某型飛機(jī)液壓泵磨損故障分析

文/李永彬 程巧怡（國營蕪湖機(jī)械廠）

一、引言

液壓泵作為飛機(jī)的動力源，為飛機(jī)提供高壓液壓油，使飛機(jī)按照預(yù)定飛行姿態(tài)和軌跡對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動和控制，在飛機(jī)起飛、飛行操縱、著陸過程中起著十分重要的作用[1]。

液壓泵的故障模式多為空化現(xiàn)象、內(nèi)部異常磨損。張鶴然[2]以某型航空燃油柱塞泵為研究對象，介紹了燃油柱塞泵工作原理和特性，詳細(xì)分析了空化現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制及影響空化發(fā)生的因素，提出優(yōu)化配流盤阻尼槽結(jié)構(gòu)達(dá)到抑制空化現(xiàn)象的改進(jìn)措施，并獲得了試驗驗證。張一夫[3]針對某小型飛機(jī)液壓泵失效故障進(jìn)行分析，找出電機(jī)碳刷過度磨損的原因，認(rèn)為是由于液壓油的異常浸入而加速了碳刷的磨損，根據(jù)故障結(jié)論提出了維護(hù)建議。左子璋[4]根據(jù)AIR1922A 中對應(yīng)轉(zhuǎn)速和排量的柱塞式液壓泵臨界入口壓力的要求，結(jié)合某型機(jī)主液壓泵工作原理和實際安裝位置以及外場故障現(xiàn)象，對在航線運(yùn)營中發(fā)生的主液壓泵典型故障進(jìn)行了分析與診斷。本文對某型飛機(jī)液壓泵磨損故障進(jìn)行了分析，提出了有效的改進(jìn)措施。

二、概述

液壓系統(tǒng)在飛機(jī)中廣泛應(yīng)用，其工作特點可以概括為動作速度快、壓力和溫度高[5]。液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、應(yīng)急電動泵、蓄壓器以及各功能執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。某型飛機(jī)液壓主要完成起落架收放、主起落架機(jī)輪剎車、襟翼收放、前輪轉(zhuǎn)彎等工作，這些動作均由液壓泵提供液壓能源，液壓泵是飛機(jī)液壓系統(tǒng)的核心能源裝置[4]。

某型飛機(jī)在進(jìn)行地面試車時，出現(xiàn)平尾抖動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)第Ⅱ液壓系統(tǒng)壓力從28 MPa 降到22 MPa，隨后系統(tǒng)壓力在22 MPa 到26 MPa 范圍內(nèi)波動，最終壓力保持在22 MPa 波動，此時殼體回油濾壓差信號器安全帽跳起。在飛機(jī)系統(tǒng)接油口處接油進(jìn)行實驗室檢查，外觀目視發(fā)現(xiàn)油液為鮮紅色，經(jīng)實驗室檢查后，油液實驗室檢查等級為GJB 420B-10 級[6]；隨后分解殼體回油濾，其濾芯為工藝濾芯，發(fā)現(xiàn)濾杯油液呈灰黑色，用白色綢布過濾油液，有少量均勻細(xì)小的金屬屑，初步分析判斷為由液壓泵磨損導(dǎo)致的飛機(jī)第Ⅱ液壓系統(tǒng)壓力變化異常。

三、原因分析

1.五件產(chǎn)品分解情況

為進(jìn)一步分析飛機(jī)第Ⅱ液壓系統(tǒng)壓力變化異常的原因，對液壓泵、高壓油濾、低壓油濾、液壓油箱、散熱器等5 項產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查，相關(guān)檢查與分析情況如下。

（1）液壓泵分解情況：故障液壓泵總使用時間為隨發(fā)動機(jī)時間，即1241 小時35 分（約4 年零5 個月）；分解前檢查液壓泵外部保險完整，取出尾部花鍵軸測轉(zhuǎn)動力矩為8 N·m，有卡澀情況，不滿足工藝轉(zhuǎn)動靈活要求；分解進(jìn)油口、出油口和回油口堵蓋，倒出液壓泵內(nèi)腔液壓油，進(jìn)油口液壓油和出油口油液有少許金屬懸浮物。從殼體組件上將斜盤安裝座組件取出，檢查轉(zhuǎn)子端面和分油盤表面無異常脫落、磨損，密封帶位置無異常磨損缺口，滾柱軸承滾柱無異常剝落，軸承無異常磨損，安全活門處的卡圈未斷裂、脫落，內(nèi)部保險完整，支柱等內(nèi)部零件無異常磨損、剝落。檢查轉(zhuǎn)子組件旋轉(zhuǎn)有卡澀，柱塞組件在轉(zhuǎn)子組件孔中往復(fù)運(yùn)動有卡澀感。拆下軸承、轉(zhuǎn)子組件，檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔都有劃傷。測量斜盤處柱塞滑靴活動間隙0.56～0.74 mm，尺寸異常。拆去止動墊片保險，將柱塞從斜盤組件上分解下檢查柱塞滑靴端面有異物輥壓痕跡，其中三個滑靴面有不同程度損傷。發(fā)現(xiàn)夾緊墊圈和分離片異常磨損，分離片外圈已被磨去呈圓環(huán)。檢查石墨環(huán)組件完整無損傷、崩角。從分解現(xiàn)象來看，本次故障分離片與夾緊墊圈處磨損較大，產(chǎn)生大量金屬屑和高溫，導(dǎo)致內(nèi)腔油液碳化發(fā)黑。造成液壓泵磨損的原因需要確定。

（2）高壓油濾分解情況：從外觀進(jìn)行檢查無異常，安全活門的氟塑料密封面狀態(tài)完好，倒出進(jìn)口、出口油液，油液含有少許雜質(zhì)。濾杯有少許金屬雜質(zhì)，有黑色顆粒物質(zhì)殘存，濾芯有部分壓痕、斷絲。

（3）低壓油濾分解情況：對外觀進(jìn)行檢查無異常，安全活門的氟塑料密封面狀態(tài)完好；倒出進(jìn)口、出口油液，油液含有少許雜質(zhì)；濾杯有少許金屬雜質(zhì)，濾芯有部分壓痕、斷絲。

（4）液壓油箱分解情況：產(chǎn)品實物與履歷信息一致，保險及外觀檢查無異常；對液壓油箱進(jìn)行分解，倒出內(nèi)部油液，未見大量金屬屑。液壓油箱內(nèi)部正常。

（5）散熱器分解情況：產(chǎn)品實物與履歷信息一致，保險及外觀檢查無異常；倒出散熱器內(nèi)油液，有少量金屬懸浮，未見大量金屬屑。

綜上，從分解情況來看，液壓泵的夾緊墊圈與分離片磨損，產(chǎn)生細(xì)小金屬屑，造成殼體回油濾流阻過大，指示器跳出。液壓油箱內(nèi)部、系統(tǒng)高低壓油濾內(nèi)部油液及污染物較少，與液壓泵殼體回油濾不同，間接說明了液壓泵回油過濾器未完全失去功能，沒有造成下一級產(chǎn)品的較大污染。

2.液壓泵磨損故障分析

根據(jù)故障液壓泵的分解情況，并結(jié)合故障樹分析，如圖1 所示，首先對液壓泵內(nèi)主要雜質(zhì)進(jìn)行成分確認(rèn)，接著就斜盤處柱塞滑靴活動間隙尺寸異常問題檢查滑靴端面的壓傷情況，最后就夾緊墊圈和分離片異常磨損的問題對其磨損表面進(jìn)行檢測與分析。

圖1 故障樹分析

（1）液壓泵內(nèi)主要大塊金屬雜質(zhì)的金屬成分確認(rèn)：將液壓泵內(nèi)主要大塊金屬雜質(zhì)大都存在于主軸上、主軸端面以及油泵內(nèi)部。主軸上的金屬屑以鐵質(zhì)金屬為主，未發(fā)現(xiàn)異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖2 所示；主軸端面的金屬泥以鐵質(zhì)金屬為主，未發(fā)現(xiàn)異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖3 所示；油泵內(nèi)部小顆粒雜質(zhì)以銅質(zhì)金屬為主，未發(fā)現(xiàn)異常金屬成分，但含碳量偏高，如圖4 所示。

圖2 主軸上金屬屑成分

圖3 主端面金屬泥成分

圖4 油泵內(nèi)小顆粒雜質(zhì)成分

（2）滑靴端面壓傷檢查：在景深劃傷儀電鏡下觀察滑靴壓傷處缺口，缺口有凹坑，為明顯的異物犁鏵、輥壓痕跡，邊緣處存在擠壓毛刺。

（3）夾緊墊圈磨損檢查：夾緊墊圈2/3 圈有磨損，在殼體內(nèi)對應(yīng)的區(qū)域為吸油區(qū)。將夾緊墊圈損傷部位放大進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)夾緊墊圈擴(kuò)散焊銅層有藍(lán)色絲狀鑲嵌物，可以確定藍(lán)色絲狀物為異物。對夾緊墊圈表面進(jìn)行電鏡檢查，發(fā)現(xiàn)磨損表面有多處夾雜物，為不規(guī)則絲狀異物，有的已嵌入銅層。

對絲狀異物材料成分進(jìn)行分析，若材料為金屬物，在電鏡下呈灰暗色，非金屬呈亮色。圖5、圖6 展示了夾緊墊圈上異物的成分分析圖，該絲狀異物為亮色，材料成分以C、O 為主，可以確定為其他外來異物。

圖5 夾緊墊圈鑲嵌異物1 金屬成分分析圖

圖6 夾緊墊圈鑲嵌異物2 金屬成分分析圖

（4）轉(zhuǎn)子孔磨損檢查：圖7 展示了滑靴與轉(zhuǎn)子孔照片磨損情況，分別為9 個柱塞孔不同程度的磨損，其中3#、7#、8#孔磨損已穿透到底部。

圖7 滑靴與轉(zhuǎn)子孔照片磨損情況示意圖

3.液壓泵修理情況核實及運(yùn)轉(zhuǎn)情況分析

從裝配角度來看，影響夾緊墊圈與分離片磨損的關(guān)鍵尺寸、數(shù)據(jù)有：夾緊墊圈與分離片的平面度、配合間隙、螺釘處擰緊力矩，但這些參數(shù)在修理記錄中均滿足要求。且修理過程中在試驗臺上試驗時間約為6 h，根據(jù)磨合試驗后二分檢查看，斜盤組件部分正常，無磨損，而裝機(jī)試車約1 h 出現(xiàn)故障，說明該現(xiàn)象異常。

而修理導(dǎo)致故障的可能性有兩個方面：其一是產(chǎn)品內(nèi)部間隙調(diào)整不當(dāng)，安裝不到位，導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時不平穩(wěn)，局部受力大，快速磨損，但是結(jié)合油泵修理過程，尤其是磨合分解檢查、重新裝配性能試驗及油液污染度檢測，并結(jié)合修理記錄返查、實物分解檢查，該原因的可能性極低；其二是產(chǎn)品在修理過程中，零部件有毛刺或掉塊，修理過程中污染度控制不當(dāng)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦副進(jìn)入異物，破壞潤滑，導(dǎo)致磨損失效。在產(chǎn)品完成性能檢測后分解接頭導(dǎo)管并安裝堵蓋時雖然存在污染的可能性，但該過程時間短，動作簡單，可能性較低。

該架飛機(jī)開車不到1 h，出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，并且磨損顆粒極細(xì)。按液壓泵分解檢查情況，磨損只集中在斜盤組件運(yùn)動部位，明顯異常位置為滑靴頭部。根據(jù)液壓泵內(nèi)部機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和流體運(yùn)動的情況，結(jié)合故障現(xiàn)象可以確定在吸油區(qū)柱塞滑靴給分離片的壓力過大，或分離片和夾緊墊圈間存在異物，會導(dǎo)致結(jié)合部位油膜被破壞，出現(xiàn)非正常的工作磨損。

若是由于分離片和夾緊墊圈間存在異物而造成的磨損現(xiàn)象，則異物進(jìn)入油路的途徑為：異物在吸油區(qū)被吸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)子孔、滑靴導(dǎo)油槽等，最后進(jìn)入夾緊墊圈磨損分離片。異物在滑靴端面受滑靴旋轉(zhuǎn)（離心力）和油膜擠壓（推力）向滑靴外周圓移動。由于滑靴所在圓周角速度和夾緊墊圈與分離片接觸面的角速度相同，但夾緊墊圈與分離片接觸面的線速度比滑靴所在圓周線速度大，根據(jù)伯努利方程[7]，滑靴處壓力大于接觸面處壓力，異物被吸入夾緊墊圈與分離片接觸面中，造成異物磨損。

若是由于柱塞滑靴給分離片的壓力過大而造成的磨損現(xiàn)象，則其可能原因為：油泵進(jìn)口壓力低，吸油負(fù)壓大；異物進(jìn)入柱塞和轉(zhuǎn)子、柱塞球頭和滑靴、滑靴和底板之間，出現(xiàn)偏磨；油液含氣量偏大。上述可能導(dǎo)致油泵柱塞吸、壓油時運(yùn)動受力不平穩(wěn)，運(yùn)動副卡滯，有偏斜或脈動，在由底板支撐滑靴向分離片支撐滑靴，作用力進(jìn)行換向時變化劇烈，不能平滑過渡，油膜被破壞，從而出現(xiàn)非正常的工作磨損。

三、分析與討論

從五件產(chǎn)品的分解情況可以發(fā)現(xiàn)，液壓泵的夾緊墊圈與分離片磨損，產(chǎn)生細(xì)小金屬屑，造成殼體回油濾流阻過大，指示器跳出。液壓油箱內(nèi)部、系統(tǒng)高低壓油濾內(nèi)部油液及污染物較少，與液壓泵殼體回油濾不同，間接說明了液壓泵回油過濾器未完全失去功能，沒有造成下一級產(chǎn)品的較大污染。

針對雜質(zhì)成分、壓傷端面、磨損表面的能譜分析并結(jié)合故障樹分析，從裝配角度來看，影響夾緊墊圈與分離片磨損的關(guān)鍵尺寸、數(shù)據(jù)等這些參數(shù)在修理記錄中均滿足要求。修理過程中在試驗臺上的試驗時間約為6 h，磨合試驗后進(jìn)行二分檢查，結(jié)果顯示斜盤組件部分正常、無磨損現(xiàn)象。而裝機(jī)試車約1 h 出現(xiàn)故障，說明該現(xiàn)象異常。按液壓泵分解檢查情況，磨損只集中在斜盤組件運(yùn)動部位，明顯異常位置為滑靴頭部。根據(jù)液壓泵內(nèi)部機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和流體運(yùn)動的情況，結(jié)合故障現(xiàn)象可以確定在吸油區(qū)柱塞滑靴給分離片的壓力過大，或分離片和夾緊墊圈間存在異物，會導(dǎo)致結(jié)合部位油膜被破壞，出現(xiàn)非正常的工作磨損。

四、結(jié)論及改進(jìn)措施

油泵在磨合試驗后經(jīng)分解檢查合格，重新恢復(fù)裝配并性能復(fù)測合格，在修理過程中油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時間約為6 h，經(jīng)過在線油液污染度檢測合格后交付。故障泵裝機(jī)后短時間內(nèi)快速失效，同時結(jié)合分解檢查的情況，以及對高壓油濾濾杯發(fā)現(xiàn)的黑色顆粒及其他磨損物成分進(jìn)行分析，外來異物磨損液壓泵的可能性極大。從油泵修理過程加強(qiáng)油液污染控制，建議內(nèi)、外場加強(qiáng)系統(tǒng)油液污染相關(guān)控制，做好地面加油時油車、加油接頭清洗等工作。對修理工卡中產(chǎn)品的間隙記錄由原來的9 個范圍值改成81 個點實測記錄。關(guān)注液壓系統(tǒng)油液污染度，定期檢查三型油濾濾芯并定時清洗。內(nèi)場使用的工藝濾芯應(yīng)嚴(yán)格檢查濾芯質(zhì)量，做好清洗工作。注意液壓系統(tǒng)油液含氣量，需要經(jīng)常放氣，避免因氣塞造成摩擦副干磨損。注意檢查油箱增壓壓力，防止壓力過低導(dǎo)致液壓泵磨損。