高性能載人離心機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理和故障維修

李毅峰，蔣 科，李寶輝，王 軼，王海霞，楊明浩，王 紅，金 朝，楊景慧

（空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京100142）

0 引言

載人離心機(jī)是航空航天醫(yī)學(xué)專用的大型地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是航空航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域唯一能夠在地面仿真模擬各種機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作的裝備，能夠使受試者真切感受到飛行對(duì)人體生理、心理的影響，能夠輔助檢查評(píng)估和鑒定飛行人員身體耐力是否適應(yīng)其所飛機(jī)種的要求，飛行人員可以通過離心機(jī)訓(xùn)練提高自身的抗荷耐力。我國于20世紀(jì)90年代開展了載人離心機(jī)訓(xùn)練的相關(guān)研究并在六三型載人離心機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)性訓(xùn)練，2007年六三型載人離心機(jī)退役?，F(xiàn)所使用的高性能載人離心機(jī)是我中心從奧地利AMST公司引進(jìn)的，于2005年交付使用，其具有全平衡、三自由度、高+Gz增長率的特點(diǎn)和動(dòng)態(tài)飛行模擬功能等[1-2]。該設(shè)備對(duì)于提高飛行人員的飛行能力、保障飛行安全具有重要作用。

高性能載人離心機(jī)總體上主要由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)七大系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)包括主臂單元、傳動(dòng)鏈單元和萬向架單元3個(gè)部分。主臂單元用于傳遞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩，帶動(dòng)吊籃旋轉(zhuǎn)；傳動(dòng)鏈單元是主驅(qū)動(dòng)扭矩傳輸給主臂單元的一系列裝置；萬向架單元是用以支撐吊籃進(jìn)行滾轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)的裝置。載人離心機(jī)的工作原理是：當(dāng)旋臂繞固定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生慣性離心力，提供可變重力場(chǎng)，以模擬飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行、飛船起飛和返回階段出現(xiàn)的持續(xù)性加速度環(huán)境。通過調(diào)整受試者體位，可使其受到不同軸向的加速度作用。調(diào)整控制系統(tǒng)可產(chǎn)生不同數(shù)值、增長率和作用時(shí)間的加速度[3]。三軸向載人離心機(jī)可產(chǎn)生X、Y、Z 3個(gè)方向的加速度，這3個(gè)方向加速度的正值方向分別是胸到背方向、右臂到左臂方向、頭到腳方向[4-5]。載人離心機(jī)是加速度生理研究的必要設(shè)備，隨著現(xiàn)有載人離心機(jī)使用年限的增加，其故障發(fā)生率也逐漸提高，這要求工程人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，排除故障并進(jìn)行維修。

載人離心機(jī)系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且隨著訓(xùn)練任務(wù)的不斷增大，其使用率較高，一旦出現(xiàn)問題，需要較快地找出原因，并維修解決。因此熟悉各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，掌握排除載人離心機(jī)各類故障的方法，確保載人離心機(jī)始終處于完好的工作狀態(tài)是十分重要的。載人離心機(jī)系統(tǒng)繁多，各個(gè)系統(tǒng)都可能出現(xiàn)問題，一一列舉比較復(fù)雜，本文僅以剎車系統(tǒng)為例，對(duì)載人離心機(jī)該系統(tǒng)較經(jīng)常出現(xiàn)的故障及典型故障進(jìn)行分析并提出排除方法。

1 故障及維修

1.1 剎車系統(tǒng)常見故障

（1）來自主電動(dòng)機(jī)的故障報(bào)警。分析故障原因，有以下幾種情況：最常見的是軸承潤滑泵方面的問題，可能是主電動(dòng)機(jī)潤滑泵不工作，或者是軸承潤滑油水平太低或泄漏。排除故障的方法為：如果是軸承潤滑泵方面的問題，需檢查潤滑泵供電電源及前端開關(guān)是否正常，及時(shí)予以復(fù)位；如果是軸承潤滑油水平太低或泄漏，需及時(shí)補(bǔ)充專用的潤滑油達(dá)到指定水平。

（2）來自主剎車方面的故障報(bào)警，常見的是剎車打不開。分析故障原因可能是剎車漏氣，或者限位開關(guān)失效。排除故障的方法為：檢查主剎車功能，并檢查限位開關(guān)，如果是限位開關(guān)失效，則更換限位開關(guān)；檢查壓力指示，其低于一定限制即為漏氣，需及時(shí)排氣，恢復(fù)剎車功能。主剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 主剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）來自滾轉(zhuǎn)和俯仰電動(dòng)機(jī)的故障報(bào)警。常見的原因可能是滾轉(zhuǎn)和俯仰電動(dòng)機(jī)供電方面的問題，也可能是剎車系統(tǒng)方面的問題。首先查看滾轉(zhuǎn)和俯仰電動(dòng)機(jī)的供電是否正常、供電開關(guān)是否打開、供電的主接觸器是否正常工作，如果是滾轉(zhuǎn)和俯仰電動(dòng)機(jī)供電方面的問題，排除故障的方法為：打開相應(yīng)開關(guān)和主接觸器，如果開關(guān)和主接觸器等不能正常工作，則更換相應(yīng)部件。其次查看滾轉(zhuǎn)剎車是否正常，如果滾轉(zhuǎn)剎車打不開或在運(yùn)行中關(guān)閉，分析原因可能是剎車是由油壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，依據(jù)電路圖檢查油壓系統(tǒng)開關(guān)或者閥門是否損壞，即如果檢修中滾轉(zhuǎn)剎車可以打開，基本確定是油壓開關(guān)的問題，排除故障的方法為更換受損的油壓開關(guān)；如果滾轉(zhuǎn)剎車一直是閉合的，則檢查閥門，判斷是否是閥門的問題，若是則更換受損的閥門。俯仰剎車的處理方法與上述滾轉(zhuǎn)剎車的排除方法類似。圖2為滾轉(zhuǎn)和俯仰剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 滾轉(zhuǎn)和俯仰剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 剎車系統(tǒng)典型故障1例

1.2.1 排除故障過程

載人離心機(jī)系統(tǒng)開機(jī)后無法運(yùn)行，報(bào)警提示為：Fault hydraulic power unit oil pressure，提示液壓能量單元有問題。主剎車、滾轉(zhuǎn)和俯仰剎車都是油壓剎車方式，液壓能量單元由泵提供動(dòng)力。排除故障時(shí)，首先查看液壓能量單元油箱的油標(biāo)，查看潤滑油水平是否指示正常，排除潤滑油少油或漏油的問題；查看潤滑泵是否正常工作；查看油壓表，檢查是否油壓過高（超過最大工作壓力200 MPa）。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，故障原因很可能是油壓過高，傳感器將此信息傳送給安全可編程邏輯控制器，其檢測(cè)到壓力信號(hào)超限后給出故障報(bào)警，導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)。因此此故障的排除方法是降低油壓，排出潤滑油中的氣體。

具體操作過程為：首先在油箱中加入足夠的潤滑油，防止油面太低，接著將剎車盤的油嘴接上出油管路，打開控制油路出油的開關(guān)和閥門，出油管的另一端連接潤滑油的回收容器，回收的油可以視情況再利用。準(zhǔn)備工作完成后，通過載人離心機(jī)輔助系統(tǒng)打開剎車，接收到剎車命令后，液壓能量單元的潤滑泵開始工作，給潤滑油加壓，潤滑油在壓力作用下進(jìn)入各管路，最后經(jīng)出油口排出。排氣時(shí)需用扳手精確控制油嘴旁邊的控制閥，以達(dá)到控制管中油路流速的目的。載人離心機(jī)主剎車有前后2個(gè)，每個(gè)主剎車有上下2個(gè)剎車盤，分別排出4個(gè)剎車盤位置油路中的氣體。排氣過程中會(huì)觀察到油路中斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)大小不一的氣泡，說明排除氣體有效。一直加壓直至油路中看不到氣泡串，即氣體基本排干凈，可以停止操作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每一個(gè)剎車位置需消耗10 L左右的潤滑油才基本可以把該處油路中的氣體排干凈。

1.2.2 排氣時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）排氣時(shí)應(yīng)密切觀察液壓能量單元油箱的潤滑油水平。從油箱加入的潤滑油經(jīng)各管路從剎車的油嘴排出，操作過程中油箱里的油量不斷減小，因此需經(jīng)常觀察油箱中油標(biāo)。如果油標(biāo)指示的油水平低于一定值，油箱里充斥大量空氣，很容易導(dǎo)致氣體再次進(jìn)入，增加排氣的工作量，因此操作中需密切關(guān)注油水平指示。油水平一般應(yīng)該處于油箱油標(biāo)指示的最下限（紅線）和最上限（藍(lán)線）之間，即最低不能低于紅線，最高不能高于藍(lán)線。但在實(shí)際應(yīng)用中，為防止?jié)櫥驮谂艢膺^程中再次進(jìn)入氣體，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本例故障中的油水平不應(yīng)低于距離紅線約為紅藍(lán)線之間總距離的1/8處，低于此水平線時(shí)需及時(shí)補(bǔ)充油量。

（2）排氣過程中需精確控制閥門的開度。通過調(diào)整剎車盤出油嘴旁邊的閥門來控制出油的速度。如果閥門開得過小，管路不出油或油的流速太低會(huì)使排氣效果不好；如果閥門開得過大，容易造成出油嘴處噴油甚至整個(gè)系統(tǒng)管路噴油，后果也很嚴(yán)重。因此需精確控制好閥門的開度，即控制好出油的速度，需由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)維修人員操作。

（3）操作中需注意出油嘴處管路連接的密封性。出油管和出油嘴需連接牢靠，如果松動(dòng)，出油嘴會(huì)漏油，并且出油嘴和出油管兩端可能直接進(jìn)入大量氣體，使排氣工作量大大增加，因此需注意出油嘴處管路連接的密封性。本例故障中，維修人員在必要時(shí)一直用手加固以確保出油管和出油嘴的牢固連接。

（4）根據(jù)載人離心機(jī)旋轉(zhuǎn)的前后方向?qū)x車分為前剎車和后剎車。在旋轉(zhuǎn)力的影響下，剎車油路中的氣泡容易向前剎車的一方聚集，并且由于氣泡有上浮的特性，所以前剎車上面一側(cè)的油路中氣泡相對(duì)較多一些，因此每次操作時(shí)可考慮為前剎車上面一側(cè)的油路優(yōu)先排氣，預(yù)期能取得較高的效率和較好的效果。

（5）由于排出油中氣體需換較多的潤滑油，排出的攜有氣體的潤滑油較多，直接處理掉較為浪費(fèi)，可以用容器將其回收并放置一段時(shí)間，待里面氣體徹底離析出來以后再重復(fù)利用。

（6）緊急情況下可通過手動(dòng)操作液壓能量單元以快速排出油中氣體，即在斷電情況下先操作油壓傳感器端的卸壓閥快速卸壓，在油壓迅速降低的同時(shí)，氣體也迅速排出，之后再手動(dòng)操作增壓泵，使之增壓到正常壓力水平。增壓后可將剎車手動(dòng)打開并保持打開狀態(tài)，此時(shí)在高油壓的作用下，氣體不容易進(jìn)入，油壓不易降低，從而減少故障報(bào)警。但是不能經(jīng)常手動(dòng)操作打壓，剎車也不能經(jīng)常處于打開狀態(tài)，否則機(jī)械電子設(shè)備經(jīng)常處在上電的高壓狀態(tài)下容易發(fā)熱導(dǎo)致?lián)p壞乃至燒掉，所以該方法只適用于應(yīng)急情況下，應(yīng)盡量減少使用。

1.2.3 故障原因分析

載人離心機(jī)剎車系統(tǒng)此類故障發(fā)生的原因可能來自以下幾個(gè)方面：

（1）油路各管路密封不嚴(yán)所致，但這種情況一般進(jìn)入氣體不多。

（2）管路各接頭密封不嚴(yán)所致，也可能是某個(gè)接頭處松動(dòng)，這種情況發(fā)生的可能性相對(duì)較大。

（3）與潤滑油有關(guān)，潤滑油在快速流經(jīng)不同截面的管路時(shí)會(huì)離析出氣泡，根據(jù)自身的特性，油會(huì)隨著時(shí)間緩慢釋放出氣體。但是鑒于之前系統(tǒng)也是用的同一種潤滑油，卻未曾出現(xiàn)類似故障，所以該方面的因素不強(qiáng)。

（4）維修中液壓能量單元的打壓泵在壓力表顯示的壓力上升到一定數(shù)值后，有的時(shí)候沒有停止，而是仍然打壓了一會(huì)兒才停止，而打壓泵是由可編程邏輯控制器通過相應(yīng)的邏輯控制發(fā)出指令的，此時(shí)油中排出的氣體也并不是很多，所以此種情況也懷疑是打壓泵的邏輯控制出了問題，使其不能及時(shí)停止打壓，導(dǎo)致傳感器檢測(cè)油壓升高而報(bào)警，系統(tǒng)不能啟動(dòng)，而這并不一定是油中氣泡增多的緣故。此種情況可能需對(duì)邏輯控制的軟件部分進(jìn)行修改，才能解決問題。

（5）本故障是載人離心機(jī)更換剎車系統(tǒng)后出現(xiàn)的，新剎車系統(tǒng)的剎車盤沒有排油孔，而原系統(tǒng)存在排油孔，所以考慮故障是由于更換剎車這一事件引起的可能性最大。檢查各油路管路和各接頭，緊固以防止漏氣，并排出油中氣體雖然都是解決方法，但每次操作需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，所以最主要的解決途徑是在新的剎車系統(tǒng)上加上排油孔，這樣當(dāng)油中進(jìn)入氣體，壓力升高時(shí)，通過控制閥能自動(dòng)將油排出，降低油壓，保持油壓正常，不出現(xiàn)故障報(bào)警，使載人離心機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是載人離心機(jī)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，新的剎車系統(tǒng)添加排油孔，需要配件、技術(shù)等各方面的支持，這是后續(xù)需要進(jìn)一步解決的問題。目前為剎車系統(tǒng)油路排氣仍然是排除故障、保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)使用的有效措施和方法。

2 結(jié)語

高性能載人離心機(jī)在科學(xué)研究和飛行人員選拔訓(xùn)練中發(fā)揮著越來越重要的作用。載人離心機(jī)故障的排除一定是建立在熟知其各個(gè)系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)之上，并且需熟悉相應(yīng)圖紙及實(shí)地安裝情況，根據(jù)故障現(xiàn)象分析確定故障可能出現(xiàn)的分系統(tǒng)，進(jìn)而確定可能出現(xiàn)的子系統(tǒng)，最后確定故障具體位置，即盡可能把故障可能出現(xiàn)的區(qū)域縮小，最終把故障鎖定在一個(gè)具體位置點(diǎn)上。這樣才能快速找到故障原因并且排除故障。另外，平時(shí)的維護(hù)工作也是十分重要的，不僅能使設(shè)備處于較好的工作狀態(tài)，同時(shí)也能使維修技術(shù)人員熟悉掌握設(shè)備的使用情況，并作出是否需要進(jìn)行預(yù)防性工作的決策。但是日常維護(hù)要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，并且嚴(yán)格按照要求進(jìn)行規(guī)范操作。能夠準(zhǔn)確、高效、快速地處理設(shè)備出現(xiàn)的故障，是對(duì)載人離心機(jī)維修人員提出的較高要求。作為大型醫(yī)療設(shè)備的維修人員，必須熟知設(shè)備的運(yùn)行原理，并且不斷地學(xué)習(xí)新技術(shù)和新方法，才能完成載人離心機(jī)的維修維護(hù)工作。