某飛機(jī)剎車閥建壓異常故障分析及改進(jìn)

石天諾， 任 杰， 張曉娟， 胡華泉

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 四川 成都 610092)

引言

飛機(jī)剎車系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)和滑行糾偏，對(duì)于保障飛機(jī)平穩(wěn)滑行和安全起降至關(guān)重要，堪稱飛機(jī)最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一[1]。

某新型無人機(jī)采用無源剎車系統(tǒng)，該剎車系統(tǒng)經(jīng)過地面聯(lián)試、滑行及試飛，剎車系統(tǒng)均正常工作。該型飛機(jī)在某次飛行任務(wù)中，落地前剎車自檢出現(xiàn)了剎車自檢報(bào)故的現(xiàn)象，重新通斷電后，剎車自檢仍然報(bào)故，收起落架，再給剎車閥通電，放起落架，剎車自檢恢復(fù)正常，隨后飛機(jī)正常著陸剎停。該故障的發(fā)生，雖沒有造成嚴(yán)重后果，但極大影響了飛機(jī)的飛行安全，影響了后續(xù)飛機(jī)的任務(wù)進(jìn)度。針對(duì)此次故障，搭建了剎車故障樹，通過分析定位了故障原因，根據(jù)故障原因總結(jié)了設(shè)計(jì)缺陷，針對(duì)性的提出了改進(jìn)措施[1-2]。

1 剎車自檢策略及故障現(xiàn)象

該新型無人機(jī)起落架為前三點(diǎn)式布局，并在左右主起落架處設(shè)置有剎車裝置。圖1所示為該型飛機(jī)剎車系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖。該剎車系統(tǒng)主要由飛控計(jì)算機(jī)、左右剎車閥、左右機(jī)輪和左右輪速傳感器組成。當(dāng)飛機(jī)在著陸時(shí)，對(duì)電控剎車系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱和自檢，發(fā)現(xiàn)右電控剎車閥剎車壓力不滿足要求，右剎車自檢故障[3]。

圖1 剎車系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Brake system working principle diagram

(1) 第一次預(yù)熱及自檢，給右電控剎車閥施加20%-100%-20%控制信號(hào)進(jìn)行預(yù)熱11次，在第3次預(yù)熱時(shí)100%信號(hào)的最大輸出壓力只達(dá)到約2.8 MPa 并且不能保持，約7.5 s后壓力降至0 MPa，第4～11次預(yù)熱和3次自檢工作100%信號(hào)壓力均為0 MPa，右剎車自檢故障，曲線見圖2。

圖2 第一次自檢曲線Fig.2 First self-test curve

(2) 給右剎車閥斷電后重新通電，第二次給剎車閥施加20%-100%-20%控制信號(hào)進(jìn)行預(yù)熱11次，在第3次預(yù)熱時(shí)100%信號(hào)的最大輸出壓力只達(dá)到約2.5 MPa并且不能保持，約4 s后壓力降至0 MPa，在第4～11次預(yù)熱和3次自檢工作100%信號(hào)壓力均為0 MPa，右剎車自檢故障，曲線見圖3。

(3) 給右電控剎車閥斷電，收起落架，再給剎車閥通電，放起落架，第三次給剎車閥施加20%-100%-20%信號(hào)進(jìn)行預(yù)熱11次和3次自檢工作，工作正常，剎車自檢正常，曲線見圖4。

圖3 第二次自檢曲線Fig.3 Second self-test curve

圖4 第三次自檢曲線Fig.4 Third self-test curve

故障發(fā)生后，由于飛行員做了有效的處置措施，第三次剎車自檢正常后飛機(jī)正常著陸剎停?；氐降孛婧?，連接綜合檢測(cè)車檢測(cè)右電控剎車閥工作性能，反復(fù)剎車自檢，故障未復(fù)現(xiàn)。由于此故障是影響飛機(jī)飛行安全的重大隱患，故需要進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 故障分析及定位

2.1 故障樹的建立

以該飛機(jī)右電控剎車閥建壓異常為頂事件，根據(jù)故障的現(xiàn)象、 特點(diǎn)以及可能引發(fā)故障的原因進(jìn)行詳細(xì)分析排查，繪制出圖5所示剎車故障樹。根據(jù)故障樹，導(dǎo)致故障發(fā)生的三大類可能原因分別為管路連接處泄漏、電控剎車閥故障、剎車裝置泄漏[4]。現(xiàn)從上述三方面進(jìn)行故障分析及定位[5-6]。

2.2 管路連接處泄漏

管路與剎車閥、管路之間、管路與剎車裝置連接處產(chǎn)生泄漏，會(huì)導(dǎo)致剎車閥建壓異常的情況。飛機(jī)完成飛行任務(wù)著陸后，機(jī)務(wù)人員對(duì)上述連接部位進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)連接處有滲油的情況，因此排除由于管路連接處松動(dòng)或密封面損傷導(dǎo)致滲油、漏油的情況。

2.3 剎車裝置泄漏

1) 襯套上密封圈損壞

襯套上密封圈損壞后，將導(dǎo)致襯套與殼體之間產(chǎn)生內(nèi)部泄漏，造成剎車閥建壓異常的故障。對(duì)襯套上密封圈進(jìn)行分解檢查，未發(fā)現(xiàn)密封圈產(chǎn)生損壞的情況，檢查結(jié)果見圖6。根據(jù)密封圈外觀檢查的情況，排除密封圈損壞導(dǎo)致內(nèi)部泄漏的情況。襯套、密封圈、殼體尺寸也都符合設(shè)計(jì)圖紙的要求。

圖6 襯套上密封圈檢查情況Fig.6 Bushing sealing ring check

2) 密封皮碗密封失效

若襯套與密封皮碗之間有異物時(shí)，皮碗唇口密封失效，使剎車閥密封性降低，將導(dǎo)致產(chǎn)品建壓異常的故障。

圖7 密封皮碗結(jié)構(gòu)Fig.7 Sealing leather structure

圖8 密封皮碗根部損壞情況Fig.8 Sealed leather of damage

2.4 電控剎車閥故障

剎車閥卡滯、控制器故障、直流電動(dòng)機(jī)故障或剎車閥泄漏均可能引起電控剎車閥建壓異常，故主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行檢查分析[7-8]。

1) 剎車閥卡滯

電控剎車閥中剎車閥結(jié)構(gòu)見圖9，電控剎車閥進(jìn)行剎車、松剎車時(shí)，活塞左右移動(dòng)，當(dāng)活塞在向左移動(dòng)過程中與螺塞或(和)襯套卡滯時(shí)， 剎車閥工作腔中輸出的油液量較少，則使主機(jī)輪剎車裝置無法正常建立剎車壓力，導(dǎo)致產(chǎn)品建壓異常的故障[9]。

圖9 剎車閥結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Brake valve configuration

通過對(duì)故障件進(jìn)行分解檢查外觀，計(jì)量相關(guān)零件尺寸，未發(fā)現(xiàn)活塞與襯套、螺塞表面產(chǎn)生嚴(yán)重劃傷、刮傷等情況，相互配合的零件尺寸符合設(shè)計(jì)圖紙要求，故可以排除剎車閥卡滯的可能性。

2) 控制器、壓力傳感器故障

控制板的主要失效模式包括：二次電源故障、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路故障、壓力采集電路故障、單片機(jī)故障、驅(qū)動(dòng)電路故障。壓力傳感器的失效模式主要包括：輸出漂移，傳感器故障。

從故障時(shí)的飛參曲線來看，產(chǎn)品反饋的壓力雖然不能滿足指令要求，但有上升下降的過程，同時(shí)在最后一次壓力下降過程中，壓力是緩慢下降，持續(xù)了約6 s，根據(jù)故障反饋現(xiàn)象可以排除控制器、壓力傳感器故障的可能。

3) 直流電動(dòng)機(jī)故障

根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，在產(chǎn)品工作過程中，直流電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)卡滯、打滑情況，可能造成產(chǎn)品建壓異常的情況。

(1) 打滑 故障件在返廠進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)的過程中，產(chǎn)品工作正常，分解產(chǎn)品檢查，未發(fā)現(xiàn)滾珠絲桿存在軸向竄動(dòng)等情況，因此排除直流電動(dòng)機(jī)打滑的故障，直流電動(dòng)機(jī)檢查情況見圖10。

圖10 直流電動(dòng)機(jī)外觀檢查情況Fig.10 DC motor appearance check

(2) 卡滯 從剎車閥返廠進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)情況分析，產(chǎn)品工作過程中直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部未出現(xiàn)任何異常響聲，產(chǎn)品工作電流滿足產(chǎn)品規(guī)范要求，因此排除直流電動(dòng)機(jī)卡滯的情況。

4) 電控剎車閥泄漏

電控剎車閥中剎車閥出現(xiàn)泄漏，剎車閥輸出的油液量減少，不能滿足主機(jī)輪建立剎車壓力所需的油液量，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)建壓異常。根據(jù)剎車閥泄漏的故障樹，剎車閥出現(xiàn)外部泄漏和內(nèi)部泄漏后均會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生建壓異常的情況。

(1) 外部泄漏 剎車閥在出現(xiàn)建壓異常后，公司機(jī)務(wù)人員第一時(shí)間對(duì)產(chǎn)品外部進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品外部泄漏情況。故障產(chǎn)品返廠后，進(jìn)行了常溫條件下的性能試驗(yàn)、低溫條件下的性能驗(yàn)證試驗(yàn)等工作，未發(fā)現(xiàn)接管嘴、壓力傳感器處泄漏及接管嘴松動(dòng)的情況。因此排除產(chǎn)品外部泄漏的情況。

(2) 內(nèi)部泄漏 剎車閥產(chǎn)生內(nèi)部泄漏的部位有密封皮碗與襯套配合處，襯套、密封圈與殼體配合處。當(dāng)上述部位產(chǎn)生內(nèi)部泄漏后，將導(dǎo)致剎車閥輸出的油液量減少，產(chǎn)生產(chǎn)品建壓異常的故障。

通過對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)剎車閥中有黑色條狀多余物，見圖11。多余物即來自于圖8根部損壞的部分，對(duì)多余物成分進(jìn)行分析，多余物與密封皮碗材料一致，匹配皮碗上的磨損部位。

圖11 多余物Fig.11 Excess

根據(jù)密封皮碗根部損壞的情況，分析認(rèn)為，密封皮碗在工作時(shí)受交變工作壓力作用，密封皮碗產(chǎn)生一定變形，根部先掉落的條狀橡膠材料擠入襯套與活塞配合的間隙中，隨著活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，撕裂密封皮碗的根部，使條狀橡膠材料徹底脫離。密封皮碗掉下的膠條擠入密封面的示意圖，見圖12。

圖12 密封皮碗被擠入密封面的示意圖Fig.12 Schematic diagram of sealing leather squeezed into sealing surface

根據(jù)剎車閥中發(fā)現(xiàn)的密封皮碗損傷情況及多余物，結(jié)合產(chǎn)品的故障進(jìn)行分析確認(rèn)，多余物在活塞往復(fù)工作過程中，進(jìn)入密封皮碗與襯套之間的密封面，從而導(dǎo)致產(chǎn)品密封性降低，以致發(fā)生了產(chǎn)品建壓異常、剎車自檢報(bào)故的故障。

2.5 故障原因驗(yàn)證

1) 模擬多余物驗(yàn)證

根據(jù)故障原因分析和產(chǎn)品分解檢查的情況，結(jié)合產(chǎn)品出現(xiàn)建壓異常問題，初步確定密封皮碗產(chǎn)生多余物是導(dǎo)致產(chǎn)品建壓異常問題的主要原因，為此將圖11的多余物用膠水粘在故障產(chǎn)品中使用的密封皮碗的唇口處(如圖13所示)。恢復(fù)產(chǎn)品裝配后，在給產(chǎn)品施加100%信號(hào)后進(jìn)行多次試驗(yàn)，產(chǎn)品最大建壓至2 MPa后下降至0 MPa。減小多余物尺寸，再次進(jìn)行試驗(yàn)，產(chǎn)品輸出壓力為4 MPa，保持2～3 min后開始下降至0 MPa，其中一次試驗(yàn)保持約12 min后壓力下降至0 MPa。

圖13 密封皮碗粘多余物情況Fig.13 Excess of sealing leather

根據(jù)上述驗(yàn)證的結(jié)果，將多余物放在密封皮碗與襯套之間后，密封皮碗密封性能降低，導(dǎo)致了產(chǎn)品內(nèi)部泄漏的情況，剎車建壓失效。

2) 皮碗磨損試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證皮碗會(huì)隨著剎車閥工作而磨損，進(jìn)而產(chǎn)生多余物，從庫(kù)房新領(lǐng)取了1個(gè)密封皮碗(與故障件密封皮碗狀態(tài)一致)，如圖14所示。

將新領(lǐng)取的密封皮碗完成3000次剎車閥0%-100%-0%建壓循環(huán)試驗(yàn)后， 分解剎車閥檢查密封皮碗外觀情況，密封皮碗根部產(chǎn)生較長(zhǎng)的多余物，見圖15。將密封皮碗拆下后檢查， 發(fā)現(xiàn)密封皮碗根部產(chǎn)生損壞，如圖16所示。

圖14 新領(lǐng)取的密封皮碗Fig.14 Newly collected sealing leather

圖15 新密封皮碗產(chǎn)生多余物情況Fig.15 Excess of newly collected sealing leather

圖16 新密封皮碗根部損壞情況Fig.16 Newly collected sealing leather of damage

2.6 故障定位

產(chǎn)品在工作時(shí)活塞與密封皮碗一起向右移動(dòng)，當(dāng)密封皮碗越過襯套上凹槽后，產(chǎn)品開始建立壓力。隨著活塞與密封皮碗向右逐漸移動(dòng)，產(chǎn)品輸出壓力p逐漸增大，密封皮碗受剎車壓力的作用力逐漸增大，密封皮碗變形增大。由于活塞與襯套之間為間隙配合(配合間隙為0.018～0.074 mm)，若密封皮碗為圖14中根部無倒角狀態(tài)時(shí)，由于活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)無導(dǎo)向裝置，密封皮碗根部很容易產(chǎn)生如圖8所示的磨損情況，根部磨損部分被擠入到活塞與襯套配合的間隙中，而隨著活塞在剎車、松剎車過程中向右、向左反復(fù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將擠入活塞與襯套間隙的部位進(jìn)行撕裂，最后使密封皮碗產(chǎn)生如圖11所示的多余物。在活塞運(yùn)動(dòng)的過程中，密封皮碗根部產(chǎn)生的多余物進(jìn)入密封皮碗與襯套之間的密封面，密封皮碗密封性降低導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部泄漏，從而造成產(chǎn)品建壓異常、自檢報(bào)故的情況。

3 改進(jìn)方案

通過以上故障分析，認(rèn)為皮碗沒有設(shè)計(jì)倒角是本次故障的主要原因。同時(shí)皮碗既沒有設(shè)計(jì)保護(hù)圈，又沒有設(shè)計(jì)導(dǎo)向支撐環(huán)，這加速了皮碗在工作過程中的損壞，故從設(shè)計(jì)角度，提出了以下3項(xiàng)改進(jìn)方案[10-12]。

3.1 增加密封皮碗倒角

根據(jù)剎車閥3000次反復(fù)工作的試驗(yàn)，驗(yàn)證了隨著產(chǎn)品工作次數(shù)的增多，無倒角皮碗磨損越來越嚴(yán)重，一定次數(shù)后便會(huì)出現(xiàn)如圖15所示的條狀多余物。為消除此設(shè)計(jì)隱患，密封皮碗根部設(shè)計(jì)1×30°倒角，如圖17所示。

圖17 增加倒角的密封皮碗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17 Structural diagram of increasing chamfer

3.2 增加保護(hù)圈

隨著活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封皮碗底部與活塞之間會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，工作次數(shù)越多，皮碗磨損的可能性就越高。為減少皮碗底部的磨損，在皮碗底部與活塞之間增加1個(gè)保護(hù)圈，可有效避免底部橡膠的磨損，如圖18所示。

圖18 增加保護(hù)圈示意圖Fig.18 Diagram of increasing protective circle

3.3 增加導(dǎo)向支撐環(huán)

由于活塞運(yùn)動(dòng)沒有導(dǎo)向裝置，活塞容易產(chǎn)生偏磨，密封皮碗受力不均，導(dǎo)致皮碗加速磨損；而增加導(dǎo)向支撐環(huán)后，可保證活塞沿軸向運(yùn)動(dòng)，避免密封皮碗受力不均而產(chǎn)生磨損，見圖19。

4 結(jié)論

針對(duì)某無人機(jī)右電控剎車閥自檢報(bào)故的故障建立了故障樹，基于剎車故障樹對(duì)故障原因進(jìn)行了分析排查，確定故障原因?yàn)閯x車閥使用的密封皮碗沒有設(shè)計(jì)倒角，同時(shí)皮碗既沒有設(shè)計(jì)保護(hù)圈，又沒有設(shè)計(jì)導(dǎo)向支撐環(huán)， 這將加速剎車閥工作過程中皮碗的損壞。針對(duì)此故障原因，提出了改進(jìn)電控剎車閥設(shè)計(jì)的3項(xiàng)方案，消除了設(shè)計(jì)隱患。

圖19 增加導(dǎo)向環(huán)示意圖Fig.19 Diagram of Increasing guide ring