雷達天線邊塊鎖銷缸活塞桿縮回問題原因分析及改進措施

王 濤,姜 超,朱亮亮,錢建國,陳國寧

(1.南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司,南京 210038;2.空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室,南京 210016;3.南京智真電子科技股份有限公司,南京 210036)

0 引 言

液壓系統(tǒng)在現(xiàn)代雷達中的應(yīng)用非常廣泛[1]。某大型地面雷達采用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)天線座車自動調(diào)平和天線系統(tǒng)展開/折疊、起豎/倒伏功能。該雷達完成天線邊塊展開/折疊后,8只鎖銷缸通過活塞桿插入鎖銷孔,實現(xiàn)天線展開和折疊狀態(tài)下的鎖定。在雷達架設(shè)后較長時間不操作液壓系統(tǒng)的情況下,8只鎖銷缸中有部分活塞桿多次發(fā)生不同程度的縮回。本文通過排查液壓系統(tǒng)鎖銷缸鎖緊回路,對該問題進行了定位和機理分析,給出了針對鎖銷缸活塞桿縮回的改進措施。

1 鎖銷缸活塞桿縮回情況

液壓系統(tǒng)天線邊塊鎖銷缸活塞桿縮回問題發(fā)現(xiàn)于整機調(diào)試期間,氣溫為19～31℃。檢查液壓源、液控分箱及管路無滲漏現(xiàn)象,將雷達撤收,重新架設(shè)完成后再觀察天線邊塊鎖銷缸活塞桿全部插入到位,持續(xù)觀察天線邊塊鎖銷缸活塞桿的狀態(tài),約兩周后天線邊塊鎖銷缸活塞桿又出現(xiàn)了明顯的縮回現(xiàn)象。

檢查同批次產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)在架設(shè)一周至半個月后,個別天線邊塊鎖銷缸活塞桿有不同程度的縮回。每臺整機有兩個天線邊塊,每個天線邊塊上裝有4個鎖銷缸,活塞桿發(fā)生縮回的鎖銷缸位置呈隨機性,未發(fā)現(xiàn)特定位置容易發(fā)生縮回。從架設(shè)完成到活塞桿發(fā)生縮回的時間也不相同,有的雷達架設(shè)后短期就會出現(xiàn)該現(xiàn)象,有的雷達則是架設(shè)后長期才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。經(jīng)了解已交付用戶使用的該型雷達也存在該問題。

2 問題定位

2.1 系統(tǒng)概述

液壓系統(tǒng)分為座車調(diào)平和天線架設(shè)兩大部分,其中座車調(diào)平部分采用2只水平液壓缸實現(xiàn)天線座車調(diào)平撐架的展開/收攏功能,3只全程鎖緊垂直液壓缸實現(xiàn)天線座車的調(diào)平/撤收功能;天線架設(shè)部分8只鎖銷缸實現(xiàn)天線邊塊鎖銷的插/拔功能,8只展開液壓缸實現(xiàn)天線邊塊的展開/折疊功能,2只鋼球鎖緊液壓缸實現(xiàn)天線系統(tǒng)的起豎/倒伏功能,1只插銷缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺插銷的插/拔功能[2],系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成簡圖

從運輸狀態(tài)到架設(shè)狀態(tài)的工作流程如下:2只水平缸展開到位,3只垂直缸調(diào)平,1只插銷缸插入到位,2×4只鎖銷缸拔出到位,2×4只展開缸展開到位,2×4只鎖銷缸插入到位,2只鋼球鎖緊液壓缸起豎到位,1只插銷缸拔出到位。

從架設(shè)狀態(tài)到運輸狀態(tài)的工作流程如下:1只插銷缸插入到位,2只鋼球鎖緊液壓缸倒伏到位,2×4只鎖銷缸拔出到位,2×4只展開缸折疊到位,2×4只鎖銷缸插入到位,3只垂直缸收腿到位,2只水平缸收攏到位。

2.2 定位分析

天線有兩個邊塊,以一側(cè)天線邊塊為例,鎖銷缸油路液壓原理如圖2所示。

系統(tǒng)工作壓力為16 MPa,4個鎖銷缸(5.1～5.4)

圖2 鎖銷缸油路液壓原理圖

的插/拔由1只電磁換向閥(3)驅(qū)動,鎖銷缸的位置由雙液控單向閥(4)鎖定,單向閥(1)防止回油壓力影響,儲能器(2)起管路熱脹釋放作用。根據(jù)鎖銷缸油路液壓原理,導(dǎo)致鎖銷缸活塞桿縮回的底事件有管路系統(tǒng)故障、鎖銷缸故障、雙液控單向閥故障、油液溫度效應(yīng)[3]。采用排除法對該問題進行定位。

(a)管路系統(tǒng)故障排查

檢查管路系統(tǒng),未發(fā)現(xiàn)管接頭及管路有外泄漏油跡,管路系統(tǒng)密封良好。

(b)鎖銷缸故障排查

對發(fā)生縮回現(xiàn)象的鎖銷缸進行內(nèi)泄漏檢測,一個油口施加24 MPa(1.5倍工作壓力),另一油口通大氣,3 min內(nèi)沒有形成油滴,分別在活塞桿插入到位和拔出到位這兩個極限位置下測量油缸的內(nèi)泄漏,結(jié)果符合GB/T 15622-2005《液壓缸試驗方法》和JB/T 10205-2010《液壓缸》要求。

(c)雙液控單向閥故障排查

液壓鎖定油路使用的雙液控單向閥型號為Z2S6-3-L6X,開啟壓力為0.7 MPa。雙液控單向閥原理如圖3所示,雙液控單向閥密封油液的機理是錐面密封[4]。

圖3 雙液控單向閥原理圖

A、B接電磁換向閥的A、B油口,A1接鎖銷缸的前腔(以下簡稱A1腔),B1接鎖銷缸的后腔(以下簡稱B1腔)。A→A1為自由流動,A處的油壓克服左側(cè)彈簧力,單向閥開啟,高壓油液流至A1口推動鎖銷缸活塞桿縮回,同時推動雙液控單向閥活塞打開右面的單向閥,B1→B回油。當B處有壓力時原理相同。

首先,懷疑系統(tǒng)雙液控單向閥A、B處壓力超過了雙液控單向閥開啟壓力,與雙液控單向閥相連通的電磁換向閥是Y型中位機制,電磁換向閥中位時,A、B兩腔經(jīng)過單向閥(1)通回油,回油油路上并接了一個初始壓力為0.5 MPa(表壓)、容積為6 L的氣囊式儲能器(2)。在故障現(xiàn)場測量氣囊式儲能器接入口的壓力為0.3 MPa<0.7 MPa,雙液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài);其次,對雙液控單向閥進行內(nèi)泄漏檢測。榆次油研、上海立新、華德液壓、PARKER等液壓元件的生產(chǎn)廠家均未給出泄漏量的上限值指標,因此只能參考液壓缸泄漏標準考察雙液控單向閥的密封性能。對A1、B1加壓24 MPa,保壓3 min,觀察A、B處沒有油滴形成,無法判定雙液控單向閥失效;最后,對雙液控單向閥兩腔密封性能的差異進行測試,測試方案如圖4所示。

圖4 雙液控單向閥兩腔密封能差異測試方案

用手動泵經(jīng)測壓軟管對A1、B1兩腔加壓到4 MPa,然后脫開測壓接頭,測壓軟管自帶的單向閥封住油液,觀察壓力表的讀數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)兩腔壓力均有下降,總體趨勢是下降速度越來越慢。表1為10只雙液控單向閥壓力從4 MPa下降到0 MPa的時間。

表1 雙液控單向閥兩腔壓力從4 MPa到0 MPa的下降時間(單位：h)

可以看出,雙液控單向閥兩腔的密封性能存在差異。由圖1可知,當鎖銷缸活塞桿插入到位后,電磁換向閥回到中位,A1腔壓力為0 MPa,B1腔殘余壓力<16 MPa,在常溫狀態(tài)下,B1腔始終產(chǎn)生一個使活塞桿伸出的力,直到B1腔壓力緩慢下降到0 MPa。實物裝置在廠房內(nèi)放置約20 d后,未見鎖銷缸活塞桿有明顯縮回,說明常溫下即使雙液控單向閥兩腔密封性能不一致,鎖銷缸A1腔和B1腔的壓力差不足以克服活塞和缸筒的摩擦力。

(d)油液溫度效應(yīng)

該雷達液壓系統(tǒng)工作于戶外,白天和夜晚必然存在較大溫差,當雙液控單向閥B1腔密封性能低于A1腔時,隨著溫度的升高,熱脹因素可能導(dǎo)致A1腔壓力高于B1腔壓力,活塞桿縮回[5]。

將鎖銷缸、雙液控單向閥、電磁換向閥、單向閥、儲能器等按圖5所示連接,并置于高低溫試驗箱中,采用表1中B1腔泄漏快的8#雙液控單向閥,在各個節(jié)點上安裝壓力表監(jiān)控壓力變化,快換接頭、液壓源等均采用該液壓系統(tǒng)實際產(chǎn)品。當液壓系統(tǒng)安裝在雷達整機上時,與鎖銷缸相連的最長管路長度為6 m,內(nèi)徑為Ф10 mm,采用2個長度為150 mm、內(nèi)徑為Ф63 mm的缸筒模擬管路容積。

圖5 油液溫度效應(yīng)試驗組成圖

操作鎖銷缸反復(fù)插拔,充分排氣后將活塞桿插入到位,此時B1腔液壓約為14 MPa,A1腔壓力為0 MPa。在實際工作時,B1腔壓力會緩慢降低接近于0 MPa,當B1腔壓力大于A1腔時,活塞桿不會縮回,為加速驗證故障現(xiàn)象,人為將B1腔壓力降為0 MPa。

溫度以1 ℃/min從20 ℃升到55 ℃,保溫2 h,測量活塞桿端面相對于油缸端面的長度,再以1 ℃/min降溫至20 ℃,保溫2 h,測量活塞桿端面相對于油缸端面的長度。當活塞桿插入到位時,活塞桿端面相對于油缸端面的初始長度為110 mm。先后用4個鎖銷缸進行試驗,4只鎖銷缸均縮回。試驗結(jié)果見表2,說明鎖銷缸縮回現(xiàn)象與鎖銷缸的差異性關(guān)系不大。

采用A1腔泄漏快的3#雙液控單向閥,重復(fù)單周期溫度循環(huán)試驗,4只鎖銷缸均未縮回。試驗結(jié)果見表3。

表2 油溫效應(yīng)試驗結(jié)果(8#雙液控單向閥,單周期循環(huán))

表3 油溫效應(yīng)試驗結(jié)果(3#雙液控單向閥,單周期溫度循環(huán))

用1#鎖銷缸和8#雙液控單向閥進行10個周期(20 ℃-55 ℃-20 ℃)的溫度循環(huán),測量每個周期活塞桿長度及縮回量,試驗結(jié)果見表4。

表4 油溫效應(yīng)試驗結(jié)果(1#鎖銷缸,8#雙液控單向閥,10周期溫度循環(huán),單位：mm)

可以看出,在溫度循環(huán)下鎖銷缸縮回量逐漸減小,從第4個周期溫度循環(huán)以后趨于穩(wěn)定,不再繼續(xù)縮回。在10個周期溫度循環(huán)中,鎖銷缸活塞桿總共縮回了14 mm,如果忽略油缸的內(nèi)泄漏和鎖銷缸A1腔側(cè)液控單向閥的泄漏,相當于經(jīng)35 ℃溫升后,鎖銷缸(活塞直徑為Φ50 mm,活塞桿直徑為Φ32 mm)A1腔膨脹的體積為

油液的體積膨脹率為aV=(8.5～9.0)×10-4/℃[6],反推與鎖銷缸A1腔相連的油液總?cè)莘e為

實際上,與鎖銷缸A1腔相連的容積主要由兩部分組成:1個內(nèi)徑為Ф63 mm、長度為150 mm的模擬管路容積缸筒,容積為4.6 735×105mm3;2根內(nèi)徑為Ф8 mm、長度為600 mm的軟管,2根軟管的容積為0.6 029×105mm3。因此鎖銷缸A1腔相連的實際容積為4.6 735×105+0.6 029×105= 5.2 764×105mm3,鎖銷缸活塞桿的實際縮回量與采用經(jīng)典油液熱膨脹公式計算的結(jié)果吻合。

綜上所述,當鎖銷缸A1腔側(cè)液控單向閥密封性能優(yōu)于B1腔側(cè)液控單向閥時,環(huán)境溫度變化引起的兩腔壓力差導(dǎo)致天線邊塊鎖銷缸活塞桿縮回。

3 機理分析

為進一步分析銷缸活塞桿縮回的機理,采用仿真軟件對鎖銷缸鎖緊液路進行建模仿真[7-8],仿真模型如圖6所示。

圖6 鎖銷缸活塞桿縮回問題仿真模型

參照實際鎖銷缸參數(shù),采用HCD庫構(gòu)造油缸?；钊睆綖椐?0 mm、桿徑為Ф32 mm,活塞(含活塞桿)重量為2.5 kg,最大靜摩擦力為350 N,活塞桿初始位置0.1 m。用一個直徑為Ф0.001 mm、長度為10 mm的節(jié)流孔模擬油缸的內(nèi)泄漏。兩個可熱交換的Ch容積模塊構(gòu)造管路容積,容積為0.5 L。雙液控單向閥的泄漏用兩個節(jié)流孔模擬。儲能器初始壓力為0.5 bar(表壓),容積為6 L,與實際使用的儲能器參數(shù)一致。液壓油參數(shù)選用15W30。

溫度周期循環(huán),經(jīng)過熱交換器與液壓油熱交換,熱交換系數(shù)采用默認值10 000 W/(mm2·℃)。單周期內(nèi)溫度以1 ℃/min從20 ℃升到55 ℃,保溫2 h,再以1 ℃/min降溫至20 ℃,保溫2 h。

對模擬雙液控單向閥泄漏的兩個節(jié)流孔直徑進行配置,模擬雙液控單向閥兩腔密封性能差異,進行單周期溫度循環(huán)仿真,仿真結(jié)果見表5。

仿真結(jié)果顯示:在A1腔泄漏慢、B1腔泄漏塊的情況下,在單周期溫度循環(huán)后,鎖銷缸活塞桿縮回量達到了約8 mm。仿真結(jié)果中活塞桿的位置變化情況與表2的單周期溫度循環(huán)試驗結(jié)果基本一致。

表5 雙液控單向閥兩腔單周期泄漏情況及仿真結(jié)果(單位：mm)

把A1腔設(shè)置為Ф0.001 mm,B1腔節(jié)流孔設(shè)置為Ф0.005 mm,模擬A1腔泄漏慢、B1腔泄漏快的情況,進行10個周期溫度循環(huán),仿真結(jié)果如圖7所示。

(a) 兩腔溫度

(b) 兩腔壓力

(c) 兩腔壓差(B1-A1)

(d) 活塞桿位移

由圖7可知,縮回量逐步減小,第1周期約9 mm,第2周期約1.5 mm,第4周期后不再縮回。在升溫期間,活塞桿無反彈。仿真結(jié)果顯示的鎖銷缸活塞桿位置變化趨勢與表4所示實物試驗結(jié)果吻合。

仿真結(jié)果充分說明了鎖銷缸活塞桿縮回的機理。隨著溫度的升高,油液膨脹,鎖銷缸兩腔壓力升高,在兩腔形成壓力差。如果A1腔密封性能好,則A1腔壓力大于B1腔壓力,當壓力差超過克服活塞摩擦力(實際使用中存在活塞桿與鎖銷孔的摩擦力)的臨界值時,活塞桿縮回。

4 問題復(fù)現(xiàn)

將表2中的8#雙液控單向閥裝入實際產(chǎn)品,經(jīng)充分排氣后使鎖銷缸活塞桿插入到位,將實際產(chǎn)品置于戶外陽光直射之處,經(jīng)過連續(xù)17 d的自然溫度循環(huán)后,活塞桿累計縮回了22 mm。

5 改進措施

鎖銷缸活塞桿縮回的內(nèi)因是雙液控單向閥兩腔的密封性能存在差異,外因是環(huán)境溫度的變化。改進措施只能從內(nèi)因入手,首先想到的是對雙液控單向閥進行篩選,但是雙液控單向閥的錐面密封效果良好,不太容易通過泄漏量來檢測其密封性能,且各液壓元件廠商也沒有提供泄漏量標準,因此進行雙液控單向閥篩選比較困難。

針對鎖銷缸活塞桿縮回的原因,采取的改進措施為:將雙液控單向閥改為單液控單向閥,鎖銷缸A1腔直接與電磁換向閥的A口相通,杜絕了A1腔由于溫升引起壓力升高的可能性。改進原理如圖8所示。

圖8 鎖銷缸活塞桿縮回問題改進原理圖

可以看出,當活塞桿拔出時,如果外界環(huán)境溫度發(fā)生了變化,不可避免會出現(xiàn)活塞桿伸出現(xiàn)象。系統(tǒng)無論是運輸狀態(tài)還是架設(shè)狀態(tài),鎖銷缸活塞桿都處于插入到位狀態(tài),僅在對天線進行展開或折疊操作時,才要將鎖銷缸活塞桿拔出到位。因此活塞桿處于拔出狀態(tài)的時間就是邊塊展開或折疊動作持續(xù)的時間,展開時間、折疊時間均為2 min,在如此短的時間里,環(huán)境溫度的變化可以忽略,期間鎖銷缸活塞桿不會伸出。系統(tǒng)設(shè)有鎖銷缸拔出到位傳感器,并設(shè)有動作聯(lián)保,一旦鎖銷缸活塞桿伸出,無拔出到位信號,系統(tǒng)會停止動作并報錯,該改進措施不會引起關(guān)聯(lián)問題。

利用這種改進措施整改產(chǎn)品,放入高低溫試驗箱按同樣溫度循環(huán)曲線進行高低溫試驗,未發(fā)生活塞桿縮回現(xiàn)象。采取改進措施后,多部雷達整機經(jīng)充分的戶外驗證試驗,活塞桿均未發(fā)生縮回,改進措施有效。

6 結(jié)束語

本文通過試驗和仿真,分析了雙液控單向閥兩腔密封性能的差異及油液溫度效應(yīng)對鎖銷缸鎖緊回路靜態(tài)性能的影響,闡述了天線邊塊鎖銷缸活塞桿縮回問題的機理,提出了采用單液控單向閥的策略,并通過試驗驗證了該措施可消除天線邊塊鎖銷缸活塞桿縮回的現(xiàn)象,對其他鎖緊和平衡等液壓回路的研究有一定的參考價值。