某型飛機武器艙門驅動系統運動趨勢故障失效分析*

劉文斌,孫安全,王 雷,廉晚祥,胡鵬濤

(中國人民解放軍93170部隊,陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著飛行器隱身設計技術的發展,武器內埋已成為飛行器提高戰場生存能力和突防能力的必然選擇[1]。內埋武器的投放分離過程主要依靠武器艙門驅動系統實現,其主要功能是驅動和控制武器艙門的打開、關閉、到位鎖定等動作,它是內埋武器技術實現的關鍵分系統之一[2]。而電液伺服閥(EHV)是武器艙門驅動系統的核心元件,電液伺服閥在武器艙門驅動系統中將電信號轉換為液壓流量信號,為下級執行機構提供動力輸入,對武器艙門功能實現至關重要[3-4]。一旦電液伺服閥發生故障,可能導致武器艙門系統出現震顫、噪音,進而導致結構疲勞、使用壽命縮短,甚至會出現武器艙門無法正常打開、關閉、超越行程等非預期運動,嚴重危及飛行器安全。因此,深入分析和研究武器艙門系統中電液伺服閥的工作特性和故障模式具有重要意義。筆者針對某型飛機武器艙門驅動系統運動趨勢故障進行研究,通過建立故障樹模型開展失效分析,對導致伺服閥故障的因素進行試驗研究與仿真分析,確定了故障原因及機理,提出了解決方案并實際應用。

1 武器艙門驅動系統簡介

1.1 武器艙門驅動系統結構與原理

武器艙門驅動系統是用于某型飛機武器系統的全電控制電液伺服裝置,與輔助控制器一起組成伺服作動系統,實現對飛機的左、右側武器艙門的分別操縱。單側武器艙門驅動系統由功率驅動裝置(PDU)、旋轉作動器(1～6號)、傳動軸組成,如圖1所示。

圖1 側武器艙門驅動系統組成

功率驅動裝置接受輔助控制器的控制指令,實現開閉艙門、減速、停止、把持等功能,并將功率驅動裝置的轉速及位置信號反饋給控制器,實現閉環控制,其工作原理如圖2所示。電液伺服閥由力矩馬達、噴擋前置級、滑閥放大級組成。伺服閥跟隨輸入電流進行工作,在電流作用下通過力矩馬達驅動前置級銜鐵運動,帶動擋板運動,改變閥芯兩側壓力,驅動閥芯運動使節流窗口打開,控制輸出液壓流量和壓力的大小及方向,驅動負載運動。

圖2 功率驅動裝置原理圖

1.2 故障概述

某型飛機武器艙門驅動系統發生功率驅動裝置運動趨勢故障,功率驅動裝置只能向開艙方向運動,使得武器艙門運動超出限制行程,并與機上某結構發生干涉碰撞。

分析飛行過程中數據曲線,開艙門工作過程中啟動、快速運動、減速段都運行正常,開艙過程正常。驅動系統收到關艙門指令后,艙門未按指令關閉,而是向開艙門極限位置運動,控制系統報“武器艙門運動趨勢監控故障”,并切斷功率驅動裝置的電磁閥電流和伺服閥液壓壓力后,功率驅動裝置靠制動器把持。

2 故障定位分析

以功率驅動裝置運動趨勢故障為頂事件,根據功率驅動裝置的原理結構,對功率驅動裝置運動趨勢故障開展故障樹分析,如圖3所示,逐項對故障樹底事件進行排查。

圖3 故障樹

對功率驅動裝置進行位置閉環試驗,向故障件輸入開艙指令和關艙指令,供壓通電后功率驅動裝置均快速向開艙方向運動,角位移傳感器超過極限行程,伺服閥電流達到負向最大。對功率驅動裝置進行位置開環試驗,向故障件輸出零指令,供壓通電后驅動裝置快速向開艙方向運動,角位移傳感器超過極限行程。更換性能合格的伺服閥后,重新測試,功率驅動裝置功能、性能正常。確定功率驅動裝置運動趨勢故障原因為伺服閥故障。

進一步檢查伺服閥上殼體組件,清洗時發現上殼體左側前置級油路不通,取出左側噴嘴油濾后,發現噴嘴油濾表面和上殼體左側噴嘴孔內有大量多余物。同時,密封圈排查結果發現,伺服閥閥套密封圈破損嚴重,對密封圈相關尺寸進行測量,故障件破損部位最大寬度0.65 mm、周向長度約40 mm,與左側噴嘴油濾上的多余物尺寸吻合;分析多余物成分發現,故障件多余物成分為丁腈橡膠,與閥套密封圈材料一致,多余物光譜與閥套密封圈光譜高度相似,如圖4所示。

圖4 多余物與閥套密封圈光譜對比

對閥套與密封圈裝配過程進行分析,密封圈裝入閥套密封槽后,目視檢查密封圈裝配質量,確認密封圈表面完整,無扭曲、無缺陷后,再通過冷凍壓裝方法將閥套與密封圈一起裝入閥體孔內。冷凍壓裝是將閥套連同密封圈一起裝入閥套冷凍夾具中,放入溫箱內,在-65～70 ℃條件下保溫4 h,保溫完成后從溫箱中取出冷凍夾具,從夾具中取出閥套,將閥套左端面朝下,放入閥體右端孔內,將閥套與閥體中心孔對準,調整角向位置后,用手快速將閥套從上往下壓入閥體內。閥套及密封圈裝入閥體后,無法目視檢查密封圈是否存在破損。故障伺服閥閥套密封圈破損斷口位于密封圈左側,且斷口較整齊,裝配時閥套從閥體右側向左安裝,密封圈安裝時左側受力,受力方向與斷口位置相同,確認閥套密封圈是在冷凍后壓裝進入閥體時破損。

綜上所述,最終定位故障原因為伺服閥閥套密封圈冷凍裝配工藝不完善,導致故障件閥套裝配過程中密封圈破損,產生的密封圈殘渣堵塞噴嘴油濾,使功率驅動裝置只能向開艙方向運動,進而導致武器艙門運動超出限制行程。

3 故障機理分析

伺服閥閥套從左至右共安裝8個密封圈,在實際裝配過程中,伺服閥閥套密封圈冷凍裝配工藝不完善,缺少送入桿工具,人工裝配時故障件閥套的裝配過程不順暢,閥套密封圈易受到閥體環槽倒角擠壓作用,導致密封圈破損,從而使產生的密封圈殘渣遺留在閥體環槽內。伺服閥通壓后,前置級油液從節流孔流向噴嘴油濾和噴嘴孔,前置級油路與閥體環槽溝通,閥體環槽內油液通過閥套上的四個小孔與閥芯端面油液溝通。由于密封圈殘渣并不在前置級油液的主流道內,因此短時間內不會隨油液流動進入噴嘴油濾中。當伺服閥工作時,閥芯左右往復運動,導致閥體環槽內的油液低速往復運動(閥芯以最大行程開關一次,會引起約0.13 mL的油液流動)。因此,閥體環槽內的密封圈殘渣會隨著油液緩慢地往復流動,在長時間過程中逐漸進入前置級油液的主流道內,最終進入噴嘴油濾,導致噴嘴油濾堵塞,密封圈殘渣運動路徑如圖5所示。

圖5 密封圈殘渣運動路徑示意圖

伺服閥噴嘴油濾由外濾芯、內濾芯和骨架組成,結構如圖6所示。內濾芯有9排孔,每排18個孔,共162個孔,孔徑0.15 mm;外濾芯上也有9排孔,每排18個孔,共162個孔,孔徑0.15 mm;外濾芯套在內濾芯上,保證所有油路孔錯開排布。內濾芯和外濾芯之間的徑向間隙為0.035 mm,大于0.035 mm的殘渣無法通過徑向間隙,即油濾過濾精度為0.035 mm。噴嘴油濾總過流面積為2.8 mm2,當密封圈殘渣逐漸進入噴嘴油濾后,將油濾過油孔堵塞,導致油路過流面積不足,伺服閥發生故障。

圖6 噴嘴油濾結構

使用AMEsim軟件建立伺服閥仿真模型,模型包含力矩馬達、伺服閥前置級、滑閥放大級等,如圖7所示。伺服閥前置級油路為液壓橋式原理,28 MPa高壓進油經過節流孔降壓至約14 MPa,再通過噴嘴與擋板間的間隙降壓至回油壓力,流回油箱。噴嘴前的油壓同時作用到閥芯端面,控制閥芯運動。當伺服閥輸入電流為0時,閥芯左右兩端壓力均為14 MPa,閥芯不動,輸出流量為0;當伺服閥輸入正電流時,力矩馬達驅動擋板向左運動,使閥芯左端壓力升高、右端壓力降低,閥芯向右運動,輸出正流量;反之,當伺服閥輸入負電流時,力矩馬達驅動擋板向右運動,使閥芯右端壓力升高、左端壓力降低,閥芯向左運動,輸出負流量。閥芯左右兩端壓力隨電流變化,正常情況下,變化范圍約11～17 MPa。

圖7 伺服閥AMESim模型

對仿真模型輸入±20mA正弦電流,此時伺服閥負載腔輸出流量可隨指令正弦變化。在仿真模型中設置左側噴嘴油濾堵塞,此時伺服閥輸出流量持續為正方向接近極限流量,不能輸出負向流量,仿真結果與理論分析一致,如圖8所示。

圖8 正常伺服閥與左側噴嘴油濾堵塞輸出流量變化

由此可見,伺服閥發生正方向極偏故障時,只能輸出正方向最大流量,功率驅動裝置失去閉環工作的能力,通電上壓后驅動裝置以最大速度向開艙方向運動。驅動裝置持續開艙向開艙方向運動,艙門角度逐漸增大,超出限制行程,導致武器艙門驅動系統最終發生運動趨勢故障。

4 改進方案

(1) 完善閥套密封圈裝配工藝,增加閥套送入桿工裝。冷凍裝配過程中采用的閥套送入桿工裝組件由送入桿和導向錐組成,裝配時與閥套固定為一體,如圖9所示。送入桿由人手握持,便于裝配送入操作,同時設計有限位塊,可以防止裝配行程過大;導向錐與閥套、閥體配合,可以保證閥套與閥體對中,防止閥套偏擺。

圖9 閥套送入桿工裝

(2) 增加閥套裝配后清洗檢查工藝,確保裝配后密封圈完好。閥套裝配完成后,將工裝閥芯安裝在閥套內,安裝左右端蓋及上殼體組件,通壓清洗后,檢查上殼體油濾孔和噴嘴油濾上是否有密封圈殘渣。伺服閥清洗時的油路與工作油路不同,如圖10所示,高壓油液經進油窗口進入工藝閥芯兩端,通過閥套油孔經閥體環槽、前置級油路、噴嘴油濾后回到回油。如閥套壓裝過程中伺服閥密封圈破損,則殘渣存在于閥體環槽內,在高壓油液作用下會快速進入上殼體噴嘴油濾,拆下噴嘴油濾即可被檢查到。

圖10 閥套裝配后清洗檢查原理圖

(3) 上殼體噴嘴油濾安裝孔內設置φ5.1 mm×2.3 mm環槽,噴嘴油濾納污容腔由11.0 mm3增大至20.4 mm3,提高局部過流面積,降低多余物堵塞噴嘴油濾的可能性。

5 結 語

文中通過建立武器艙門驅動系統運動趨勢故障的故障樹模型,對可能影響武器艙門性能的因素進行了分析驗證,最終定位為伺服閥閥套密封圈裝配過程中破損,導致產生的密封圈殘渣堵塞噴嘴油濾,從而使功率驅動裝置只能向開艙方向運動,引起武器艙門運動超出限制行程。后續通過完善閥套密封圈裝配工藝和增加閥套裝配后清洗檢查工藝發現,該型產品再未發生此類故障,實際應用效果良好。