飛機管路系統單向活門優化改進措施

摘 要：飛機管路系統單向活門出現銹蝕、外漏、內漏問題，會影響整體單向活門所在的管路系統的功能和性能，進而影響飛機安全。對近年來液壓系統某單向活門銹蝕、外漏、內漏的問題進行分析，發現銹蝕與材料及熱表處理有關，內漏與單向活門產品結構有關，外漏與密封結構形式有關。對改進后的單向活門進行氣密性試驗、振動試驗、壽命試驗、流阻試驗、強度試驗、壓力脈沖試驗以及其他環境試驗驗證，確保改進措施有效，提升了單向活門的可靠性。

關鍵詞：管路系統；單向活門；銹蝕；外漏；內漏

中圖分類號：V245.1" " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " 文章編號： 1007 - 9734 （2024） 06 - 0026 - 05

0 引 言

管路系統是飛機系統中非常重要的動力支持部分，被稱為飛機的血管，其安全性和可靠性關乎整個飛機結構的運行安全和飛行員的生命安全[1]，因此越來越多地受到科研工作人員的重視。管路在飛機的很多系統中都有應用，主要應用領域有液壓系統、環控系統、氧氣系統、救生系統、燃油系統和防火系統，每個系統都借助管路實現其特定的功能。液壓系統主要是實現飛機舵面操縱、起落架及艙門收放、武器艙門驅動、受油探頭收放、前輪轉彎供壓、機輪剎車等；環控系統主要為飛行員提供舒適的座艙溫度和座艙壓力，同時為電子設備提供冷卻；氧氣系統有機載制氧、備用制氧以及氧氣調節三部分功能，主要是為飛行員供氧；救生系統主要涉及座艙蓋操縱；燃油系統主要是實現飛機的供油、輸油、加油、通氣增壓、油量測量，并開展重心的控制；防火系統主要是進行火警探測及滅火。飛機系統一般包含多套相互獨立的液壓能源系統，各系統管路中的介質是有流動方向的，有的管路中介質在不同工作狀態流動方向是相反的，有的則是單向的。液壓系統是飛機的重要系統之一，具有功率密度大、結構緊湊、傳動平穩的優點[2]。液壓系統閥門通常是自動工作，在一個方向流動的介質壓力作用下，閥芯打開；介質反向流動時，由介質壓力與閥芯的自重和閥芯作用于閥體，從而切斷流動[3]。壓力損失的大小與液體流動狀態有關。閥類零件的流阻性能一直是考察其總體性能的重要指標，如果一定流量下的液壓閥流阻太大，會使動力源產生的壓力能浪費很多[4]。閥內部流道的特性影響閥組的通流能力，直接影響液壓系統的工作效率[5]。

單向活門是航天動力系統中應用十分廣泛的閥類元件之一，單向活門結構一般比較簡單，主要由五部分組成，包括管接頭、墊圈、活門頭、彈簧、殼體（含管接頭）[6]。工作原理為：工作介質正向流動且達到開啟壓力時，克服彈簧彈力，活門打開，工作介質流通；工作介質反向流動時，活門在工作介質和彈簧共同作用下關閉，防止工作介質反向流動，起到限流作用[7]。單向活門的錐形閥芯在彈簧預壓縮力作用下處于關閉狀態，當向油箱注入壓縮空氣后，單向活門反向壓力增大，使線密封處壓力增大，密封效果增強，可以有效防止氣體倒流，如圖1所示。在殼體上有工作介質流向標識，防止在安裝維護過程中將單向活門裝反，進而影響系統正常工作，如圖2所示。

閥門內氣體壓力、流速等參數在使用中可能會產生周期性變化，結合彈簧、活門等零部件的固有頻率，會影響飛機的飛行安全[8]。安全活門雖然結構簡單，但在設計過程中需要注意的事項較多，閥門研制過程涉及管路布局、功能持續性、上行備件資源緊缺等問題，而且并非所有設備都可進行在軌更換[9]。本文針對液壓系統某單向活門的故障進行分析，找到相應的改進措施，并進行驗證，以此來闡述管路系統涉及的單向活門的改進方向，以供其他系統設計單向活門時借鑒。

1 單向活門故障分析及改進措施

根據單向活門裝機使用的問題反饋來看，問題表象主要有產品表面銹蝕、外漏、內漏超標三種情況。單向活門的殼體材料為45A并鍍鎘，經過對產品的外觀檢查，發現單向活門銹蝕的主要原因是產品在拆裝過程中容易發生磕碰，導致殼體表面鍍層脫落，未起到防腐作用，最終出現銹蝕現象。

針對單向活門外部漏油進行故障樹分析，詳見圖3。經分析，外漏的主要原因是單向活門連接管路時，單扳手操作會擰松管接頭1（見圖1），導致密封失效。密封墊圈2（見圖1）為銅墊圈，在飛機上安裝或拆卸產品時，需要使用扳手卡住管接頭或殼體六方，然后再擰緊系統管路。正常情況下，需要使用兩個扳手進行操作，一個扳手卡住系統管路上的六方，另一個扳手卡住單向活門接管接頭上的六方，如圖4所示。夾持系統管路的扳手和夾持單向活門管接頭的扳手用力方向相反，存在夾持單向活門接管接頭的扳手將單向活門殼體與管接頭螺紋擰松的風險，造成殼體與管接頭連接預緊力降低。由于銅墊片已產生塑性變形，無法回彈，銅墊圈和管接頭、殼體密封面之間存在間隙，導致外部滲漏問題發生[10]。

針對單向活門內漏進行故障樹分析，詳見圖5。經分析，單向活門內部密封結構為活門頭與管接頭硬密封，活門頭以殼體為導向，管接頭與殼體通過螺紋連接，裝配后的殼體導向面與管接頭的密封面同軸度差。活門頭復位過程中容易出現偏斜，當活門頭長期偏斜使用后，活門頭上的密封環帶與管接頭密封環帶錯位，導致反向漏油量超標，內部密封結構可靠性低。

針對單向活門表面銹蝕、內漏和外漏三個問題，進行單向活門的綜合優化改進，綜合改進后的單向活門結構原理如圖6所示。

改進后的單向活門殼體及接頭采用了耐腐蝕的材料，提高了三防能力。液壓控制系統需將腔體流出的油液通過元器件組合等不同方式直接到達油箱。改進后的單向活門相比改進前的單向活門，活門導向面與密封面設計在同一個零件上，保證導向面與密封面的同軸度，提升了產品內部密封質量[11]。單向活門的鋁墊圈端面密封改為橡膠圈徑向密封結構，在管接頭略微松動的情況下，橡膠密封圈回彈，仍能保證外部密封，進而提升了外部密封性能。改進后的單向活門整體外部尺寸與更改前一致，換裝過程中不需要對相應的系統管路更改。

改進后的單向活門除了密封圈和保護圈外，與改進前的單向活門對比，零件數量無變化，加工工藝無影響，工藝實施和成本核算方面，無實質性變化，未出現因單向活門更改造成的工藝復雜和成本增加情況，且可靠性有較大提升。

單向活門屬于機械零部件產品，應按照閥類、活門類組件模式進行可靠性分析。產品可靠性模型為串聯型，對產品的殼體、活門、彈簧、管接頭、密封圈、保護圈6個零件維度進行可靠性分析，整個產品的可靠度RS為：

[Rst=R1t1×R2t2×R3t3×R4t4×R5t5×R6t6]

產品故障率的分配模型數學表達式為：

[ωi=j=14rij] （1）

[ω=i=14qi?ωi] （2）

[Ci=ωiω] （3）

[λs=1MTBFs] （4）

[λi=Ci?λs] （5）

[MTBFi=1λi] （6）

式（1）～（6）中，i是產品下屬第i個零組件（i=1，2，…，6）；j是第i個單元的第j個評分因素（j=1，2，…，6）；[λs]是產品規定的故障率，是產品規定MTBFs的倒數，（1/h）；[λi]是分配給產品下屬第i個零組件的故障率，（1/h）；[ωi]是產品下屬第i個零組件所有評分數的積；[qi]是產品下屬第i個零組件的個數；[Ci]是產品下屬第i個零組件評分數的積與產品的評分總數之比；[rij]是產品下屬第i個零組件第j個因素的評分數；[ω]是產品的評分總數。

可靠性分配見表1，單向活門的可靠性滿足MTBF（Mean Time Between Failure）設計定型最低可接受值指標。

2 試驗驗證

2.1" 單向活門整體試驗要求

單向活門改進后，按要求通過了產品的功能、性能和環境試驗。試驗主要有密封性試驗、流阻試驗、壽命試驗、強度試驗、壓力脈沖試驗。下文針對各項試驗驗證情況進行闡述。

2.2" 密封性試驗

分別在常溫、環境溫度-55℃、環境溫度80℃、工作介質溫度100℃和環境溫度150℃四種工況下進行單項活門的密封性試驗，試驗壓力分別為1MPa、額定工作壓力和1.5倍工作壓力；試驗要求為1MPa壓力下內部漏油不超過5滴/分鐘，額定工作壓力和1.5倍工作壓力下內部漏油不超過3滴/分鐘，不允許出現外部漏油。經過2件試驗件的驗證，未出現內部漏油和外部漏油現象。

2.3" 流阻試驗

在+20℃和-30℃下，分別從產品進口通入壓力為700L/h的液壓油，流阻應不大于0.2MPa。經過2件試驗件的驗證，結果表明流阻滿足試驗要求。

2.4" 壽命試驗

按照圖7所示的試驗原理，進行壽命試驗。

向產品通入額定工作壓力下的工作介質，試驗次數常溫下不低于6500次，低溫條件下不低于830次，高溫100℃下不低于1300次，高溫150℃下不低于1100次；試驗壓力分別1MPa、額定工作壓力和1.5倍工作壓力；試驗要求為1MPa壓力下內部漏油不超過5滴/分鐘，額定工作壓力和1.5倍工作壓力下內部漏油不超過3滴/分鐘，不允許出現外部漏油。經過2件試驗件的驗證，未出現內部漏油和外部漏油現象。

2.5" 強度試驗

常溫下從產品的出口通入3倍額定工作壓力的工作介質，產品應不出現永久變形和滲漏現象。經過2件試驗件的驗證，未出現內部漏油和外部漏油現象。

2.6" 壓力脈沖試驗

按GJB 3849-1999《飛機液壓作動筒、閥、壓力容器脈沖試驗要求和方法》的要求進行壓力脈沖試驗。壓力脈沖波形如圖8所示，最小脈沖壓力為0.4MPa，最大脈沖壓力為1.5倍額定工作壓力。從產品進口進行加壓，使產品內部受壓，工作循環次數為1×105次，脈沖循環頻率最大為5Hz。試驗結束后，產品應無裂紋、損壞和有害變形，進行密封性試驗，應符合2.2節要求。經過2件試驗件的驗證，未出現內部漏油和外部漏油現象。

3 結 論

單向活門優化需要考慮如下三方面問題：

（1）提升產品的三防性能，防止產品在使用過程中表面受到破壞，在外界環境的作用下，產品性能下降。

（2）產品在設計過程中應充分識別外部漏油風險，針對可能的實際使用工況，提升設計質量。

（3）產品在設計過程中應充分識別內部漏油分型，分析產品的功能和性能，提升設計可靠性。

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責任編校：劉 燕，孫詠梅

Optimization and Improvement Measures for the Check Valves of the Aircraft Pipeline System

YANG Zhenhua， JIANG Shoulong， FEI Xingtong， GAO Lei，CHEN Boxi

（Shenyang Aircraft Design amp; Research Institute of AVIC，Shenyang 110035，China）

Abstract：The problems of rust， external leakage and internal leakage of the check valves of the aircraft pipeline system will affect the pipeline system’s function and performance， where the overall check is located， therefore the safety of the aircraft will be affected. In recent years， the problems of rust，external leakage and internal leakage of a check in the hydraulic system were analyzed.It was found that the corrosion was related to the treatment of materials and heat meters. The internal leakage was related to the structure of the check products. The external leakage was related to the form of sealing structure. The modified check valve is verified by air tightness test， vibration test， life test， flow resistance test， strength test， pressure pulse test and other environmental tests to ensure that the improvement measures are effective and the reliability of the check valve is improved.

Key words：pipeline system; check valve; corrosion; external leakage； internal leakage