航空柱塞泵常見故障原因與分析

■ 劉偉/東方航空技術有限公司西北分公司

0 引言

柱塞泵是將機械能或電能轉化為液壓能的能量轉換元件，是液壓系統中最關鍵最復雜的元器件，可視為液壓系統的“心臟”[1，2]。在現代民航客機的系統設計中，柱塞泵主要為飛控系統、起落架系統、機載設備提供動力源。民用飛機提供的高性能航空柱塞泵結構緊湊，平均轉速為3500r/min[3]，配合精度高，對內部部件的尺寸精度和表面質量要求高，全流量時最小壓力為19.6MPa，但在高振動、溫度變化大的惡劣環境下工作時常出現軟參數的變化，隨著飛行小時數的增加，將導致柱塞泵系統性能的下降[4]。

目前，民用飛機液壓系統中均使用柱塞泵，裝機數量龐大，隨著機隊規模的擴大，液壓泵的送修量逐年增加。以一架波音737NG 系列飛機為例，液壓系統包括兩個發動機驅動泵、三個電動馬達驅動泵、一個動力轉換組件和一個沖壓空氣渦輪泵，共同保障飛機液壓系統的安全性和可靠性。波音系列和空客系列民航客機安裝的Parker 公司和Eaton 公司的柱塞泵維修成本高，航材采購周期長，航司需要大量訂購航材才能避免飛機出現AOG 狀態。中國商飛制造的C919 飛機和ARJ21 飛機采用的是Parker 公司的柱塞泵。掌握航空柱塞泵故障模式和改進維護方案將有助于實現民用飛機柱塞泵的國產化，為了保障液壓系統可靠穩定運行并降低航空公司的運營成本，對柱塞泵的常見故障進行分析和研究尤為重要。

1 航空柱塞泵的分類及工作原理

1.1 航空柱塞泵的分類

飛機上的液壓泵均是容積式泵。工程上常用的液壓泵種類繁多，按結構形式可分為齒輪式、葉片式和柱塞式，按輸出排量能否調節可分為定量泵和變量泵。柱塞泵按柱塞的排列方式又分為軸向式和徑向式。民航客機上使用的液壓泵均是軸向柱塞泵，常用于飛機主液壓系統的發動機驅動泵、電動機驅動泵、空氣驅動泵，表1［3］給出了幾種典型航空柱塞泵的類型。

表1 航空柱塞泵分類

1.2 柱塞泵的工作原理

柱塞軸沿圓周均勻分布在缸筒內，一般有5 ～9 個柱塞，并能在其中自由無卡阻地移動。如圖1 所示，斜盤和缸體軸線成一定夾角θ，分流盤緊靠在缸筒上但不隨缸筒一起旋轉。當驅動軸帶動缸筒旋轉時，柱塞也隨之旋轉，但柱塞頂部在機械裝置（滑靴或彈簧）的作用下始終緊靠在斜盤上。這樣，柱塞隨缸筒在自下向上回轉的半周內逐漸向外伸出，使柱塞孔容積擴大而形成一定真空度，液壓油便從分流盤的分流口a 口吸入；在自上向下回轉的半周內柱塞孔容積縮小，將液壓油從分流盤的b 口壓出。缸筒每旋轉一周，每個柱塞做一次往復運動，完成一次吸油和壓油。

圖1 斜盤式柱塞泵結構示意圖

柱塞泵內部設有壓力補償活門，用于感受柱塞泵出口的壓力。當出口壓力達到設定值（補償器彈簧的預緊力）時，補償器活門將出口壓力供向斜盤作動筒，使斜盤的角度減小，起到變量的作用。當斜盤的角度為0°時，輸出的壓力也為0psi，柱塞泵處于消耗功率最小的卸荷狀態。發動機驅動泵由發動機上的附件齒輪箱帶動驅動軸轉動，當飛機在地面試車時，為了減少發動機的損耗，可以人工給電磁閥通電，將出口壓力引到擋塊閥的后部用于關斷出口，停止向液壓系統提供壓力。出口壓力也可以引到斜盤作動筒上，使斜盤的傾角接近0°。

2 航空柱塞泵常見故障模式

柱塞泵的故障現象復雜多樣且具有一定的隱蔽性[5]，故障原因常存在重疊關系，即多種故障可能因同一原因引起，或一個故障癥狀由多種原因引起[6]?；诠ぷ鹘涷灪蛿祿治?，典型故障現象可分為：

1）出口壓力或流量低于正常值；

2）柱塞泵殼體或液壓油溫度高，常表現為殼體或內部部件變色，柱塞泵工作效率降低；

3）漏油；

4）使用過程中產生異常振動或噪聲。

3 故障原因分析

3.1 出口壓力或流量低于正常值

典型的故障原因如下：

1）液壓油箱中的液壓油量低于安全線或油箱中液壓油壓力太低。

2）進口葉輪損壞或卡阻，導致無法對液壓油進行初次增壓。

3）壓力補償器活門損壞，內部閥芯和襯套卡死。

4）調節斜盤角度的斜盤作動筒長度不合理或彈簧損壞，斜盤無法偏轉到額定的傾斜角度。

5）內部部件之間間隙超過配合間隙，導致大量液壓油從殼體口流出，典型的配合部件有分油盤與缸筒、靴形組件與缸筒、靴形組件與斜盤。

3.2 柱塞泵殼體或液壓油溫度過高

典型的故障原因如下：

1）殼體口油濾堵塞，降低出油管路的流量，使泵內部產生的熱量無法及時有效排出[7]。

2）泵內部配合部件之間配合間隙太小，一方面導致部件之間摩擦嚴重，促使液壓油快速升溫；另一方面，部件之間液壓油的滲漏量太小，導致殼體口的流量減小。

3）柱塞泵長時間在高負荷情況下工作。

3.3 漏油

按照漏油區域一般可以分為外部漏油和內部漏油。

外部滲漏的液壓油會腐蝕其他部件，影響其他部件的性能，原因如下：

1）柱塞泵上接頭連接松動，殼體之間的連接螺栓扭矩沒有達到規定扭矩值。

2）殼體之間的封嚴件老化、破損、剪切、變形或斷裂，導致封嚴件無法起到密封的作用[8]。

3）軸封嚴組件內的配合環磨損、破損、刮傷或剝離，配合環上的光潔度不滿足要求。

內部漏油的主要原因是內部部件之間的配合間隙過大，導致內漏嚴重，典型的配合部件間隙有靴型柱塞與斜盤之間以及分油盤與缸筒之間。

3.4 異常噪聲和振動

典型的故障原因如下：

1）柱塞泵內部進入空氣，導致部件發生氣蝕；液壓油中混入空氣使液壓油的壓縮性增強，流量脈動增大，導致柱塞泵容積效率降低，輸出功率出現波動[9-11]。

2）柱塞泵內部部件之間摩擦嚴重。

3）驅動軸與電動機轉子或連接軸不同心，存在徑向力[12]。

4 維修方案

針對航空柱塞泵的故障模式及故障原因進行分析，制定有針對性的維修方案，可以減少維修過程中的人力、物力，避免過度維修，提高維修效率，延長柱塞泵的使用壽命。

4.1 出口壓力或流量低于正常值的維修方案

1）檢查液壓油箱中的液壓油量，油量必須在最低安全線以上，同時檢查液壓油箱上壓力表的壓力，必須保證油箱壓力在綠區范圍內。

2）目視檢查葉輪的外觀并手動轉動葉輪，確保葉輪無卡阻、無變形。

3）檢查壓力補償器中閥芯是否可以在襯套內自由轉動，且閥芯無損壞。

4）對調節斜盤傾斜角度的彈簧進行負載測試，檢查彈簧的疲勞性；對調節斜盤傾斜角度的斜盤作動筒進行長度測量并及時調節或更換。

5）檢查內部部件之間的間隙，尤其是分油盤與缸筒、靴形組件與缸筒、靴形組件與斜盤之間的配合間隙。

4.2 柱塞泵殼體或液壓油溫度太高的維修方案

1）檢查殼體口的油濾，確保油濾無堵塞。

2）檢查泵體內部件的配合間隙，配合間隙不能太小，必須在規定的范圍內。

3）測量電磁閥的電阻和電流，檢查插釘應無變形、破損或缺失，內部閥芯能夠自由移動，確保電磁閥能夠正?？煽康毓ぷ?。

4.3 漏油的維修方案

對于外部漏油的維修方案有：

1）檢查柱塞泵接頭的封嚴面是否有劃傷、變形或損壞；檢查接頭和泵上連接螺栓的扭矩值，必須是標準或廠家要求給定的扭矩值。

2）分解柱塞泵后必須更換所有的封嚴件，如擋圈、封圈，確保封嚴件的規格、尺寸和有效性符合要求；安裝封嚴件時必須使用專用工具，避免安裝時對封嚴件造成損傷。

3）對軸封嚴組件的配合環進行光潔度檢查，配合環表面的光潔度一般應在3 個氦光帶以內，同時對軸封嚴組件進行負載測試。

對于內部漏油的維護方案一般是檢查相互配合部件之間的間隙，并檢查分油盤、柱塞靴和缸筒表面上有無劃傷、變形、凹坑等損傷。

4.4 異常噪聲和振動的維修方案

當柱塞泵出現異常噪聲和振動時，必須盡快關閉柱塞泵或啟用備用液壓系統，避免繼續使用對柱塞泵造成更加嚴重的損傷。

常見的維修方案有：

1）檢查液壓油箱的油量和壓力，避免液壓油中滲入空氣。

2）分解柱塞泵，檢查柱塞泵內部部件是否有磨損，并對部件的尺寸進行測量。

3）檢查驅動軸與電機轉子或連接軸是否同心，手動轉動電機轉子或連接軸，確保能夠自由轉動，無卡阻。

5 總結

維修人員應當熟悉柱塞泵的工作原理及內部構造，正確使用和維護柱塞泵。日常維修過程中不但要加強對維修人員的崗前教育和技能培養，盡可能避免因人為因素引起的間接故障[13]，還要對關鍵部件進行無損探傷，確保部件沒有缺陷；在航線對柱塞泵進行例行檢查和維修時，注意日常維護保養，及時發現問題并改正[14]，從而延長航空柱塞泵的使用壽命，充分發揮各子部件的性能，保障柱塞泵長期穩定運行。

本文以航空柱塞泵為研究對象，全面分析了故障模式、故障機理及故障處理方案，為柱塞泵的故障診斷和維護保障提供技術支持，以便更好地執行航空柱塞泵維修決策和維修管理等健康管理活動[15]。在日常的維修活動中，可以通過進一步優化維護方案，降低維修成本及航材成本，縮短維修周期，延長柱塞泵的使用壽命，提高柱塞泵使用效率和安全性[16]。