張麗 李玉柱 李勝?lài)?guó) 劉曉杰 楊兆雷

摘要：針對(duì)某型飛機(jī)伺服作動(dòng)器非典型性回中時(shí)間超差疑難故障，通過(guò)了解產(chǎn)品工作原理找出故障產(chǎn)生機(jī)理，建立故障樹(shù)進(jìn)行逐項(xiàng)因素分析驗(yàn)證，逐步查找故障原因，制定該故障的排故指南，可為后續(xù)工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：伺服作動(dòng)器；回中時(shí)間；電磁閥

Keywords：servo actuator；return time；solenoid valve

0 引言

當(dāng)前飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)越來(lái)越向數(shù)字化、電子化方向發(fā)展，機(jī)電一體化程度越來(lái)越高。某型飛機(jī)采用了先進(jìn)的全權(quán)限、三軸、四余度數(shù)字式兼兩余度模擬備份的電傳操縱系統(tǒng)FBWS（FlyBy-Wire System），其中的伺服作動(dòng)器作為該型飛機(jī)飛行制導(dǎo)和控制系統(tǒng)的重要組成部分，是飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接收來(lái)自飛控計(jì)算機(jī)的控制指令，并根據(jù)指令的要求控制操縱舵面的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)將動(dòng)力活塞桿位移和主控閥位移信號(hào)反饋給飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)的伺服作動(dòng)器控制器，形成伺服作動(dòng)器與飛控系統(tǒng)的閉環(huán)控制，完成飛機(jī)在液壓能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，其性能直接決定了飛行控制系統(tǒng)乃至整個(gè)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和安全可靠性。

1 故障描述

該型飛機(jī)伺服作動(dòng)器在外場(chǎng)報(bào)故之后返廠檢修。故障安全性能測(cè)試過(guò)程中，作動(dòng)器的2系統(tǒng)回中時(shí)間為130ms，與工藝要求（≤100ms）不符。

2 故障原理及原因分析

2.1 基本工作原理簡(jiǎn)介

該型伺服作動(dòng)器為液壓雙余度、電氣四余度復(fù)合型舵機(jī)，有三種工作模式：正常工作模式、單系統(tǒng)工作模式和故障回中工作模式。故障安全性能測(cè)試的回中時(shí)間，是模擬伺服作動(dòng)器的故障回中模式，在系統(tǒng)失去工作壓力的狀態(tài)下伺服作動(dòng)器進(jìn)入回中模式的啟動(dòng)時(shí)間。如圖1所示，在故障回中工作模式下，伺服作動(dòng)器通過(guò)電磁切斷閥1與電磁切斷閥2的共同作用，切斷兩個(gè)液壓系統(tǒng)的工作壓力，轉(zhuǎn)換閥通過(guò)彈簧力的作用控制閥芯運(yùn)動(dòng)，將主控閥與作動(dòng)筒之間的控制油路切斷，連通回中閥與作動(dòng)筒的控制油路，使作動(dòng)筒在回中機(jī)構(gòu)的作用下回到中立位置。

回中時(shí)間超差是伺服作動(dòng)器的常見(jiàn)故障，根據(jù)工作原理，建立伺服作動(dòng)器回中時(shí)間超差故障樹(shù)，如圖2所示。

2.2 故障原因分析

1）轉(zhuǎn)換閥性能下降

轉(zhuǎn)換閥是故障回中模式下的轉(zhuǎn)換器，利用閥芯凹槽與閥套油路孔通過(guò)閥芯的左右運(yùn)動(dòng)控制油路的通斷。在故障回中模式下，I、II系統(tǒng)控制壓力為0，轉(zhuǎn)換閥閥芯、小活塞在彈簧力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，切斷主控閥工作油路。

轉(zhuǎn)換閥屬于液壓類(lèi)長(zhǎng)閥組件，閥套長(zhǎng)度為26mm，閥芯組件長(zhǎng)度為23mm。閥芯組件的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生變形，因此閥芯組件采用了柔性桿加常規(guī)閥芯的設(shè)計(jì)方式，采用彈性圓柱銷(xiāo)進(jìn)行連接。柔性桿的最細(xì)部位為φ3.14mm，加裝材質(zhì)較軟的銅襯套與閥套配合相互作用，可以很好地補(bǔ)償閥芯加工或者使用過(guò)程中產(chǎn)生的變形，降低加工難度，提高零件的適用性。

常規(guī)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換閥的閥芯產(chǎn)生變形或者襯套偏磨都會(huì)使閥芯運(yùn)動(dòng)摩擦力增大，是導(dǎo)致回中時(shí)間超差的重要因素。另外，轉(zhuǎn)換閥彈簧的彈性系數(shù)在使用過(guò)程中產(chǎn)生的性能下降也會(huì)導(dǎo)致回中時(shí)間超差。

對(duì)轉(zhuǎn)換閥閥芯進(jìn)行圓柱度與圓跳動(dòng)檢查，對(duì)轉(zhuǎn)換閥彈簧的伸縮力進(jìn)行檢測(cè)，均在合格范圍內(nèi)；檢查轉(zhuǎn)換閥襯套，不存在偏磨現(xiàn)象。

按照常規(guī)排故方法調(diào)整了轉(zhuǎn)換閥襯套，但故障現(xiàn)象仍然存在。因此，排除轉(zhuǎn)換閥導(dǎo)致該故障的可能。

2）回中閥性能下降

回中閥是故障回中模式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?；刂心Ｊ絾?dòng)時(shí)，兩個(gè)SOV1全部切斷，回中閥芯在彈簧力的作用下，使搖臂組件連接于作動(dòng)器的活塞與回中控制滑閥的閥芯之間，組成機(jī)液反饋控制系統(tǒng)，控制作動(dòng)器回到中立位置。

因此，回中閥的彈簧力、閥芯與閥套的摩擦力都會(huì)直接影響回中時(shí)間。

對(duì)回中閥進(jìn)行閥芯的同軸度和圓柱度檢測(cè)，對(duì)彈簧的伸縮力進(jìn)行檢測(cè)，均在設(shè)計(jì)合格范圍內(nèi)；對(duì)回中閥進(jìn)行分組件級(jí)單獨(dú)的性能測(cè)試，性能合格。因此，排除回中閥導(dǎo)致該故障的可能。

3）電磁切斷閥1通斷異常

電磁切斷閥1為四余度通斷閥，采用電氣四余度的結(jié)構(gòu)，有4個(gè)獨(dú)立的線圈。正常工作模式下，線圈通電，活動(dòng)鐵芯產(chǎn)生磁力，推動(dòng)頂桿使鋼球密封于油濾座，這時(shí)SOV1負(fù)載腔與回油溝通，其壓力為回油壓力?；刂心Ｊ絾?dòng)時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出線圈斷開(kāi)電流信號(hào)，線圈失去電流后活動(dòng)鐵芯磁力消失，推桿失去壓力，在進(jìn)油壓力作用下鋼球密封于鋼球座，這時(shí)電磁切斷閥1的控制腔進(jìn)油，使電磁切斷閥2與電磁切斷閥1溝通，形成回路，油路進(jìn)入回中閥，回中模式啟動(dòng)。因此電磁切斷閥1的通斷性能直接影響回中模式的啟動(dòng)時(shí)間。

在舵機(jī)的整體調(diào)試中，“SOV驗(yàn)證試驗(yàn)”是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電磁切斷閥1的性能測(cè)試。本臺(tái)舵機(jī)的測(cè)試過(guò)程中多次對(duì)該項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果均在合格范圍內(nèi)。

分解檢查推桿的磨損程度，無(wú)偏磨現(xiàn)象；顯微鏡檢查鋼球，表面質(zhì)量完好，無(wú)損傷。因此，排除電磁切斷閥1的通斷異常導(dǎo)致回中時(shí)間超差的可能。

4）電磁切斷閥2性能下降

電磁切斷閥2為液壓類(lèi)兩位三通閥，是切斷油路的關(guān)鍵部件，采用5.5mm的鋼球密封。如圖3所示，當(dāng)SOV1斷電時(shí)，SOV2控制腔的壓力為高壓，由于控制腔與進(jìn)油的面積差，鋼球密封于進(jìn)油端，回油與負(fù)載腔相連，負(fù)載腔壓力為回油壓力，切斷油路。

伺服作動(dòng)器在啟動(dòng)故障回中模式時(shí)，由兩個(gè)系統(tǒng)的電磁切斷閥2與電磁切斷閥1聯(lián)合作用分別切斷各系統(tǒng)油路。通過(guò)不斷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該伺服作動(dòng)器的回中時(shí)間超差為單系統(tǒng)（系統(tǒng)2）超差。因此考慮是單系統(tǒng)的電磁閥故障。在排除電磁切斷閥1的故障之后，對(duì)系統(tǒng)2的電磁切斷閥2進(jìn)行故障檢查。

將系統(tǒng)2的電磁切斷閥2分解，進(jìn)行組件級(jí)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明其接通、斷開(kāi)內(nèi)漏均在合格范圍內(nèi)，但是在斷開(kāi)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)負(fù)載腔壓力回零緩慢。負(fù)載腔壓力回零是否迅速，由鋼球與進(jìn)油腔密封性是否良好決定，因此初步判斷鋼球與球座之間的密封性不好。

用顯微鏡檢查鋼球的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)鋼球表面有壓坑，球座有輕微變形。

更換新的鋼球和球座后再次試驗(yàn)，負(fù)載腔斷開(kāi)壓力回零迅速。

將系統(tǒng)2的電磁切斷閥2重新裝入舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試，回中時(shí)間為80ms，試驗(yàn)合格，故障排除。

3 結(jié)論

回中時(shí)間超差是伺服作動(dòng)器的常見(jiàn)故障，一般情況下采用更換轉(zhuǎn)換閥銅襯套的方法排除，這樣操作只是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有掌握排除該項(xiàng)故障的根本原理。本文以某型飛機(jī)伺服作動(dòng)器回中時(shí)間超差故障為例，打破傳統(tǒng)排故方法，通過(guò)對(duì)舵機(jī)回中模式的工作原理進(jìn)行分析，建立故障樹(shù)，對(duì)逐項(xiàng)原因進(jìn)行分析驗(yàn)證，確認(rèn)電磁切斷閥2的鋼球與球座密封性不良是導(dǎo)致本次單系統(tǒng)回中時(shí)間超差的根本原因。另外，此次排故過(guò)程梳理了伺服作動(dòng)器回中時(shí)間超差的各種因素，尤其是單通道的回中時(shí)間超差，對(duì)以后同類(lèi)故障的分析排除有一定的指導(dǎo)作用。

4 預(yù)防措施

通過(guò)對(duì)此次排故過(guò)程的總結(jié)，為今后的修理工作提出以下改進(jìn)措施：

1）電磁切斷閥2為自修產(chǎn)品，鋼球?yàn)楸負(fù)Q件，目視檢查之后進(jìn)行裝配。在后續(xù)修理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)換新鋼球的表面質(zhì)量檢查，避免鋼球表面質(zhì)量不佳引起同類(lèi)故障。

2）電磁切斷閥2球座修理后的檢查要求是零件雙面孔口壓窩表面質(zhì)量應(yīng)光滑，卻沒(méi)有具體的檢查手段和檢查標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)修理過(guò)程中應(yīng)設(shè)置檢查手段及檢查標(biāo)準(zhǔn)，增加對(duì)電磁切斷閥2球座密封面的表面質(zhì)量檢查。

3）電磁切斷閥2的修理試驗(yàn)，除了要檢查接通斷開(kāi)的漏油量，還應(yīng)觀察負(fù)載腔壓力在接通斷開(kāi)過(guò)程的變化是否迅速。

作者簡(jiǎn)介

張麗，工程師，主要從事飛控系統(tǒng)技術(shù)研究與檢驗(yàn)工作。

李玉柱，工程師，主要從事航空裝備修理質(zhì)量監(jiān)督。