摘 要：飛機(jī)管路系統(tǒng)單向活門出現(xiàn)銹蝕、外漏、內(nèi)漏問(wèn)題，會(huì)影響整體單向活門所在的管路系統(tǒng)的功能和性能，進(jìn)而影響飛機(jī)安全。對(duì)近年來(lái)液壓系統(tǒng)某單向活門銹蝕、外漏、內(nèi)漏的問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)銹蝕與材料及熱表處理有關(guān)，內(nèi)漏與單向活門產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)，外漏與密封結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。對(duì)改進(jìn)后的單向活門進(jìn)行氣密性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、流阻試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、壓力脈沖試驗(yàn)以及其他環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，確保改進(jìn)措施有效，提升了單向活門的可靠性。

關(guān)鍵詞：管路系統(tǒng)；單向活門；銹蝕；外漏；內(nèi)漏

中圖分類號(hào)：V245.1" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " 文章編號(hào)： 1007 - 9734 （2024） 06 - 0026 - 05

0 引 言

管路系統(tǒng)是飛機(jī)系統(tǒng)中非常重要的動(dòng)力支持部分，被稱為飛機(jī)的血管，其安全性和可靠性關(guān)乎整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全和飛行員的生命安全[1]，因此越來(lái)越多地受到科研工作人員的重視。管路在飛機(jī)的很多系統(tǒng)中都有應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域有液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)、救生系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和防火系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都借助管路實(shí)現(xiàn)其特定的功能。液壓系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)舵面操縱、起落架及艙門收放、武器艙門驅(qū)動(dòng)、受油探頭收放、前輪轉(zhuǎn)彎供壓、機(jī)輪剎車等；環(huán)控系統(tǒng)主要為飛行員提供舒適的座艙溫度和座艙壓力，同時(shí)為電子設(shè)備提供冷卻；氧氣系統(tǒng)有機(jī)載制氧、備用制氧以及氧氣調(diào)節(jié)三部分功能，主要是為飛行員供氧；救生系統(tǒng)主要涉及座艙蓋操縱；燃油系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的供油、輸油、加油、通氣增壓、油量測(cè)量，并開展重心的控制；防火系統(tǒng)主要是進(jìn)行火警探測(cè)及滅火。飛機(jī)系統(tǒng)一般包含多套相互獨(dú)立的液壓能源系統(tǒng)，各系統(tǒng)管路中的介質(zhì)是有流動(dòng)方向的，有的管路中介質(zhì)在不同工作狀態(tài)流動(dòng)方向是相反的，有的則是單向的。液壓系統(tǒng)是飛機(jī)的重要系統(tǒng)之一，具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)[2]。液壓系統(tǒng)閥門通常是自動(dòng)工作，在一個(gè)方向流動(dòng)的介質(zhì)壓力作用下，閥芯打開；介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，由介質(zhì)壓力與閥芯的自重和閥芯作用于閥體，從而切斷流動(dòng)[3]。壓力損失的大小與液體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。閥類零件的流阻性能一直是考察其總體性能的重要指標(biāo)，如果一定流量下的液壓閥流阻太大，會(huì)使動(dòng)力源產(chǎn)生的壓力能浪費(fèi)很多[4]。閥內(nèi)部流道的特性影響閥組的通流能力，直接影響液壓系統(tǒng)的工作效率[5]。

單向活門是航天動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的閥類元件之一，單向活門結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)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(zhì)正向流動(dòng)且達(dá)到開啟壓力時(shí)，克服彈簧彈力，活門打開，工作介質(zhì)流通；工作介質(zhì)反向流動(dòng)時(shí)，活門在工作介質(zhì)和彈簧共同作用下關(guān)閉，防止工作介質(zhì)反向流動(dòng)，起到限流作用[7]。單向活門的錐形閥芯在彈簧預(yù)壓縮力作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)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(qiáng)，可以有效防止氣體倒流，如圖1所示。在殼體上有工作介質(zhì)流向標(biāo)識(shí)，防止在安裝維護(hù)過(guò)程中將單向活門裝反，進(jìn)而影響系統(tǒng)正常工作，如圖2所示。

閥門內(nèi)氣體壓力、流速等參數(shù)在使用中可能會(huì)產(chǎn)生周期性變化，結(jié)合彈簧、活門等零部件的固有頻率，會(huì)影響飛機(jī)的飛行安全[8]。安全活門雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)較多，閥門研制過(guò)程涉及管路布局、功能持續(xù)性、上行備件資源緊缺等問(wèn)題，而且并非所有設(shè)備都可進(jìn)行在軌更換[9]。本文針對(duì)液壓系統(tǒng)某單向活門的故障進(jìn)行分析，找到相應(yīng)的改進(jìn)措施，并進(jìn)行驗(yàn)證，以此來(lái)闡述管路系統(tǒng)涉及的單向活門的改進(jìn)方向，以供其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)單向活門時(shí)借鑒。

1 單向活門故障分析及改進(jìn)措施

根據(jù)單向活門裝機(jī)使用的問(wèn)題反饋來(lái)看，問(wèn)題表象主要有產(chǎn)品表面銹蝕、外漏、內(nèi)漏超標(biāo)三種情況。單向活門的殼體材料為45A并鍍鎘，經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的外觀檢查，發(fā)現(xiàn)單向活門銹蝕的主要原因是產(chǎn)品在拆裝過(guò)程中容易發(fā)生磕碰，導(dǎo)致殼體表面鍍層脫落，未起到防腐作用，最終出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。

針對(duì)單向活門外部漏油進(jìn)行故障樹分析，詳見圖3。經(jīng)分析，外漏的主要原因是單向活門連接管路時(shí)，單扳手操作會(huì)擰松管接頭1（見圖1），導(dǎo)致密封失效。密封墊圈2（見圖1）為銅墊圈，在飛機(jī)上安裝或拆卸產(chǎn)品時(shí)，需要使用扳手卡住管接頭或殼體六方，然后再擰緊系統(tǒng)管路。正常情況下，需要使用兩個(gè)扳手進(jìn)行操作，一個(gè)扳手卡住系統(tǒng)管路上的六方，另一個(gè)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(tǒng)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(fēng)險(xiǎn)，造成殼體與管接頭連接預(yù)緊力降低。由于銅墊片已產(chǎn)生塑性變形，無(wú)法回彈，銅墊圈和管接頭、殼體密封面之間存在間隙，導(dǎo)致外部滲漏問(wèn)題發(fā)生[10]。

針對(duì)單向活門內(nèi)漏進(jìn)行故障樹分析，詳見圖5。經(jīng)分析，單向活門內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)為活門頭與管接頭硬密封，活門頭以殼體為導(dǎo)向，管接頭與殼體通過(guò)螺紋連接，裝配后的殼體導(dǎo)向面與管接頭的密封面同軸度差?；铋T頭復(fù)位過(guò)程中容易出現(xiàn)偏斜，當(dāng)活門頭長(zhǎng)期偏斜使用后，活門頭上的密封環(huán)帶與管接頭密封環(huán)帶錯(cuò)位，導(dǎo)致反向漏油量超標(biāo)，內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)可靠性低。

針對(duì)單向活門表面銹蝕、內(nèi)漏和外漏三個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行單向活門的綜合優(yōu)化改進(jìn)，綜合改進(jìn)后的單向活門結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

改進(jìn)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(tǒng)需將腔體流出的油液通過(guò)元器件組合等不同方式直接到達(dá)油箱。改進(jìn)后的單向活門相比改進(jìn)前的單向活門，活門導(dǎo)向面與密封面設(shè)計(jì)在同一個(gè)零件上，保證導(dǎo)向面與密封面的同軸度，提升了產(chǎn)品內(nèi)部密封質(zhì)量[11]。單向活門的鋁墊圈端面密封改為橡膠圈徑向密封結(jié)構(gòu)，在管接頭略微松動(dòng)的情況下，橡膠密封圈回彈，仍能保證外部密封，進(jìn)而提升了外部密封性能。改進(jìn)后的單向活門整體外部尺寸與更改前一致，換裝過(guò)程中不需要對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)管路更改。

改進(jìn)后的單向活門除了密封圈和保護(hù)圈外，與改進(jìn)前的單向活門對(duì)比，零件數(shù)量無(wú)變化，加工工藝無(wú)影響，工藝實(shí)施和成本核算方面，無(wú)實(shí)質(zhì)性變化，未出現(xiàn)因單向活門更改造成的工藝復(fù)雜和成本增加情況，且可靠性有較大提升。

單向活門屬于機(jī)械零部件產(chǎn)品，應(yīng)按照閥類、活門類組件模式進(jìn)行可靠性分析。產(chǎn)品可靠性模型為串聯(lián)型，對(duì)產(chǎn)品的殼體、活門、彈簧、管接頭、密封圈、保護(hù)圈6個(gè)零件維度進(jìn)行可靠性分析，整個(gè)產(chǎn)品的可靠度RS為：

[Rst=R1t1×R2t2×R3t3×R4t4×R5t5×R6t6]

產(chǎn)品故障率的分配模型數(shù)學(xué)表達(dá)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(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件（i=1，2，…，6）；j是第i個(gè)單元的第j個(gè)評(píng)分因素（j=1，2，…，6）；[λs]是產(chǎn)品規(guī)定的故障率，是產(chǎn)品規(guī)定MTBFs的倒數(shù)，（1/h）；[λi]是分配給產(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件的故障率，（1/h）；[ωi]是產(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件所有評(píng)分?jǐn)?shù)的積；[qi]是產(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件的個(gè)數(shù)；[Ci]是產(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件評(píng)分?jǐn)?shù)的積與產(chǎn)品的評(píng)分總數(shù)之比；[rij]是產(chǎn)品下屬第i個(gè)零組件第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)；[ω]是產(chǎn)品的評(píng)分總數(shù)。

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

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1" 單向活門整體試驗(yàn)要求

單向活門改進(jìn)后，按要求通過(guò)了產(chǎn)品的功能、性能和環(huán)境試驗(yàn)。試驗(yàn)主要有密封性試驗(yàn)、流阻試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)、壓力脈沖試驗(yàn)。下文針對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證情況進(jìn)行闡述。

2.2" 密封性試驗(yàn)

分別在常溫、環(huán)境溫度-55℃、環(huán)境溫度80℃、工作介質(zhì)溫度100℃和環(huán)境溫度150℃四種工況下進(jìn)行單項(xiàng)活門的密封性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力分別為1MPa、額定工作壓力和1.5倍工作壓力；試驗(yàn)要求為1MPa壓力下內(nèi)部漏油不超過(guò)5滴/分鐘，額定工作壓力和1.5倍工作壓力下內(nèi)部漏油不超過(guò)3滴/分鐘，不允許出現(xiàn)外部漏油。經(jīng)過(guò)2件試驗(yàn)件的驗(yàn)證，未出現(xiàn)內(nèi)部漏油和外部漏油現(xiàn)象。

2.3" 流阻試驗(yàn)

在+20℃和-30℃下，分別從產(chǎn)品進(jìn)口通入壓力為700L/h的液壓油，流阻應(yīng)不大于0.2MPa。經(jīng)過(guò)2件試驗(yàn)件的驗(yàn)證，結(jié)果表明流阻滿足試驗(yàn)要求。

2.4" 壽命試驗(yàn)

按照?qǐng)D7所示的試驗(yàn)原理，進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

向產(chǎn)品通入額定工作壓力下的工作介質(zhì)，試驗(yàn)次數(shù)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(yàn)壓力分別1MPa、額定工作壓力和1.5倍工作壓力；試驗(yàn)要求為1MPa壓力下內(nèi)部漏油不超過(guò)5滴/分鐘，額定工作壓力和1.5倍工作壓力下內(nèi)部漏油不超過(guò)3滴/分鐘，不允許出現(xiàn)外部漏油。經(jīng)過(guò)2件試驗(yàn)件的驗(yàn)證，未出現(xiàn)內(nèi)部漏油和外部漏油現(xiàn)象。

2.5" 強(qiáng)度試驗(yàn)

常溫下從產(chǎn)品的出口通入3倍額定工作壓力的工作介質(zhì)，產(chǎn)品應(yīng)不出現(xiàn)永久變形和滲漏現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)2件試驗(yàn)件的驗(yàn)證，未出現(xiàn)內(nèi)部漏油和外部漏油現(xiàn)象。

2.6" 壓力脈沖試驗(yàn)

按GJB 3849-1999《飛機(jī)液壓作動(dòng)筒、閥、壓力容器脈沖試驗(yàn)要求和方法》的要求進(jìn)行壓力脈沖試驗(yàn)。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(chǎn)品進(jìn)口進(jìn)行加壓，使產(chǎn)品內(nèi)部受壓，工作循環(huán)次數(shù)為1×105次，脈沖循環(huán)頻率最大為5Hz。試驗(yàn)結(jié)束后，產(chǎn)品應(yīng)無(wú)裂紋、損壞和有害變形，進(jìn)行密封性試驗(yàn)，應(yīng)符合2.2節(jié)要求。經(jīng)過(guò)2件試驗(yàn)件的驗(yàn)證，未出現(xiàn)內(nèi)部漏油和外部漏油現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

單向活門優(yōu)化需要考慮如下三方面問(wèn)題：

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

（2）產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分識(shí)別外部漏油風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)可能的實(shí)際使用工況，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（3）產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分識(shí)別內(nèi)部漏油分型，分析產(chǎn)品的功能和性能，提升設(shè)計(jì)可靠性。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊振華，蔡迎峰，高磊，等.28MPa液壓系統(tǒng)螺紋連接Ⅰ型密封的失效分析與性能控制[J].液壓與氣動(dòng)，2023，47（11）：183-188.

［2］張學(xué)雷，王曉欣，譚倫.直升機(jī)液壓系統(tǒng)溫度特性建模與仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2018，46（22）：37-40.

［3］王夢(mèng)麗，鄭高鋒，侯云，等.一種單向閥設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝優(yōu)化[J].液壓氣動(dòng)與密封，2023，43（9）：97-100.

［4］陳鐸.基于典型單向閥結(jié)構(gòu)流阻特性仿真研究[J].煤礦機(jī)械，2013，34（2）：83-84.

［5］趙鵬，李瑞川，徐繼康，等.液壓閥回流流道的改進(jìn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2019，47（14）：35-40.

［6］趙宇龍，劉士偉，寇瑩，等.氣路單向活門三維流場(chǎng)的仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].閥門，2023（6）：744-747.

［7］李陽(yáng).單向閥內(nèi)部振動(dòng)的分析[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2011，37（2）：60-62.

［8］彭熙偉，陳建萍，李金倉(cāng).單向閥的特性及應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2004（1）：60-61.

［9］楊旋，王隆基，焦飛飛，等.某載人航天器供氣單向閥運(yùn)動(dòng)特性研究[J].2023，29（6）：810-816.

［10］謝良喜.有限元技術(shù)在單向閥失效原因分析中的應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006（2）：57-58.

［11］黨井衛(wèi)，胡立龍，汪趙宏.某型飛機(jī)用作動(dòng)筒油液污染問(wèn)題研究[J].機(jī)械工程師，2023（7）：124-126，130.

責(zé)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