某型無人機剎車失效故障分析

常飛，周曉衛(wèi)

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 故障現(xiàn)象

某型無人機在完成高度12km飛行后著陸滑行過程中，飛機滑行速度降低至180km/h后，飛控計算機給電控剎車閥（左）、電控剎車閥（右）從0發(fā)送12%-27%-40%-80%信號剎車時，左電控剎車閥能夠根據(jù)信號進行壓力輸出實現(xiàn)左機輪剎車。而右電控剎車閥輸出壓力約為1MPa后，其輸出壓力不能隨飛控計算機給出的信號進行壓力輸出，輸出壓力始終保持在1MPa左右，剎車功能失效，致使飛機產(chǎn)生與跑道中心向左側(cè)偏離20m。飛機著陸滑行過程中，飛參記錄的剎車信號、剎車壓力曲線等見圖1。

圖1 飛機著陸滑行時飛參記錄曲線

2 問題定位

通過檢查電控剎車閥（右）外部、電控剎車閥與液壓剎車管路連接處、液壓剎車管路各連接部位、液壓剎車管路與機輪剎車裝置連接處、剎車裝置外部未出現(xiàn)油液滲漏情況，各部件外觀良好，無變形裂紋等情況。

通過下載飛參數(shù)據(jù)進行分析，電控剎車閥在飛機著陸前進行空中預(yù)熱檢查和自檢，能夠正常工作，輸出壓力符合要求。

為查找飛機在滑行過程中出現(xiàn)的剎車失效問題，飛機在機庫停放狀態(tài)下，根據(jù)飛機在飛行時空中預(yù)熱、自檢及滑行時的工作過程進行故障模擬。通過檢查，產(chǎn)品預(yù)熱時信號由15%-100%-15%,左、右電控剎車閥工作正常，輸出壓力符合要求；將信號由0-12%-27%-40%-80%進行變化，輸出壓力正常，故障未復(fù)現(xiàn)，測試的信號和輸出壓力曲線見圖2。

圖2 模擬飛行、滑行時產(chǎn)品工作狀態(tài)地面測試的信號、壓力曲線

根據(jù)故障情況，到機上再次進行了故障檢查。通過綜檢車給電控剎車閥施加0-100%-0信號，使電控剎車閥（左）、電控剎車閥（右）進行剎車、松剎車工作10次，工作正常，輸出壓力符合要求。進行階越響應(yīng)檢查，工作正常，輸出壓力符合要求，同樣未復(fù)現(xiàn)滑行過程中出現(xiàn)的剎車失效故障。測試的信號與輸出壓力曲線見圖3。

圖3 地面剎車、松剎車和階躍信號剎車、松剎車曲線

根據(jù)上述對飛參記錄的數(shù)據(jù)和機上初步檢查、測試的情況，飛機著陸滑行時剎車失效的情況未復(fù)現(xiàn)，結(jié)合維護經(jīng)驗初步推斷剎車失效可能由右電控剎車閥偶發(fā)故障所致。

3 機理分析

3.1 剎車系統(tǒng)組成及工作原理

飛機液壓剎車系統(tǒng)組成及與飛機上其他設(shè)備交聯(lián)關(guān)系見圖4。

圖4 電控剎車閥與其他設(shè)備交聯(lián)框圖

飛機液壓剎車系統(tǒng)主要由電控剎車閥及管路組成，配電功率裝置給電控剎車閥進行供電，飛控計算機剎車指令給機電處理器后，電控剎車閥根據(jù)機電處理器提供的信號輸出與信號成線性對應(yīng)的壓力，實現(xiàn)主機輪剎車。

電控剎車閥的工作原理框圖見圖5，電控剎車閥主要由直流電動機、控制器組件、支座組件、剎車閥等零件組成。直流電動機根據(jù)控制器組件指令進行起、停，滾珠螺母給剎車閥中活塞提供產(chǎn)生壓力的推力，剎車閥進行壓力輸出實現(xiàn)機輪剎車。壓力傳感器用于將采集的輸出壓力反饋給微處理器進行閉環(huán)控制，保證產(chǎn)品輸出壓力與輸入信號線性對應(yīng)?；魻杺鞲衅饔糜谠诋a(chǎn)品無壓力輸出時，對滾珠螺母最大行程和初始位置進行控制。

圖5 電控剎車閥工作原理圖

3.2 建立故障樹

根據(jù)液壓剎車系統(tǒng)及電控剎車閥組成，以及電控剎車閥與主機輪剎車裝置及飛機上其他設(shè)備的交聯(lián)關(guān)系，對剎車失效故障建立故障樹，如圖6所示。

根據(jù)圖6，造成剎車失效故障的底事件共11項，因此，需對11項底事件進行機理分析。

圖6 剎車失效的故障樹

3.3 機理分析

3.3.1 液壓油泄漏

將圖5的飛機液壓剎車系統(tǒng)進行簡化見圖7。要使主機輪能夠進行剎車，滾珠螺母需推動電控剎車閥中的剎車閥的活塞移動，活塞上的密封皮碗將油液輸入管路和主機輪剎車裝置的活塞腔中。當主機輪剎車裝置中剎車間隙消除后，主機輪剎車裝置產(chǎn)生剎車力矩進行主機輪剎車制動。

圖7 液壓剎車系統(tǒng)簡化原理圖

液壓剎車系統(tǒng)建立剎車壓力的數(shù)學(xué)模型：

式中，VS為剎車閥排出的油液體積，mm3；VY△為油液產(chǎn)生壓縮的體積變化量，mm3；VRG△為氟塑料軟管膨脹變形的體積變化量，mm3；VJX為消除剎車間隙所需油液體積，mm3；VX為主機輪剎車裝置變形吸收的油液體積，mm3；

根據(jù)上述分析，當發(fā)生X4、X5、X6、X7、X8中任一情況，將造成剎車閥內(nèi)部泄漏，密封性能降低，直流電動機上的滾珠螺母移動到行程終點位置時，其輸出的工作介質(zhì)體積不滿足于建立壓力所需的油液體積，所以導(dǎo)致電控剎車閥在飛控計算機繼續(xù)增大控制信號后，輸出壓力不能繼續(xù)增大的故障。

3.3.2 剎車裝置間隙變大（X9）

若剎車裝置的剎車殼體發(fā)生較大變形時，將增大剎車間隙，從而導(dǎo)致剎車裝置液壓活塞行程增大，其建立正常壓力所需的油液量增大。當電控剎車閥輸出的油液體積不滿足剎車裝置間隙增大后的油液體積時，則導(dǎo)致電控剎車閥故障。

電路和信號異常也會導(dǎo)致電控剎車閥故障（X1、X2、X3、X10、X11）。

4 故障復(fù)現(xiàn)及定位

根據(jù)上述電控剎車閥的故障機理，對其機理進行分析和驗證，進一步確定產(chǎn)品故障。

4.1 管路、剎車裝置油液泄漏檢查

飛機著陸后，針對電控剎車閥失效的問題，對右側(cè)電控剎車閥、液壓剎車管路及主機輪剎車裝置進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)液壓管路各連接部位及剎車裝置外部存在油液滲漏的情況，因此排除了由于液壓管路和剎車裝置產(chǎn)生泄漏導(dǎo)致電控剎車閥剎車壓力不符合要求的問題。

4.2 剎車裝置剎車間隙檢查

通過對右剎車裝置的剎車間隙進行檢查，該剎車裝置的剎車間隙為0.75～1.25mm，符合設(shè)計圖樣規(guī)定，分解檢查剎車殼體未出現(xiàn)裂紋、變形增大的情況，因此排除剎車裝置由于裂紋、變形增大導(dǎo)致電控剎車閥輸出壓力不隨信號增加的故障。

4.3 信號、電路異常檢查

通過查看整個飛行過程中的飛參和地面通電試驗檢查，發(fā)現(xiàn)控制信號正常，電源系統(tǒng)供電正常，因此排除信號、電路異常導(dǎo)致剎車失效故障。

4.4 密封皮碗與襯套配合處模擬有異物試驗

電控剎車閥內(nèi)部分解檢查時，發(fā)現(xiàn)密封皮碗與襯套配合處有細微金屬顆粒，為驗證密封皮碗與襯套配合處有異物造成電控剎車閥內(nèi)部泄漏后，剎車閥輸出油液體積減小的量值，按下列要求進行了驗證，將剎車裝置上排氣嘴處的堵帽擰松，使排氣嘴處于泄漏狀態(tài)，將剎車時泄漏出的油液收集到量杯中，給電控剎車閥施加100%信號工作一次，產(chǎn)品輸出壓力只能上升至1MPa時，將剎車裝置上的排氣嘴處的堵帽重新擰緊。再給電控剎車閥施加100%信號時，電控剎車閥只能輸出1MPa左右的壓力，且始終保持在1MPa左右，通過對剎車裝置上排氣嘴流出的油液體積進行測量，其泄漏的油液量分別為2.5ml、2.6ml（進行兩次試驗測試的數(shù)據(jù)）。

5 故障確認

根據(jù)上述對電控剎車閥機理分析和驗證，排除了其他因素的影響，只有在電控剎車閥上密封皮碗與襯套之間存在異物導(dǎo)致剎車閥油液內(nèi)部泄漏后，剎車閥輸出的油液體積小于剎車裝置建立壓力的油液體積，所以導(dǎo)致電控剎車閥故障。

電控剎車閥在飛機上滑行中產(chǎn)生剎車失效時輸出的最大剎車壓力為1MPa左右，按上述實際情況，計算電控剎車閥產(chǎn)生1MPa剎車壓力時管路、剎車裝置所需的排油量，以進一步確認導(dǎo)致故障的影響因素。

建立1MPa壓力所需的油液量

通過計算可知，電控剎車閥輸出1MPa壓力所需的液壓油量為1.2ml,與模擬試驗所得數(shù)據(jù)進行對比分析，電控剎車閥最大輸出油液量實測值（滾珠螺母移動到最大位置）為3.8ml，當剎車閥產(chǎn)生上述的油液泄漏量后，剎車閥輸出的油液量為3.8ml-（2.5～2.6）ml=（1.2～1.3）ml,與計算產(chǎn)生1MPa壓力所需的油液量1.2ml基本吻合。

從上述計算與試驗驗證的結(jié)果得出，其他因素已經(jīng)排除，只有電控剎車閥有異物導(dǎo)致內(nèi)部泄漏后，才能造成產(chǎn)品故障出現(xiàn)。因此，分析異物造成電控剎車閥泄漏是導(dǎo)致產(chǎn)品故障的結(jié)論是正確的。

6 維護經(jīng)驗

通過上述分析，電控剎車閥出現(xiàn)故障是由于異物進入密封皮碗與襯套之間造成剎車閥內(nèi)部泄漏所致。為預(yù)防故障再次發(fā)生，針對電控剎車閥內(nèi)部出現(xiàn)異物的情況需采取以下措施：（1）每5起落對液壓剎車系統(tǒng)進行清洗，并取樣進行清潔度化驗；（2）用于裝機的液壓管路，先將管路清洗干凈；連接電控剎車閥管嘴與管路時，用干凈的綢布將接管嘴及管路接口、扳手擦干凈再將接管嘴和管路擰緊。連接接管嘴與管路時，應(yīng)注意避免異物、臟物進入產(chǎn)品及管路中；（3）電控剎車閥和剎車裝置在拆卸后，重新裝機時，先將液壓管路和剎車裝置連接好，擰下剎車裝置上排氣嘴處的堵帽，液壓管路另一端引入盛油的容器中，用油液污染度優(yōu)于或等于GJB420B 6級的液壓油從剎車裝置排氣嘴處向產(chǎn)品內(nèi)輸入油液，輸入油液時間為1min，對剎車裝置及管路進行注油和排氣。將液壓管路與電控剎車閥進行連接，輸入油液，直至電控剎車閥排氣嘴處流出的油液無氣泡為止。