)氮?dú)庾鳛楣ぷ鲃?dòng)力源，液壓介質(zhì)僅隨動(dòng)流動(dòng)。

當(dāng)氣動(dòng)開(kāi)啟座艙蓋時(shí)，自減壓器組件提供的高壓氣體進(jìn)入座艙蓋操縱作動(dòng)筒的氣壓腔下部，座艙蓋手動(dòng)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)的氣壓作動(dòng)筒和液壓油箱的氣壓腔內(nèi)。氣體進(jìn)入氣壓作動(dòng)筒后，氣壓作動(dòng)筒工作將操縱開(kāi)關(guān)的活塞桿移至中立位置，液壓油可自由地從活塞桿的上腔轉(zhuǎn)入活塞下面的腔，解除座艙蓋作動(dòng)筒的鎖定狀態(tài)（圖2）。

此時(shí)進(jìn)入座艙蓋操縱作動(dòng)筒氣壓腔下部的工作氣體推動(dòng)氣壓腔活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，使座艙蓋開(kāi)啟。（圖2打開(kāi)狀態(tài)）。當(dāng)內(nèi)、外開(kāi)啟手柄回復(fù)中立位置時(shí)，座艙蓋操縱開(kāi)關(guān)切斷向氣壓管路的供氣，系統(tǒng)內(nèi)殘余的氣壓反向通過(guò)座艙蓋操縱開(kāi)關(guān)連通大氣的殼體排入大氣，操縱開(kāi)關(guān)的活塞桿回復(fù)初始位置，截?cái)嘁簤和ǖ溃i定座艙蓋操縱作動(dòng)筒的活塞桿（圖2鎖定狀態(tài)）。

座艙蓋關(guān)閉時(shí)與上述工作情況類(lèi)似，僅高壓氣體進(jìn)氣通道變?yōu)樽撋w操縱作動(dòng)筒的氣壓腔上部，座艙蓋手動(dòng)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)的氣壓作動(dòng)筒和油路活門(mén)的氣壓腔內(nèi)。

4故障原因分析

根據(jù)系統(tǒng)原理，分析造成座艙蓋液壓系統(tǒng)內(nèi)有氣的可能原因有三點(diǎn)。第一，由于系統(tǒng)由氣液兩種工作介質(zhì)共同參與工作，兩種介質(zhì)在座艙蓋操縱作動(dòng)筒、油箱、油路控制活門(mén)處有氣液間隔結(jié)構(gòu)，工作隔離面之間存在工作介質(zhì)交換的可能，從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)氣。第二，液壓油中含氣量高，在工作過(guò)程中由于壓力變化和溫度變化導(dǎo)致油液中融入的氣體析出，融合后形成游離氣體態(tài)。第三，由于該型機(jī)座艙蓋液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件較少，系統(tǒng)總體油量較少，加油等過(guò)程中一旦帶入氣體，很容易對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)較大的影響。為此建立故障樹(shù)如圖3所示。

5失效驗(yàn)證

5.1液壓油中氣體析出驗(yàn)證

由于油液中氣體會(huì)隨著壓力的變化和溫度的變化不斷發(fā)生溶解和析出現(xiàn)象，座艙蓋在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，液壓系統(tǒng)的壓力隨氣動(dòng)系統(tǒng)工作介質(zhì)和座艙蓋重力的影響，壓力產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)［2］。測(cè)量實(shí)際工況下，座艙蓋液壓系統(tǒng)的壓力波動(dòng)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)座艙蓋關(guān)閉并鎖定后，實(shí)際座艙蓋液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力基本均衡，正常情況下，座艙蓋操縱作動(dòng)筒下腔的壓力，源自油箱彈簧產(chǎn)生的壓力，計(jì)算油箱理論可產(chǎn)生的最大液壓力可知，油箱內(nèi)部彈簧可產(chǎn)生0118MPa的液壓壓力，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)穩(wěn)定后的余壓基本保持在（0.1～0.12）MPa（壓力波動(dòng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4）。根據(jù)某型機(jī)飛行包線(xiàn)和大氣溫度高度變化情況，可知座艙蓋液壓系統(tǒng)溫度在（+40～-25）℃范圍之間。

將所有產(chǎn)品安裝在可靠性試驗(yàn)中心試驗(yàn)臺(tái)雙座壽命試驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)臺(tái)），安裝壓力表用于記錄作動(dòng)筒液壓上腔、液壓下腔、手動(dòng)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)油箱腔壓力值，完成注油、排氣，常溫條件下開(kāi)關(guān)座艙蓋20個(gè)循環(huán)，記錄液壓系統(tǒng)各個(gè)腔的壓力變化情況，由于游離態(tài)的氣體無(wú)法通過(guò)在線(xiàn)的方法檢測(cè)，因此每執(zhí)行一定次數(shù)的開(kāi)關(guān)循環(huán)工作，通過(guò)向系統(tǒng)加注液壓油的方式，將系統(tǒng)中的空氣擠出，測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的氣體。

由于實(shí)際飛行的工況主要處于低溫環(huán)境，在常溫試驗(yàn)完成后將系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試環(huán)境整體降至-25℃，再次開(kāi)關(guān)座艙蓋20個(gè)循環(huán)，記錄液壓系統(tǒng)各個(gè)腔的壓力變化情況，再次測(cè)量系統(tǒng)中是否有氣。通過(guò)常溫和低溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工作過(guò)程中氣體自液壓油中析出情況不明顯，說(shuō)明短時(shí)工作情況下液壓油中析出的氣體不影響系統(tǒng)功能，試驗(yàn)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

5.2產(chǎn)品串氣驗(yàn)證

計(jì)劃通過(guò)機(jī)上實(shí)際工況，驗(yàn)證超差零部件裝機(jī)后是否能夠造成氣液互串的可能，即換裝密封處有損傷的座艙蓋操縱作動(dòng)筒、油箱、油路控制活門(mén)。按照外場(chǎng)周期性使用當(dāng)量計(jì)算，通過(guò)開(kāi)關(guān)座艙蓋，實(shí)際模擬外場(chǎng)使用情況，驗(yàn)證在一定工作循環(huán)后，系統(tǒng)是否出現(xiàn)功能超差，檢查是否發(fā)生氣液互串情況。

按方案換裝超差產(chǎn)品開(kāi)關(guān)座艙蓋系統(tǒng)5個(gè)循環(huán)，共收集系統(tǒng)余氣共100ml左右；重新加油后開(kāi)關(guān)座艙蓋系統(tǒng)20個(gè)循環(huán)，共收集系統(tǒng)余氣共200ml左右，同時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)余壓由上腔0.087MPa增至0.116MPa，下腔由0.114MPa增至0.126MPa；重新加油后開(kāi)關(guān)座艙蓋系統(tǒng)200個(gè)循環(huán)，共收集系統(tǒng)余氣500ml左右，系統(tǒng)余壓超差均為0.32MPa，重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加油排氣，系統(tǒng)余壓降低至0.11MPa。說(shuō)明零件超差或損壞，將會(huì)導(dǎo)致座艙蓋液壓系統(tǒng)內(nèi)部串氣，繼而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力升高。在座艙蓋操縱作動(dòng)筒上腔、泵箱組件、油路活門(mén)三者中，由于座艙蓋操縱作動(dòng)筒液壓上腔在關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)壓力為負(fù)數(shù)，因此座艙蓋操縱作動(dòng)筒液壓上腔與氣腔的隔離失效對(duì)系統(tǒng)的影響最大，串氣造成的系統(tǒng)極限壓力受作動(dòng)筒上集油杯的最大承受力而定。

為驗(yàn)證該型飛機(jī)實(shí)際服役后系統(tǒng)內(nèi)液壓油含氣變化情況，考慮季節(jié)變化、緯度差異、維護(hù)保障性差異可能帶來(lái)的影響，選取一定量的飛機(jī)，時(shí)間上分夏季、秋季、冬季，地理位置上根據(jù)實(shí)際布置情況分別開(kāi)展系統(tǒng)壓力變化和油液含氣情況檢測(cè)工作，分析環(huán)境對(duì)系統(tǒng)溶氣性的影響。通過(guò)近一年的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)部分架次座艙蓋液壓系統(tǒng)中有少量氣體（下表），但液壓系統(tǒng)整體壓力均未增長(zhǎng)，分析應(yīng)是部分飛機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，油液中析出氣體或產(chǎn)品負(fù)壓吸氣的造成，但該情況由于游離態(tài)氣體較少，不對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響。

5.3加油故障驗(yàn)證

由于該型機(jī)加油通過(guò)地面油車(chē)的方式加油，油車(chē)循環(huán)過(guò)程或加注過(guò)程中均有可能產(chǎn)生氣體，因此設(shè)計(jì)非常規(guī)加油方案，以驗(yàn)證是否可能造成系統(tǒng)進(jìn)氣或殘留壓力。將加油車(chē)內(nèi)的油液液面降低至回油口以下，使加油過(guò)程中自加油車(chē)中供出的液體帶有大量氣體，如不按要求進(jìn)行排氣，直接向系統(tǒng)內(nèi)用手動(dòng)方式加油，則可將前期加入的氣體封存在系統(tǒng)中，系統(tǒng)余壓隨之增大。通過(guò)機(jī)上加油驗(yàn)證，如不按要求進(jìn)行加油或清洗排氣，將直接在系統(tǒng)內(nèi)形成大量的游離態(tài)氣體，系統(tǒng)的余壓也隨油車(chē)的最大加油壓力隨之增大，因此該種方式導(dǎo)致的故障影響程度最高，應(yīng)是所有管控最重要的環(huán)節(jié)。

6改進(jìn)措施

6.1提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低串氣風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)液壓與氣動(dòng)密封理論以及試驗(yàn)，為確保產(chǎn)品密封性，降低產(chǎn)品串氣導(dǎo)致的系統(tǒng)進(jìn)氣的可能性，需要在制造和修理時(shí)提高座艙蓋操縱作動(dòng)筒、油箱、油路控制活門(mén)活動(dòng)部位粗糙度，嚴(yán)格控制活動(dòng)部位的密封間隙。同時(shí)為增加產(chǎn)品密封性能，將液壓腔活塞桿密封由單側(cè)氟塑料擋圈保護(hù)，更改為雙側(cè)氟塑料擋圈保護(hù)，改善活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封性。

6.2嚴(yán)控加油過(guò)程，增加余氣檢查方法

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備低油量時(shí)可能使加注油液中混有大量氣體的情況，對(duì)加油車(chē)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，降低循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生氣體的可能，加油前檢查加油車(chē)應(yīng)有足夠的油液，在整個(gè)加油過(guò)程中進(jìn)行“打開(kāi)—關(guān)閉”活動(dòng)座艙蓋不少于5個(gè)循環(huán)以促進(jìn)余氣排出［3］。避免座艙失密故障的關(guān)鍵是防止含氣的座艙蓋液壓系統(tǒng)余壓過(guò)高，因此當(dāng)加油完成后，增加座艙蓋液壓系統(tǒng)余氣檢查，當(dāng)座艙蓋關(guān)閉時(shí)，測(cè)量機(jī)上“注油口”和“放油口1”“放油口2”的壓力均不大于0.15MPa。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬試驗(yàn)和使用狀態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作有可能引起座艙蓋液壓系統(tǒng)進(jìn)氣，但游離態(tài)氣體較少，不會(huì)影響系統(tǒng)余壓，對(duì)飛行安全無(wú)影響；產(chǎn)品內(nèi)部串氣也可以導(dǎo)致座艙蓋液壓系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)氣，系統(tǒng)內(nèi)的余氣隨使用次數(shù)的增加逐漸增多，余壓逐漸增大；加油過(guò)程中造成的系統(tǒng)進(jìn)氣危害性最大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并采取措施嚴(yán)加管控。

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作者簡(jiǎn)介：倪偉（1979—），男，苗族，湖南龍山縣人，碩士，工程師，主要從事飛機(jī)修理工作。