飛機管路系統(tǒng)單向活門優(yōu)化改進措施

摘 要：飛機管路系統(tǒng)單向活門出現(xiàn)銹蝕、外漏、內(nèi)漏問題，會影響整體單向活門所在的管路系統(tǒng)的功能和性能，進而影響飛機安全。對近年來液壓系統(tǒng)某單向活門銹蝕、外漏、內(nèi)漏的問題進行分析，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)。對改進后的單向活門進行氣密性試驗、振動試驗、壽命試驗、流阻試驗、強度試驗、壓力脈沖試驗以及其他環(huán)境試驗驗證，確保改進措施有效，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：V245.1" " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " 文章編號： 1007 - 9734 （2024） 06 - 0026 - 05

0 引 言

管路系統(tǒng)是飛機系統(tǒng)中非常重要的動力支持部分，被稱為飛機的血管，其安全性和可靠性關(guān)乎整個飛機結(jié)構(gòu)的運行安全和飛行員的生命安全[1]，因此越來越多地受到科研工作人員的重視。管路在飛機的很多系統(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)，每個系統(tǒng)都借助管路實現(xiàn)其特定的功能。液壓系統(tǒng)主要是實現(xiàn)飛機舵面操縱、起落架及艙門收放、武器艙門驅(qū)動、受油探頭收放、前輪轉(zhuǎn)彎供壓、機輪剎車等；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，同時為電子設(shè)備提供冷卻；氧氣系統(tǒng)有機載制氧、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)主要是實現(xiàn)飛機的供油、輸油、加油、通氣增壓、油量測量，并開展重心的控制；防火系統(tǒng)主要是進行火警探測及滅火。飛機系統(tǒng)一般包含多套相互獨立的液壓能源系統(tǒng)，各系統(tǒng)管路中的介質(zhì)是有流動方向的，有的管路中介質(zhì)在不同工作狀態(tài)流動方向是相反的，有的則是單向的。液壓系統(tǒng)是飛機的重要系統(tǒng)之一，具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)的優(yōu)點[2]。液壓系統(tǒng)閥門通常是自動工作，在一個方向流動的介質(zhì)壓力作用下，閥芯打開；介質(zhì)反向流動時，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[3]。壓力損失的大小與液體流動狀態(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，如果一定流量下的液壓閥流阻太大，會使動力源產(chǎn)生的壓力能浪費很多[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)正向流動且達到開啟壓力時，克服彈簧彈力，活門打開，工作介質(zhì)流通；工作介質(zhì)反向流動時，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，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，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)流向標識，防止在安裝維護過程中將單向活門裝反，進而影響系統(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，會影響飛機的飛行安全[8]。安全活門雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在設(shè)計過程中需要注意的事項較多，閥門研制過程涉及管路布局、功能持續(xù)性、上行備件資源緊缺等問題，而且并非所有設(shè)備都可進行在軌更換[9]。本文針對液壓系統(tǒng)某單向活門的故障進行分析，找到相應(yīng)的改進措施，并進行驗證，以此來闡述管路系統(tǒng)涉及的單向活門的改進方向，以供其他系統(tǒng)設(shè)計單向活門時借鑒。

1 單向活門故障分析及改進措施

根據(jù)單向活門裝機使用的問題反饋來看，問題表象主要有產(chǎn)品表面銹蝕、外漏、內(nèi)漏超標三種情況。單向活門的殼體材料為45A并鍍鎘，經(jīng)過對產(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)品在拆裝過程中容易發(fā)生磕碰，導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。

針對單向活門外部漏油進行故障樹分析，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，單扳手操作會擰松管接頭1（見圖1），導致密封失效。密封墊圈2（見圖1）為銅墊圈，在飛機上安裝或拆卸產(chǎn)品時，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，需要使用兩個扳手進行操作，一個扳手卡住系統(tǒng)管路上的六方，另一個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險，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，無法回彈，銅墊圈和管接頭、殼體密封面之間存在間隙，導致外部滲漏問題發(fā)生[10]。

針對單向活門內(nèi)漏進行故障樹分析，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，活門頭以殼體為導向，管接頭與殼體通過螺紋連接，裝配后的殼體導向面與管接頭的密封面同軸度差?；铋T頭復位過程中容易出現(xiàn)偏斜，當活門頭長期偏斜使用后，活門頭上的密封環(huán)帶與管接頭密封環(huán)帶錯位，導致反向漏油量超標，內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)可靠性低。

針對單向活門表面銹蝕、內(nèi)漏和外漏三個問題，進行單向活門的綜合優(yōu)化改進，綜合改進后的單向活門結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

改進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元器件組合等不同方式直接到達油箱。改進后的單向活門相比改進前的單向活門，活門導向面與密封面設(shè)計在同一個零件上，保證導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)，在管接頭略微松動的情況下，橡膠密封圈回彈，仍能保證外部密封，進而提升了外部密封性能。改進后的單向活門整體外部尺寸與更改前一致，換裝過程中不需要對相應(yīng)的系統(tǒng)管路更改。

改進后的單向活門除了密封圈和保護圈外，與改進前的單向活門對比，零件數(shù)量無變化，加工工藝無影響，工藝實施和成本核算方面，無實質(zhì)性變化，未出現(xiàn)因單向活門更改造成的工藝復雜和成本增加情況，且可靠性有較大提升。

單向活門屬于機械零部件產(chǎn)品，應(yīng)按照閥類、活門類組件模式進行可靠性分析。產(chǎn)品可靠性模型為串聯(lián)型，對產(chǎn)品的殼體、活門、彈簧、管接頭、密封圈、保護圈6個零件維度進行可靠性分析，整個產(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)學表達式為：

[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個零組件（i=1，2，…，6）；j是第i個單元的第j個評分因素（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個零組件的故障率，（1/h）；[ωi]是產(chǎn)品下屬第i個零組件所有評分數(shù)的積；[qi]是產(chǎn)品下屬第i個零組件的個數(shù)；[Ci]是產(chǎn)品下屬第i個零組件評分數(shù)的積與產(chǎn)品的評分總數(shù)之比；[rij]是產(chǎn)品下屬第i個零組件第j個因素的評分數(shù)；[ω]是產(chǎn)品的評分總數(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)計定型最低可接受值指標。

2 試驗驗證

2.1" 單向活門整體試驗要求

單向活門改進后，按要求通過了產(chǎn)品的功能、性能和環(huán)境試驗。試驗主要有密封性試驗、流阻試驗、壽命試驗、強度試驗、壓力脈沖試驗。下文針對各項試驗驗證情況進行闡述。

2.2" 密封性試驗

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℃四種工況下進行單項活門的密封性試驗，試驗壓力分別為1MPa、額定工作壓力和1.5倍工作壓力；試驗要求為1MPa壓力下內(nèi)部漏油不超過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3滴/分鐘，不允許出現(xiàn)外部漏油。經(jīng)過2件試驗件的驗證，未出現(xiàn)內(nèi)部漏油和外部漏油現(xiàn)象。

2.3" 流阻試驗

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

2.4" 壽命試驗

按照圖7所示的試驗原理，進行壽命試驗。

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

2.5" 強度試驗

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2件試驗件的驗證，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

按GJB 3849-1999《飛機液壓作動筒、閥、壓力容器脈沖試驗要求和方法》的要求進行壓力脈沖試驗。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)品進口進行加壓，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。試驗結(jié)束后，產(chǎn)品應(yīng)無裂紋、損壞和有害變形，進行密封性試驗，應(yīng)符合2.2節(jié)要求。經(jīng)過2件試驗件的驗證，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題：

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

（2）產(chǎn)品在設(shè)計過程中應(yīng)充分識別外部漏油風險，針對可能的實際使用工況，提升設(shè)計質(zhì)量。

（3）產(chǎn)品在設(shè)計過程中應(yīng)充分識別內(nèi)部漏油分型，分析產(chǎn)品的功能和性能，提升設(shè)計可靠性。

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責任編校：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