楊茂勝，畢玉泉，陳躍良，楊炳恒，姜文豪

（海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041）

美國(guó)現(xiàn)役的MK7-3型攔阻裝置是目前世界上各國(guó)海軍中攔阻能量等級(jí)最大的著艦攔阻裝備，能量等級(jí)達(dá)到6 500 t·m。當(dāng)固定翼艦載機(jī)以航速240 km/h 著艦時(shí)，MK7-3型攔阻裝置能夠保障飛機(jī)在102 m 內(nèi)安全著艦[1-3]。定長(zhǎng)沖跑控制閥是MK7-3阻攔裝置的心臟，它通過(guò)控制定長(zhǎng)沖跑控制閥閥口的節(jié)流壓降，將阻攔機(jī)主液壓缸的液壓能轉(zhuǎn)化為熱能，有效控制阻攔機(jī)主液壓缸的壓力變化規(guī)律和飛機(jī)的阻攔距離，在規(guī)定的阻攔距離內(nèi)，為不同重量和速度的飛機(jī)提供理想的阻攔力[4-5]。

本文介紹了MK7-3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥的結(jié)構(gòu)組成，分析了其基本控制原理，討論了常見(jiàn)故障的種類(lèi)及其產(chǎn)生的原因。

1 MK7-3型攔阻裝置工作原理

如圖1所示，當(dāng)艦載機(jī)著艦時(shí)，飛機(jī)尾鉤鉤住用鋼索支撐系統(tǒng)支撐至甲板面一定高度的阻攔索，飛機(jī)前沖力通過(guò)阻攔索傳遞到滑輪組索上，滑輪組索再將該作用力傳遞到滑輪緩沖裝置、阻攔機(jī)動(dòng)滑輪組、定滑輪組、鋼索末端緩沖裝置上。阻攔索的初始沖擊力迫使滑輪緩沖裝置動(dòng)作，減少阻攔索的峰值應(yīng)力，隨著滑輪組索被飛機(jī)尾鉤不斷拉出，阻攔索牽動(dòng)阻攔機(jī)動(dòng)滑輪組向定滑輪組方向移動(dòng)從而帶動(dòng)主液壓缸柱塞運(yùn)動(dòng)，主液壓缸中的工作液經(jīng)定長(zhǎng)沖跑控制閥閥口節(jié)流降壓后流向蓄能器，主液壓缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力，為飛機(jī)提供阻攔力，同時(shí)蓄能器內(nèi)的壓力隨之也升高，為阻攔索裝置的復(fù)位提供了壓力能[6-7]。

圖1 MK7-3型攔阻裝置工作原理

當(dāng)著艦飛機(jī)的前沖運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，阻攔索和滑輪組索中的應(yīng)變能將會(huì)使飛機(jī)稍微往回滑動(dòng)，阻攔索便自動(dòng)地從飛機(jī)尾鉤上脫落。打開(kāi)復(fù)位閥，蓄能器內(nèi)的壓力液體通過(guò)油液冷卻器冷卻和油液過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入主液壓缸，將柱塞連同動(dòng)滑輪組、定長(zhǎng)沖跑控制閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推至初始待命位置，從而使阻攔索裝置又恢復(fù)到待阻攔狀態(tài)，待完全復(fù)位后，關(guān)閉復(fù)位閥，為下次阻攔作準(zhǔn)備。

2 結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，MK7-3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥主要由閥體、閥體支柱和飛機(jī)重量選擇器3部分組成。

圖2 定長(zhǎng)沖跑控制閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 閥體

閥體由閥套、閥芯、閥座和一些安裝組件組成。工作時(shí)，一方面從主液壓缸的來(lái)油通過(guò)閥座流向閥口，在閥口處經(jīng)節(jié)流降壓后，由閥體流向蓄能器；另一方面，調(diào)整螺釘在外部作用力的帶動(dòng)下推動(dòng)閥套，從而帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉閥口。閥體組件的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由外力所控制的節(jié)流閥，主要作用是在閥口上下兩端產(chǎn)生壓力差，為飛機(jī)提供阻攔力。

2.2 閥體支柱

閥體支柱由凸輪和上、下?lián)u塊以及柱塞組成的搖臂機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中，凸輪安裝在水平方向的凸輪軸上。工作時(shí)，在鏈輪的帶動(dòng)下，凸輪繞著凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪線(xiàn)型的變化就可以控制閥口的關(guān)閉規(guī)律。

搖塊機(jī)構(gòu)從上至下共有4個(gè)軸承，其中1號(hào)軸承與上端凸輪組件的凸輪相連，4號(hào)軸承與下端閥體組件的調(diào)整螺釘相連，在1號(hào)和4號(hào)兩個(gè)軸承之間安裝有上、下兩個(gè)搖塊。工作時(shí)，軸承1在凸輪旋轉(zhuǎn)力的作用下和軸承2 一起向下運(yùn)動(dòng)，軸承2的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上搖塊繞著支點(diǎn)A 做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)軸承3 向下運(yùn)動(dòng)，軸承3的運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)下?lián)u塊繞著支點(diǎn)B 做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)軸承4 向下運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)與之相連的調(diào)整螺釘向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉閥口。

在閥體支柱中核心就是這兩個(gè)搖塊，從這兩個(gè)搖塊的簡(jiǎn)化示意圖圖3中可以看出，假如此時(shí)軸承3和4都處在上、下?lián)u塊的中間位置，那么要想軸承4 向下移動(dòng)1個(gè)單位長(zhǎng)度，就需要軸承3 向下運(yùn)動(dòng)2個(gè)單位長(zhǎng)度，而軸承2就需要向下移動(dòng)4個(gè)單位長(zhǎng)度，即軸承2與軸承4 向下移動(dòng)距離的比值是4∶1，這個(gè)比值叫做臂長(zhǎng)比。進(jìn)一步來(lái)看，軸承2移動(dòng)的距離也就是凸輪最下端點(diǎn)移動(dòng)的距離，而軸承4 移動(dòng)的距離也就等于閥芯向下移動(dòng)的距離，由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和閥芯的向下移動(dòng)是同步進(jìn)行的，所以，距離的變化也就代表了速度的變化。因此，臂長(zhǎng)比在這里反映的實(shí)質(zhì)就是凸輪線(xiàn)型變化時(shí)最下端點(diǎn)移動(dòng)速度與閥芯移動(dòng)速度之間的比值。假如沒(méi)有這兩個(gè)搖塊，閥芯向下移動(dòng)速度就等于凸輪最下端點(diǎn)移動(dòng)速度，而有了這兩個(gè)搖塊，閥芯的向下移動(dòng)的速度既可以等于又可以不等于凸輪下端的移動(dòng)速度，也就是說(shuō)通過(guò)搖塊臂長(zhǎng)比的改變，就可以改變閥芯向下移動(dòng)速度，這就是安裝這兩個(gè)搖塊的主要作用。

圖3 搖塊機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 飛機(jī)重量選擇器

飛機(jī)重量選擇器安裝在閥體支柱上搖塊左端，主要由指示器、手輪和導(dǎo)向螺桿組成。當(dāng)需要調(diào)整飛機(jī)重量設(shè)置時(shí)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)或者手輪旋轉(zhuǎn)，就可以帶動(dòng)導(dǎo)向螺桿伸縮，改變上搖塊支點(diǎn)A的位置，支點(diǎn)位置A的改變，使得軸承2和軸承3分別在上、下?lián)u塊上的位置也發(fā)生變化，也就改變了整個(gè)搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比。另外，支點(diǎn)位置A的改變，通過(guò)搖塊結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)，帶動(dòng)軸承4 向下運(yùn)動(dòng)，最終反應(yīng)在閥芯向下移動(dòng)的距離上，也就是閥的初始開(kāi)口大小。預(yù)開(kāi)口大小的調(diào)節(jié)，使得阻攔力大小適應(yīng)了飛機(jī)重量的變化，而臂長(zhǎng)比的改變，保證了重量設(shè)置不同時(shí)閥口的關(guān)閉時(shí)機(jī)相同。

當(dāng)導(dǎo)向螺桿處于最大伸出狀態(tài)時(shí)，也就是立柱組件中的4個(gè)軸承處在同一直線(xiàn)上時(shí)，初始狀態(tài)下閥芯向下移動(dòng)的距離最小，也就是閥的預(yù)開(kāi)口最大，此時(shí)所設(shè)置的飛機(jī)重量應(yīng)該最輕，搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比為1∶1。隨著導(dǎo)向螺桿逐漸向左縮回，閥芯向下移動(dòng)的距離越來(lái)越大，臂長(zhǎng)比也逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)向螺桿向左運(yùn)動(dòng)到底處于最大縮回狀態(tài)時(shí)，閥芯向下移動(dòng)的距離最大，也就是閥的預(yù)開(kāi)口最小，此時(shí)所設(shè)置的飛機(jī)重量應(yīng)該最重，同時(shí)臂長(zhǎng)比增加到最大，為4∶1。但是不管所設(shè)置的飛機(jī)重量輕還是重，在飛機(jī)達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度都是一樣的，由于凸輪線(xiàn)型一定，因而軸承1 向下移動(dòng)的距離也一樣。只是重量輕時(shí)，預(yù)開(kāi)口大，也就是要使得閥口關(guān)閉需要閥芯向下移動(dòng)的距離h1就大(見(jiàn)圖4a))；重量重時(shí)，預(yù)開(kāi)口小，h2就小(見(jiàn)圖4b))。但是重量輕時(shí)的臂長(zhǎng)比小，軸承1 向下移動(dòng)1 mm，閥芯也向下移動(dòng)1 mm，而重量重時(shí)，臂長(zhǎng)比大，軸承1 向下移動(dòng)4 mm，閥芯才向下移動(dòng)1 mm，即是重量輕時(shí)閥芯向下移動(dòng)的速度快，重量重時(shí)閥芯向下移動(dòng)的速度慢。這樣就可以保證在相同時(shí)間內(nèi)讓h1和h2都能同時(shí)變?yōu)?，也就是讓閥口同時(shí)關(guān)閉，飛機(jī)同時(shí)停住。

圖4 重量選擇器搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比

3 控制原理

由阻攔裝置基本工作原理可知，阻攔力的大小最終是反映在主液壓缸內(nèi)的液壓壓力上。因此，控制阻攔力的變化，也就是控制主液壓缸中的壓力變化，使其滿(mǎn)足阻攔需求：一方面，飛機(jī)在阻攔過(guò)程中過(guò)載要平穩(wěn)，也即盡量保持阻攔力恒定；另一方面，還需適應(yīng)飛機(jī)重量變化。

為了分析方便，將阻攔裝置中的相關(guān)部件動(dòng)滑輪柱塞、主液壓缸、定長(zhǎng)沖跑控制閥單獨(dú)列出來(lái)，如圖5所示。

圖5 定長(zhǎng)沖跑控制閥控制原理

由液壓原理可知，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)閥口的液壓油流量Q是與閥口上下兩端的壓力差 ΔP以及閥口面積A 成正比，即：

式中，k1是一個(gè)與閥口形狀、油液性質(zhì)有關(guān)系的系數(shù)，在這里是一個(gè)常數(shù)。而流過(guò)閥口的液壓油也就是從主液壓缸中排出的液壓油，其流量大小可用主液壓缸缸筒的移動(dòng)速度v'和缸筒面積S的乘積來(lái)表示，而缸筒的移動(dòng)速度與飛機(jī)滑跑速度v 成正比，因而流量還可以表示為：

式中，系數(shù)k2是缸筒移動(dòng)速度與飛機(jī)滑跑速度間的一個(gè)比例因子。聯(lián)合式(1)和(2)，消掉Q就可以求得A的大小，

式中，k1、k2和S 這3 項(xiàng)都是常數(shù)，用另外一個(gè)系數(shù)k 來(lái)代替，最終得到閥口面積A的表達(dá)式

由于閥口上端的液壓油是流向蓄能器的，其工作壓力在2～4 MPa之間，而主液壓缸中的工作壓力P1一般在60 MPa 左右，因而P2的數(shù)值相對(duì)于主液壓缸中的壓力P1來(lái)講是一個(gè)小量，可以近似地認(rèn)為閥口上下兩端的壓力差 ΔP代表了主液壓缸中的壓力P1。要滿(mǎn)足過(guò)載穩(wěn)定的需求，也就是要求 ΔP 不變，而飛機(jī)速度在滑跑過(guò)程中是逐漸減小的，因而就要求閥口面積也逐漸變??；反過(guò)來(lái)，只要能控制好閥口面積的變化規(guī)律，讓其與飛機(jī)速度的變化規(guī)律相同，就能保證 ΔP 不變，從而滿(mǎn)足過(guò)載穩(wěn)定的需求，同時(shí)當(dāng)飛機(jī)達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)控制閥口，讓其完全關(guān)閉，面積為0，速度就為0，飛機(jī)停止向前滑行，也就達(dá)到了定長(zhǎng)阻攔的目的。所以，控制阻攔力變化使其滿(mǎn)足過(guò)載穩(wěn)定和定長(zhǎng)阻攔兩個(gè)需求都可以通過(guò)控制閥口面積的變化規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)飛機(jī)重量增加時(shí)，所需阻攔力也需增加，也就是要增大 ΔP。在初始條件下，由于飛機(jī)著艦的初始速度v0一定，由式(4)可知，要想增加 ΔP，就必須減小閥口面積A，也就是閥的初始開(kāi)口要變小。所以，要滿(mǎn)足飛機(jī)重量變化的需求，只要控制閥的初始開(kāi)口大小就可以實(shí)現(xiàn)，讓飛機(jī)重量大時(shí)閥的預(yù)開(kāi)口小，重量小時(shí)閥的預(yù)開(kāi)口大。

4 工作過(guò)程

定長(zhǎng)沖跑控制閥的工作過(guò)程如圖6所示，飛機(jī)尾鉤鉤住阻攔索后，一方面，主液壓缸中的工作液經(jīng)凸輪閥流向蓄能器，當(dāng)油液高速流過(guò)凸輪閥時(shí)，在閥口上下產(chǎn)生壓力差 ΔP，從而為飛機(jī)提供阻攔力；另一方面，凸輪軸右端的鏈輪在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)線(xiàn)型變化推動(dòng)其最下端點(diǎn)向下移動(dòng)，帶動(dòng)立柱主件上的軸承向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)搖塊結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)，推動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，改變閥口面積A，從而控制閥口上下兩端壓力差的變化規(guī)律，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)，凸輪閥閥口在凸輪線(xiàn)型變化下完全關(guān)閉，飛機(jī)停住，阻攔過(guò)程結(jié)束。此外，當(dāng)飛機(jī)重量發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)重量選擇器的設(shè)置，一方面，可以調(diào)節(jié)閥的預(yù)開(kāi)口大小；另一方面，還改變了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，最終使得不同重量飛機(jī)都能在相同的規(guī)定滑跑距離內(nèi)停下。這就是整個(gè)凸輪閥的工作過(guò)程。

圖6 定長(zhǎng)沖跑控制閥工作過(guò)程

5 常見(jiàn)故障分析

通過(guò)對(duì)收集資料的整理、分析后發(fā)現(xiàn)，定長(zhǎng)沖跑控制閥在使用中最常見(jiàn)的故障主要有3類(lèi)，分別是飛機(jī)重量設(shè)置不準(zhǔn)、閥芯不能正常關(guān)閉和密封件出現(xiàn)滲漏。

5.1 飛機(jī)重量設(shè)置不準(zhǔn)

假如在阻攔作業(yè)前飛機(jī)重量設(shè)置偏小，閥的預(yù)開(kāi)口偏大些時(shí)液壓油就能更容易流過(guò)閥口。因此，在閥口上下產(chǎn)生的壓力差 ΔP就偏小，為飛機(jī)提供的阻攔力也偏小，而阻攔力小，則飛機(jī)在達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)，速度就還不能減為0。但由于閥口關(guān)閉時(shí)機(jī)不因飛機(jī)重量設(shè)置而改變，也就是在此時(shí)閥口已完全關(guān)閉，由式(4)可知，面積A為0，速度v不為0，因而 ΔP 趨于無(wú)窮大，從而產(chǎn)生一個(gè)極大的過(guò)載，強(qiáng)行將飛機(jī)停下，整個(gè)阻攔過(guò)程中過(guò)載的變化趨勢(shì)如圖7中的虛線(xiàn)所示。由于過(guò)載太大，一方面，可能超出飛行員或機(jī)體的承載能力，造成人員受傷或飛機(jī)損傷；另一方面，還能可能導(dǎo)致阻攔鋼索斷裂，造成機(jī)毀人亡的事故[8-9]。

假如在阻攔作業(yè)前飛機(jī)重量設(shè)置偏大，則在阻攔開(kāi)始的瞬間，阻攔力迅速增加，產(chǎn)生一個(gè)過(guò)載極值，如圖7中點(diǎn)劃線(xiàn)所示。如果此極值在飛行員或機(jī)體的承受范圍以?xún)?nèi)，則阻攔作業(yè)是安全的，只是飛機(jī)的阻攔距離比正常時(shí)要短，一旦此極值超出了承受范圍，則可能造成比重量設(shè)置偏小時(shí)更為嚴(yán)重的后果[10]。

圖7 重量設(shè)置不準(zhǔn)對(duì)過(guò)載的影響

5.2 閥芯不能正常關(guān)閉

定長(zhǎng)沖跑控制閥閥蕊是控制閥口上下兩端的節(jié)流壓降，將阻攔機(jī)主液壓缸的液壓能轉(zhuǎn)化為熱能，有效控制阻攔機(jī)主液壓缸的壓力變化規(guī)律和飛機(jī)阻攔距離的關(guān)鍵部件。由于艦艇長(zhǎng)期服役于海洋環(huán)境中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件直接或間接地受到海水的侵蝕，腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，使得定長(zhǎng)沖跑控制閥在使用一段時(shí)間后在閥蕊的表面出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物的堆積，導(dǎo)致閥蕊不能正常關(guān)閉，引起二次阻擋。因此，在定長(zhǎng)沖跑控制閥的使用中，應(yīng)當(dāng)定期檢查閥芯的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修理或更換。

5.3 密封件出現(xiàn)滲漏

在定長(zhǎng)沖跑控制閥的初始安裝時(shí)，如果O型密封圈、擋圈等密封件安裝質(zhì)量不好，或者在使用過(guò)程中出現(xiàn)損壞，密封件將出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，使得系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，從而影響到定長(zhǎng)沖跑控制閥的工作可靠性，降低阻攔作業(yè)的安全性。為了防止此類(lèi)故障現(xiàn)象的發(fā)生，在工作中應(yīng)按時(shí)仔細(xì)檢查密封件的質(zhì)量、滲漏情況，出現(xiàn)問(wèn)題立即進(jìn)行重新安裝或及時(shí)更換。

6 結(jié)論

本文以美國(guó)現(xiàn)役的MK7-3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥為例，分析了它的基本控制原理，討論了其在使用當(dāng)中容易出現(xiàn)的故障，并分析了其故障產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：維護(hù)操作不當(dāng)造成的重量設(shè)置不準(zhǔn)、閥芯不能正常關(guān)閉和密封件出現(xiàn)滲漏是最典型的3種常見(jiàn)故障，其中飛機(jī)重量設(shè)置偏小和偏大都會(huì)引起閥口初始面積的變化，使得阻攔力過(guò)載產(chǎn)生突變，從而造成飛機(jī)損傷或者人員傷亡，甚至導(dǎo)致阻攔作業(yè)失敗。

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