某航空氣動作動器輸出力降低故障分析

齊廣峰 張 策 程珊珊

（1.海軍裝備部，西安 710077；2.慶安集團(tuán)有限公司，西安 710077）

1 航空氣動作動器介紹

航空氣動作動器是指將氣壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用于驅(qū)動飛機(jī)各功能部位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從機(jī)械能輸出形式劃分，它通常包含直線輸出和旋轉(zhuǎn)輸出2種形式。本文中航空氣動作動器主要指直線輸出的氣動系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常集成極限位置鎖定、控制閥組、行程檢測以及信號反饋等多種功能。

液壓作動器在飛機(jī)上應(yīng)用廣泛。相比液壓作動器，氣動作動器在飛機(jī)上使用相對較少。氣動作動器常應(yīng)用于要求能夠快速且可靠響應(yīng)的場景，如應(yīng)急系統(tǒng)或救生系統(tǒng)。

與液壓作動相比，氣動作動技術(shù)具有能源清潔環(huán)保、安裝和維護(hù)簡單、氣動元件可靠性較高以及耐環(huán)境性好（耐高溫、防潮和防火）等優(yōu)點。但是，高壓氣動系統(tǒng)存在噪聲大、沖擊大等缺點。

氣動作動器為氣動系統(tǒng)的核心元件。研究人員對氣動作動器開展了大量研究，通過研究分析及實際應(yīng)用，確定了氣動作動器的多種失效模式。其中，沖擊引起的承力件變形及連接失效和過度磨損引起的密封圈變形失效及泄漏較為多發(fā)。

2 某航空氣動作動器輸出力降低故障原因分析

氣動作動器耐久性測試方法分為循環(huán)工作試驗法和加速壽命試驗法2種。循環(huán)工作試驗法是指在額定工況下不斷循環(huán)工作，檢查工作過程中產(chǎn)品性能的變化，優(yōu)點為試驗環(huán)境與真實使用環(huán)境吻合度較高，但耗時過長。加速壽命試驗方法為確定應(yīng)力-壽命模型，通過提高應(yīng)力加快產(chǎn)品故障發(fā)生，縮短試驗時間。加速壽命試驗是將高應(yīng)力水平下的壽命特征代表正常應(yīng)力水平下的壽命特征，主要缺點為應(yīng)力-壽命模型錯誤將導(dǎo)致試驗結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.1 輸出力降低故障

發(fā)生輸出力降低故障的某飛機(jī)艙門用氣動作動器，其壽命試驗采用常規(guī)的循環(huán)工作試驗法。試驗過程中施加氣壓、液壓以及外部載荷等應(yīng)力。

該作動器在壽命試驗臺上安裝時，作動器伸出腔與增壓氣源連接，收進(jìn)腔與緩沖油液循環(huán)系統(tǒng)連接。外載通過液壓加載缸提供，產(chǎn)品與加載缸間連接力傳感器，用于監(jiān)測輸出力大小。試驗臺組成如圖1所示。

試驗時作動器處于收進(jìn)位置，液壓加載缸給產(chǎn)品施加恒定的最大外載，然后調(diào)節(jié)氣源增壓裝置出口壓力閥，給產(chǎn)品伸出腔通額定工作氣壓，在氣壓作用下活塞克服外載伸出，同時將收進(jìn)腔中的油液壓回到緩沖油液循環(huán)系統(tǒng)中，最后外載卸載后加壓將產(chǎn)品活塞收回，至此完成產(chǎn)品壽命試驗中的一個工作循環(huán)。

故障發(fā)生時，作動器活塞處于收進(jìn)極限位置。給作動器活塞施加逆載4 000 N，然后試驗設(shè)備給作動器伸出腔通19 MPa高壓氣體，作動器活塞不工作。當(dāng)外界逆載降低至2 400 N時，作動器活塞可以推動負(fù)載伸出，此時作動器出現(xiàn)輸出力降低故障。

2.2 輸出力降低原因排查

故障發(fā)生后，采用故障樹分析的方法分析故障原因，以輸出力不足作為故障樹分析的頂事件，共總結(jié)出10種可能導(dǎo)致產(chǎn)品輸出力不足的故障因素。故障原因主要包含試驗臺原因和產(chǎn)品自身原因兩大類。

圖1 壽命試驗臺組成

圖2 氣動作動器故障樹

2.2.1 試驗臺原因排查

發(fā)生輸出力降低故障時，已對試驗臺進(jìn)行了詳細(xì)排查，排查過程中未發(fā)現(xiàn)異常。

通過檢查整個輸氣管路未發(fā)現(xiàn)破損及泄漏情況，可排除試驗臺進(jìn)氣不暢（X1）和輸氣管路泄漏（X3）的因素。

現(xiàn)場檢查壓力表、力傳感器的合格證，壓力表和力傳感器經(jīng)過校驗均合格，同時對傳感器及壓力表進(jìn)行校驗，結(jié)果合格，因此排除壓力表指示錯誤（X2）和力傳感器指示錯誤（X4）導(dǎo)致故障的可能。力傳感器指示正常也間接表明試驗臺的加載系統(tǒng)正常，可排除加載缸故障和輸出力超大（X5）的因素。

某飛機(jī)艙門用氣動作動器在有桿腔充滿液壓油，當(dāng)產(chǎn)品無桿腔通氣壓使活塞快速伸出時，有桿腔油液流經(jīng)節(jié)流閥回到飛機(jī)油箱，以控制作動器運動速度及防止沖擊。如果回油不暢，可能導(dǎo)致作動器活塞無法伸出。故障發(fā)生后，檢查試驗臺液壓回路，未發(fā)現(xiàn)堵塞等情況，排除試驗設(shè)備回油不暢（X6）的因素。

對試驗臺導(dǎo)軌和加載缸等摩擦力進(jìn)行測量，試驗臺導(dǎo)軌摩擦力為56～120 N，加載缸啟動壓強(qiáng)（液壓作動器通過測試活塞啟動壓力來表征其摩擦力）為0.15 MPa，摩擦力無異常，因此可排除試驗臺摩擦力過大或卡滯（X7）的因素。經(jīng)過仔細(xì)排查，試驗臺能源系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及傳感顯示系統(tǒng)無異常，試驗臺合格，因此輸出力不足故障由產(chǎn)品原因?qū)е隆?/p>

2.2.2 產(chǎn)品原因排查

產(chǎn)品自身原因?qū)е螺敵隽档偷墓收蠘涞资录^少，經(jīng)分析共有3條，分別為產(chǎn)品設(shè)計的輸出力不足（X8）、產(chǎn)品密封失效導(dǎo)致氣體壓力無法建立（X9）及作動器內(nèi)部實際承壓面積小于設(shè)計面積（X10）。

該飛機(jī)艙門用氣動作動器前期進(jìn)行大量輸出力測試和帶載工作測試，均無問題，同時設(shè)計校核滿足輸出力要求，可以排除產(chǎn)品設(shè)計的輸出力不足（X8）因素。

產(chǎn)品輸出力降低故障發(fā)生后，隨機(jī)對故障件進(jìn)行了保壓測試，產(chǎn)品密封狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)泄漏情況，可排除產(chǎn)品密封失效導(dǎo)致氣體壓力無法建立（X9）的因素。

至此，故障樹對所有可能的故障因素進(jìn)行了逐一排查，其中涉及試驗臺的輸氣管路泄漏、力傳感器指示錯誤、加載缸故障、試驗設(shè)備回油不暢、試驗臺加載運動機(jī)構(gòu)摩擦力大或卡滯等因素通過檢查逐一排除，涉及產(chǎn)品的故障因素中，輸出力設(shè)計錯誤、密封失效等因素通過設(shè)計復(fù)查及密封性試驗進(jìn)行了排查，僅有試驗時產(chǎn)品實際承壓面積不足因素。由于無有效排查方案，X10故障因素待排除。

故障排查中發(fā)現(xiàn)，輸出力不足故障并非一直存在。排查試驗中，偶爾出現(xiàn)輸出力恢復(fù)正常的情況。當(dāng)在壽命試驗臺上試驗時（見圖1），先施加外載荷將活塞壓到收進(jìn)極限，再給產(chǎn)品供壓，會出現(xiàn)輸出力不足情況。如果將加載裝置固定，給氣壓作動器供壓使其產(chǎn)生輸出力時，輸出力檢測正常。該兩項試驗的區(qū)別僅為活塞是否處于收進(jìn)極限位置，當(dāng)活塞處于收進(jìn)極限位置時會出現(xiàn)輸出力不足問題?；钊x開極限位置即使只有0.5 mm，其輸出力馬上恢復(fù)到滿足要求的狀態(tài)。為了進(jìn)一步深入排查故障，需分解檢查產(chǎn)品。

分解產(chǎn)品檢查時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品活塞端面存在白色潤滑油脂集聚的異常情況，結(jié)合前期排查時發(fā)現(xiàn)的活塞處于極限位置才發(fā)生輸出力降低的故障現(xiàn)象，至此基本可以判定輸出力降低故障的原因為潤滑脂進(jìn)入活塞端面使產(chǎn)品承壓面積不足，如圖3所示。

圖3 活塞端面存在潤滑油脂

為了驗證故障原因的正確性，清洗去除白色潤滑油脂后重新裝配產(chǎn)品進(jìn)行試驗，輸出力不足故障消失。

進(jìn)一步排查潤滑油脂來源發(fā)現(xiàn)，裝配時為了密封圈裝配順滑，裝配人員在密封槽內(nèi)部及密封圈上涂抹了大量潤滑油脂，裝配時擠壓及產(chǎn)品通壓工作時氣壓對密封圈的擠壓，導(dǎo)致多余油脂溢出進(jìn)入活塞端面，從而導(dǎo)致輸出力不足故障發(fā)生。

2.3 故障機(jī)理分析

通過故障排查，產(chǎn)品活塞端面與結(jié)構(gòu)貼合處異常進(jìn)入潤滑油脂并形成潤滑脂膜。高壓氣體作用到活塞與結(jié)構(gòu)貼合面前，需要破壞該膜層。根據(jù)研究，當(dāng)膜厚逐漸減小時（外載荷越大，活塞端面與結(jié)構(gòu)貼合度越好），該膜層破壞所需要的剪切力越大。當(dāng)膜層厚度無限接近分子量級時，膜層還會出現(xiàn)微“結(jié)構(gòu)化”現(xiàn)象（類固體化），破壞更難。因此，工作時的19 MPa氣壓不足以破壞潤滑脂膜，導(dǎo)致承壓有效面積減小，輸出力降低。

從產(chǎn)品設(shè)計角度看，氣動作動器為了防止活塞收進(jìn)到極限位置與結(jié)構(gòu)吸合的情況，均需在活塞端面開通流槽（不設(shè)計成完整平面），使氣壓/液壓能夠通過并直接作用在活塞端面，同時活塞端面開槽還能防止吸合破壞時產(chǎn)生的工作異響。本次發(fā)生故障的飛機(jī)艙門氣壓作動器，設(shè)計時未在活塞端面設(shè)計通流槽結(jié)構(gòu)，違反了設(shè)計規(guī)范要求。潤滑脂進(jìn)入到?jīng)]有通流槽的活塞端面，導(dǎo)致實際承壓面積較小，輸出力降低。

3 多余物對氣動作動器的影響

本次氣壓作動器輸出力降低故障的根本原因為裝配環(huán)節(jié)多余物控制不到位，是人為引入了多余物并導(dǎo)致故障的典型案例。反思設(shè)計、制造、裝配及試驗等各環(huán)節(jié)工作，存在多種違反航空產(chǎn)品研制規(guī)范的情況。

航空氣壓系統(tǒng)的內(nèi)部控制閥較為精密。如果系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)存在多余物（航天和航空將所有不屬于系統(tǒng)內(nèi)部的異物統(tǒng)稱為多余物），工作時極易導(dǎo)致閥的堵塞而影響系統(tǒng)功能實現(xiàn)。本氣壓作動器裝配時違反設(shè)計要求，產(chǎn)品內(nèi)部零件使用潤滑油脂作為裝配潤滑介質(zhì)，且使用量較大，使系統(tǒng)內(nèi)部人為引入了異物。除對產(chǎn)品功能的實現(xiàn)造成影響外，作為應(yīng)急系統(tǒng)使用產(chǎn)品，還有可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，造成重大損失。

3.1 多余物對航空產(chǎn)品的危害性

多余物是造成航空產(chǎn)品低層次質(zhì)量問題的重要原因。近年來，飛機(jī)試飛過程先后發(fā)生多起多余物問題，導(dǎo)致飛行事故癥候、機(jī)體損傷，出現(xiàn)多余物問題增加的苗頭。例如：某平尾作動器內(nèi)部襯套與閥芯端面間存在多余物，造成閥芯無法按要求運動，出現(xiàn)平尾作動器回中故障，屬飛行事故癥候；某發(fā)動機(jī)主泵調(diào)節(jié)器擋板活門槽腔內(nèi)有多余物，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)主燃油系統(tǒng)失效，飛機(jī)墜地燃燒損毀，發(fā)生二等飛行事故。

由多余物導(dǎo)致的飛機(jī)故障占故障總數(shù)的1.5%左右，給飛機(jī)安全帶來嚴(yán)重危害，同時帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間緊湊，機(jī)載設(shè)備多，形成許多封閉區(qū)域和遮蔽區(qū)域。多余物一旦進(jìn)入，按照常規(guī)的檢查方法往往很難發(fā)現(xiàn)。由于形成飛機(jī)多余物的物質(zhì)種類非常多，多余物進(jìn)入飛機(jī)的環(huán)節(jié)和途徑也非常多，加之多余物具有隱蔽性和可移動性，使多余物具有不確定性，給飛機(jī)安全帶來了嚴(yán)重危害，危及飛行安全。因此，預(yù)防和控制多余物對保證飛機(jī)安全意義重大。

3.2 航空產(chǎn)品多余物控制方法

多余物控制都是重要工作內(nèi)容之一，貫穿航空產(chǎn)品整個生命周期（設(shè)計研發(fā)、制造、裝配、試驗、包裝、儲運、服役、翻修、報廢），其中設(shè)計研發(fā)、制造及裝配、試驗是防治多余物的重要階段。只有從航空產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的多個維度進(jìn)行多余物控制，才能保證產(chǎn)品安全使用。

設(shè)計研發(fā)是航空產(chǎn)品從無到有的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)充分考慮預(yù)防多余物，保證選擇的原材料、元器件、成件等不會在產(chǎn)品試驗和使用過程中產(chǎn)生多余物。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)采用便于檢查、清除多余物的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不采用易損傷、易脫落的熱處理及表面處理，不選用不牢靠的連接形式。此外，關(guān)鍵部位如重要閥、精密機(jī)構(gòu)等應(yīng)設(shè)計有濾網(wǎng)或防塵罩等，從設(shè)計源頭杜絕多余物的產(chǎn)生。

制造及裝配環(huán)節(jié)是航空產(chǎn)品從理論設(shè)計到實物產(chǎn)出的重要環(huán)節(jié)。制造方面應(yīng)合理選擇工藝方法和工藝流程，確定工藝分界面，以防多余物的產(chǎn)生。裝配方面應(yīng)通過規(guī)范化且專業(yè)化的檢查、零件清洗、修配、調(diào)試以及產(chǎn)品清洗等流程，切實防止實物制造過程中多余物的產(chǎn)生。

產(chǎn)品裝配完成后，需通過試驗驗證其功能性能是否達(dá)到指標(biāo)要求。試驗環(huán)境檢查和試驗操作過程中，多余物的預(yù)防和檢查內(nèi)容細(xì)節(jié)化、規(guī)范化可有效防治多余物，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和使用安全。

4 結(jié)語

氣壓/液壓作動器作為整個系統(tǒng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，重要性不言而喻。通過對某氣壓作動器輸出力降低故障原因分析，查找出輸出力降低的原因，并成功解決故障。此外，通過對某氣壓作動器人為引入多余物導(dǎo)致故障的問題進(jìn)行反思，分析多余物對航空產(chǎn)品的不利影響，闡述了航空產(chǎn)品多余物的控制方法，可為航空產(chǎn)品多余物控制提供借鑒。