飛機液壓系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

中國人民解放軍第5720工廠 楊靜思 韓 石

液壓系統(tǒng)是實現(xiàn)飛機操縱控制、姿態(tài)調(diào)整，確保飛行安全的重要功能系統(tǒng)。與機械傳動、電氣傳動和氣壓傳動等傳動方式相比，液壓傳動能夠輸出較大的推力和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)低速大噸位的傳動，且其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，在現(xiàn)代飛機中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，市場上主要在運營飛機包括波音和空客系列，以及我國商飛的ARJ21 和C919 客機，均采用工作壓力為21MPa 的液壓系統(tǒng)。超音速客機“協(xié)和號”采用了29MPa 的液壓系統(tǒng)?？湛虯350、A380 和波音B787 采用了35MPa 的液壓系統(tǒng)。我國在研的遠程寬體客機CR929 也將采用35MPa 的液壓系統(tǒng)。由于提高液壓系統(tǒng)工作壓力能夠有效地減小液壓系統(tǒng)的體積，同時提高飛機液壓系統(tǒng)的功重比，所以采用35MPa 工作壓力的液壓系統(tǒng)是未來飛機發(fā)展的必然方向和優(yōu)先選擇，并已逐漸在部分機型上得到應(yīng)用。液壓系統(tǒng)工作壓力提高的同時，也帶來無用功增加、發(fā)熱量增大、溫度升高和液壓油液黏性降低等難題。

筆者總結(jié)了飛機液壓系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理，梳理了飛機液壓系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)代飛機液壓系統(tǒng)應(yīng)用情況以及其技術(shù)發(fā)展趨勢。針對飛機液壓系統(tǒng)的特點，闡述了常見的故障原因，結(jié)合設(shè)計、生產(chǎn)和使用階段分析液壓系統(tǒng)的維護方法。

一、液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)的工作是通過對液壓油進行壓力調(diào)節(jié)和控制，驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)作出預(yù)期響應(yīng)，使飛機操縱舵面等部件執(zhí)行相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)對飛行姿態(tài)的控制。按照系統(tǒng)功能，通常將液壓系統(tǒng)分為供壓、執(zhí)行、控制和輔助4 個部分。

供壓部分主要由主油泵、應(yīng)急油泵和蓄能器等構(gòu)成。其主要功能是為液壓油提供壓力輸入，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，實現(xiàn)壓力的實時調(diào)節(jié)。

執(zhí)行部分主要由液壓馬達、作動筒和助力器等組成，處于液壓系統(tǒng)的末端，將傳遞來的壓力信號轉(zhuǎn)化成執(zhí)行機構(gòu)的機械動作，實現(xiàn)壓力能到機械能的轉(zhuǎn)化。

控制部分主要包括流量閥、壓力閥、方向閥和伺服閥等閥門部件，控制著液壓系統(tǒng)的流量、壓力和運動方向。

輔助部分的主要包括導(dǎo)管、壓力表、油濾等部件，提供對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行實時顯示及安全運行提供結(jié)構(gòu)支撐。

2.液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，最具代表性的飛機液壓系統(tǒng)當(dāng)屬采用35MPa 工作壓力的波音B787 和空客A380 客機。

B787 是波音公司民機中首個且是唯一采用35MPa液壓系統(tǒng)的客機，其液壓系統(tǒng)架構(gòu)采用了相互獨立的左、中、右3 套液壓系統(tǒng)的形式。左、右液壓系統(tǒng)為B787 客機液壓系統(tǒng)的主體，其動力源為1 臺作為主泵的發(fā)動機驅(qū)動泵（EDP）和1 臺作為輔泵的兩級功率電動泵（EMP）。其中主泵EDP 的功率為95L/min，其工作貫穿客機的整個飛行過程；輔泵EMP 的功率可分為一級功率106L/min 和二級功率141L/min 兩級。輔泵僅在起、降過程中為液壓系統(tǒng)提供額外的動力，或者在緊急情況下代替主泵提供應(yīng)急動力。中液壓系統(tǒng)被設(shè)置為備份系統(tǒng)，但在正常狀態(tài)下也為前/后緣襟翼及起落架轉(zhuǎn)向機構(gòu)提供液壓動力。在飛機的右側(cè)翼身整流罩內(nèi)安裝有額定功率為72L/min 的沖壓渦輪泵，其作用是在左、右液壓系統(tǒng)均失效的情況下作為最后的動力源為主飛控系統(tǒng)提供應(yīng)急液壓能源。

空客A380 也使用35MPa 液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)架構(gòu)采用黃、綠2 套傳統(tǒng)的液壓作動系統(tǒng)，其動力由8 臺EDP 和4 臺EMP 構(gòu)成。8 臺EDP 通過專用的離合器分別與飛機發(fā)動機相連，每臺EDP 之間相互獨立。A380 客機使用的是威格士公司的PV3-300-31 型EDP泵，配置了帶有脈動衰減器的斜盤式恒壓變量柱塞泵，具有較小的運行噪聲和振動。

二、技術(shù)發(fā)展趨勢

一是工作壓力提升。液壓系統(tǒng)的工作壓力影響工作效率、系統(tǒng)重量和體積等，國內(nèi)外始終堅持著對液壓系統(tǒng)的壓力等級提升的研究。在將近百年的發(fā)展歷程中，飛機液壓系統(tǒng)工作壓力從最開始C-47 運輸機的7MPa 到主流飛機F16 等機型的21MPa 和SU-27 等機型的28MPa，進入新世紀(jì)后發(fā)展到大型客機采用的35MPa。未來，基于35MPa 的飛機液壓系統(tǒng)將逐步成熟并占據(jù)市場。

二是動力系統(tǒng)多元化。傳統(tǒng)飛機液壓系統(tǒng)的動力系統(tǒng)有著嚴(yán)格的主、備用的劃分，其使用順序存在著明顯的優(yōu)先級差別。在波音737-300 之后，各機型逐漸減小了2 套動力系統(tǒng)之間的差距。待到B757 之后，波音的系列飛機中逐漸形成了“左-中-右”3 套動力系統(tǒng)的液壓模式，各動力系統(tǒng)之間趨于同級化。而在空客飛機上，其液壓系統(tǒng)自一開始便采用了多套動力系統(tǒng)并行的模式，在A380 上更是采用了2H/2E 的形式，融入了2 套電系統(tǒng)。

三是脈動低壓化。隨著液壓系統(tǒng)工作壓力的提高，液壓油流量增大，同時液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境越趨復(fù)雜，由動力系統(tǒng)引發(fā)的壓力脈動以及隨之產(chǎn)生的管道振動越來越突出。因此，采取合理的措施降低脈動壓力是一個必然的發(fā)展趨勢。

四是多電化。電控制的優(yōu)勢是能對輸入的指令快速地反應(yīng)，因此在軍用飛機上得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)逐步成熟及作動器等器件的更新發(fā)展，民機也逐漸開始使用這一技術(shù)?？湛虯380 采用的2H/2E 液壓系統(tǒng)便采用了2 套電系統(tǒng)，而波音在B787 上也采用了電系統(tǒng)EMP 控制其中某些舵面，并將其液壓剎車改成了電剎車。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在安全性和可靠性逐漸得到保障的情況下，多電化會成為飛機液壓系統(tǒng)更加青睞的技術(shù)發(fā)展方向之一。

三、常見故障分析

在實際使用中，液壓系統(tǒng)經(jīng)常由于種種原因而出現(xiàn)壓力泄漏等問題，從而引發(fā)故障。主要包括以下7個方面。

一是系統(tǒng)污染。在飛機的使用壽命周期內(nèi)，均需對液壓系統(tǒng)系統(tǒng)的污染度進行有效的控制，若污染度超標(biāo)必將大大降低液壓系統(tǒng)附件的產(chǎn)品性能，進而引發(fā)故障發(fā)生。

二是固體顆粒污染。作為工作介質(zhì)的液壓油常常因為吸入空氣、水或粉塵等受到污染而造成工作壓力的下降，引起管道的顫振，又或者是造成零件的小孔堵塞失靈等嚴(yán)重后果。因吸入粉塵或者因零件之間的相互摩擦產(chǎn)生粉末，液壓油將迅速被污染并將這些固體顆粒輸送到整個系統(tǒng)的管道中，其中包含了一些直徑較小的管路及節(jié)流孔等，其后果便是造成堵塞并損傷精細零件，引發(fā)系統(tǒng)故障。

三是水污染。液壓油混入水形成污染后，對于在高空飛行的飛機而言，其液壓系統(tǒng)時刻面臨著被遇冷形成的小冰晶堵塞管道造成液壓系統(tǒng)失靈的危險，同時金屬部件在與水的接觸過程中更容易出現(xiàn)銹蝕而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞。

四是空氣污染。液壓油的壓力降低后，空氣污染會逐漸溢出聚集成小氣泡，隨著液壓油運動到高壓區(qū)又會受到絕熱壓縮而潰滅，極易引發(fā)脈動振蕩的氣穴。另外，空氣中的氧氣還會引發(fā)液壓油的氧化變質(zhì)，形成酸性環(huán)境后腐蝕管道，影響液壓系統(tǒng)的安全。

五是內(nèi)部殘留污染。除了空氣、水分、灰塵等，液壓任務(wù)系統(tǒng)在執(zhí)行相對運動時，在高溫條件下，橡膠密封膠圈會出現(xiàn)老化磨損等情況，同樣會對系統(tǒng)造成污染，引發(fā)系統(tǒng)故障。

六是管路應(yīng)力安裝。液壓管路如果存在安裝應(yīng)力，在長期高振動環(huán)境下工作，極易發(fā)生導(dǎo)管滲漏油或者斷裂故障，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力滲漏，危及飛行安全。

七是不合理的設(shè)計。液壓系統(tǒng)不合理的分布設(shè)計、零部件設(shè)計等問題極易造成液壓系統(tǒng)散熱困難而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)部件工作不穩(wěn)定。尤其是管路之間由于布置過于緊密而使維護愈加困難，從而為下一次故障的出現(xiàn)埋下了隱患。

四、維護方法

鑒于飛機液壓系統(tǒng)常見的各種故障分析，科學(xué)合理的維護是保障其安全、有效運行的必要環(huán)節(jié)。

一是科學(xué)合理的設(shè)計。在設(shè)計階段必須充分考慮到液壓系統(tǒng)各組件的散熱和維護需求，嚴(yán)格按照液壓系統(tǒng)規(guī)范進行設(shè)計。在總體設(shè)計時，增大維修通道、合理布置液壓附件和導(dǎo)管等，以提高液壓系統(tǒng)的維修性。除此之外，傳統(tǒng)的集中式液壓作動系統(tǒng)遍布全機，液壓管路和操縱拉桿也像蜘蛛網(wǎng)一樣密布，占據(jù)了大量空間和重量，因此，用電傳替代傳統(tǒng)的機械傳動可以大大減少液壓系統(tǒng)的空間和重量，間接地提高液壓系統(tǒng)的修護性。

二是選用高性能的元器件。盡可能選用性能好、可靠性強的液壓附件，選用高精度的油濾以保證液壓油在工作時的清潔度，優(yōu)選大容積的自供增壓油箱以增強油箱的散熱效果，進而提升液壓系統(tǒng)的抗污染能力。

三是采用先進監(jiān)測手段。積極引進融合電控制系統(tǒng)，采用磁塞等先進的監(jiān)測設(shè)備對液壓油的污染情況進行監(jiān)測，并對液壓油油箱進行升級改造，使其具備箱外顯示油量的功能，從而減少油箱的開蓋次數(shù)，降低污染物通過油箱進入液壓油造成污染。

四是培養(yǎng)專業(yè)維修團隊。培養(yǎng)一支由專業(yè)液壓系統(tǒng)維修人員組成的維修隊伍是十分必要的。液壓系統(tǒng)維修人員必須經(jīng)過有關(guān)污染控制標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)定的培訓(xùn)，同時在上崗前必須通過職業(yè)道德和責(zé)任性教育。維修人員要清晰地意識到液壓系統(tǒng)維修工作的重要性、艱苦性和長期性。

五、發(fā)展展望

液壓系統(tǒng)憑借其對力和力矩傳動的優(yōu)勢等，在現(xiàn)代飛機中占據(jù)了不可替代的地位，同時其相關(guān)的技術(shù)也在不斷地發(fā)展和進步，可預(yù)見的是，在未來的液壓系統(tǒng)將逐漸融合更多、更先進的技術(shù)，從而發(fā)揮更大、更重要的作用。

液壓系統(tǒng)的工作特點和運行方式注定了會遇到如液壓油被污染等不可回避的問題，若得不到適當(dāng)?shù)目刂苹蚪鉀Q，必然會引起液壓系統(tǒng)故障，從而造成飛機操縱失靈等嚴(yán)重后果，產(chǎn)生巨大的安全隱患。在飛機設(shè)計階段就必須充分考慮到液壓系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計、合理布置等問題，從元器件優(yōu)選開始進行控制故障。通過專業(yè)人員進行液壓系統(tǒng)的維護和維修，確保液壓系統(tǒng)工作的安全和可靠。

隨著飛機不斷向高速、高機動性、高可靠性等方向發(fā)展，液壓系統(tǒng)必將朝著體積更小、更安全、更可靠、更穩(wěn)定的方向邁進。