劉瑞杰，張潤澤

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

液壓系統(tǒng)具有功率大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏和精度高等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各型直升機上，協(xié)助完成直升機起飛、著陸過程的各種操作功能。與此同時，液壓系統(tǒng)又有其脆弱的一面，而抗污染能力低是其突出的弱點[2]，而且當(dāng)故障發(fā)生后，故障診斷又往往十分困難。目前直升機液壓系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)相對落后，主要是憑簡易診斷儀器和工程技術(shù)人員經(jīng)驗的主觀診斷法，對技術(shù)人員經(jīng)驗的依賴性強，自動化程度低，通用性差，因此，液壓系統(tǒng)故障智能診斷成為當(dāng)前急需解決的重點問題[3]。本文以某型直升機液壓系統(tǒng)污染故障為研究對象，運用故障樹分析方法并結(jié)合工程實際進行推理，找出了產(chǎn)生故障的根本原因，提高了直升機液壓系統(tǒng)的智能故障診斷水平。

1 液壓系統(tǒng)污染分析及故障樹模型構(gòu)建

故障樹分析法(Fault Tree Analysis)具有層次性強、因果關(guān)系明確等特點，是液壓設(shè)備進行故障診斷的主要分析方法之一[4]。故障樹分析法結(jié)合液壓系統(tǒng)原理深層次的知識和領(lǐng)域?qū)＜业木S修診斷經(jīng)驗構(gòu)建故障樹，明確直觀地反映出了診斷系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系。本文對直升機的“液壓系統(tǒng)污染”故障進行分析，并選取這一故障作為頂事件，找出系統(tǒng)中頂事件發(fā)生的所有直接和間接原因作為第二級事件，然后根據(jù)演繹分析法，再找出造成第二級事件發(fā)生的原因，這樣逐級查找下去，直至追查到頂事件發(fā)生的根本原因(底事件)。

故障樹分析的過程是一個對系統(tǒng)更深入認識的過程，需要分析人員把握系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對故障發(fā)生影響的途徑和程度，以便在分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，找出零部件故障與系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

根據(jù)分析，此故障頂事件的發(fā)生從產(chǎn)生原因看主要可能由2個原因引起：內(nèi)部污染和外部污染。內(nèi)部污染指系統(tǒng)內(nèi)部機件磨損、鍍層脫落和油液分解等，外部污染指污染物從外部入侵系統(tǒng)。兩者只要出現(xiàn)其一，就會導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)污染，因此用“或門”將它們與頂事件相關(guān)聯(lián)。按照此分析方法，建立故障樹，如圖1所示。故障樹每個編碼所對應(yīng)的事件，如表1所示。其中：T—頂事件，A、B、C—中間事件，X—底事件。

圖1 直升機液壓系統(tǒng)污染故障樹

表1 故障樹對應(yīng)的事件列表

在故障樹中，割集是能使頂事件發(fā)生的一些底事件的集合。最小割集是指屬于它的底事件都發(fā)生，就能使頂事件發(fā)生的必要底事件集合。故障樹分析的目的就是找出系統(tǒng)的全部最小割集。

求故障樹最小割集的方法很多，常用的有上行法和下行法兩種[5]。上行法，即從最下級的中間事件開始，按邏輯門表達式進行計算，自下而上直到將頂事件表達成基本事件乘積之和，再利用邏輯運算加以簡化，簡化后每一個乘積項就是一個最小割集。下行法，是根據(jù)故障樹的實際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐漸向下查尋，找出最小割集。

本文采用下行法求圖1的故障樹的最小割集。系統(tǒng)故障樹布爾代數(shù)表達式為：

T=A1∪A2=(B1∪X1∪B2)+(B3∪B4)=(X2∪X3∪C1)+X1+(X6∪X7)+(X8∪X9∪X10∪X11∪X12∪X13)+(X14∪X15∪X16∪X17∪X18) =(X2+X3)+(X4+X5)+X1+(X6+X7)+(X8+X9+X10+X11+X12+X13)+(X14+X15+X16+X17+X18)

利用布爾代數(shù)簡化得全部最小割集為：

{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}。

2 液壓系統(tǒng)污染故障實例

2.1 液壓系統(tǒng)簡述

直升機液壓系統(tǒng)的主要功能是在直升機飛行包線內(nèi)，連續(xù)供給主、尾槳液壓助力器工作所需的壓力和流量，保證主、尾槳液壓助力器連續(xù)正常工作。

通常情況下，直升機的液壓系統(tǒng)是雙余度系統(tǒng)。它有兩套完全相同且相互獨立的壓力供應(yīng)系統(tǒng)，在正常的操縱情況下，兩套液壓系統(tǒng)同時為主、尾槳助力器提供液壓助力。任何一套液壓系統(tǒng)故障，另外一套液壓系統(tǒng)仍能夠繼續(xù)為主、尾槳助力器提供液壓助力，保證直升機安全著陸。

圖2為某型機液壓系統(tǒng)原理圖(單側(cè)單套)。該液壓系統(tǒng)由液壓泵、液壓油箱、安全閥、單向閥、自封閥、液壓油濾、壓力信號器及液壓導(dǎo)管等組成。其中，液壓油濾包括壓力油濾和回油濾，且均配有污染指示器，當(dāng)液壓油濾進出口壓差達到一定數(shù)值時，污染指示器紅色指示桿彈出，表示液壓油液污染等級高。在正常工作條件下，液壓系統(tǒng)油液污染度等級應(yīng)優(yōu)于NAS1638 9級[6]。

圖2 直升機液壓系統(tǒng)工作原理圖(單側(cè)單套)

2.2 故障情況描述

該型直升機在一次組織飛行訓(xùn)練時，出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。飛機關(guān)車后進行檢查，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油濾污染指示器紅色指示桿彈出。

隨后，對液壓系統(tǒng)油液污染度進行了檢查，檢出左液壓系統(tǒng)取樣開關(guān)處油液污染度為11級，右液壓系統(tǒng)取樣開關(guān)處油液污染度劣于12級。從飛參記錄數(shù)據(jù)看，該架機整個飛行過程中液壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)未出現(xiàn)任何告警信號，且助力器也未出現(xiàn)卡滯告警信號。檢測油樣中顆粒物發(fā)現(xiàn)有丁晴橡膠顆粒。

圖3和圖4所示為該型機拆卸下來的回油濾和壓力油濾的情況。外觀檢查結(jié)果為：液壓油濾上密封圈形狀完整，無可見損傷。壓力油濾表面光亮，無可見污物，回油濾表面有少許灰塵樣污物。

圖3 壓力油濾

圖4 回油濾

3 故障診斷及分析

運用前文所建立的故障樹模型對本次直升機的“液壓系統(tǒng)污染”故障進行診斷分析，并選取這一故障作為頂事件T，從圖1的故障樹模型可以看出，此頂事件的發(fā)生主要可能由2個原因引起：A1(內(nèi)部污染)和A2(外部污染)。

首先，針對導(dǎo)致A2(外部污染)發(fā)生的所有底事件進行分析?？紤]到該型機液壓系統(tǒng)為全封閉式液壓系統(tǒng)，且液壓油車進行了定期的污染度檢查，近期也未進行過液壓系統(tǒng)的附件拆裝等操作，因此，A2(外部污染)的因素可以排除。A1(內(nèi)部污染)的因素應(yīng)該是本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因。A1(內(nèi)部污染)考慮了下列方面的影響因素：

1) X1—液壓油氧化分解產(chǎn)生沉淀。該型機使用了MIL-PRF-83282合成烴液壓油，這是世界上最廣泛使用的航空液壓油之一，性能穩(wěn)定，并考慮到液壓油濾表面無膠體類污染，可排除液壓油氧化分解產(chǎn)生沉淀造成污染的因素。

2) B1—內(nèi)部機件磨損。針對丁晴橡膠顆粒污染物的來源進行排查，可將排查重點放在使用了丁晴橡膠的部位。由于大部分密封件使用的材料正是丁晴橡膠，因此可以初步判定本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)導(dǎo)致。

3) B2—內(nèi)部機件鍍層脫落。由于發(fā)現(xiàn)的污染顆粒為丁晴橡膠，因此也可以排除系統(tǒng)內(nèi)部附件表面鍍層受腐蝕脫落的因素。

綜上所述，可以初步判定本次液壓系統(tǒng)污染的主要原因是C1(液壓密封件磨損)，發(fā)生C1主要由2個原因：底事件X4(固定密封磨損)和底事件X5(活動密封磨損)。下面將針對兩個底事件X4和X5進行重點排查，找到污染源，查出本次液壓系統(tǒng)污染的根本原因，才能真正完成故障診斷任務(wù)。

3.1 固定密封排查及分析

液壓系統(tǒng)歧管和附件多處使用了固定密封結(jié)構(gòu)，且使用丁晴橡膠作為密封件。安裝后，由于不存在相對運動，密封圈不會損傷，即使在安裝時損壞，也只是在出廠試驗時會影響污染度，不至于產(chǎn)生持續(xù)的影響。根據(jù)上述分析，液壓系統(tǒng)歧管和附件的固定密封處不會產(chǎn)生丁晴橡膠顆粒。

液壓系統(tǒng)壓力油濾和回油濾也使用了固定密封結(jié)構(gòu)，但從圖3和圖4中可以很直觀地看出液壓油濾上密封圈形狀完整，無可見損傷。因此，液壓油濾固定密封處也不會產(chǎn)生丁晴橡膠顆粒。

3.2 活動密封排查及分析

液壓泵多處使用了活動密封結(jié)構(gòu)，該液壓泵的運動副為金屬摩擦副，產(chǎn)生污染物以金屬為主。檢查液壓系統(tǒng)壓力油濾和回油濾表面，未見金屬顆粒。此外，若液壓泵產(chǎn)生橡膠顆粒污染物，沿流向必然停留在壓力油濾表面，檢查中并未在壓力油濾表面發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒。通過上述分析，確定液壓泵不是主要污染源。

液壓助力器為活塞作動筒結(jié)構(gòu)，往復(fù)運動，使用了活動密封結(jié)構(gòu)，其主要摩擦副為外筒與活塞。由于外筒與活塞并不直接接觸，實際上磨損的是活塞上的密封圈，該密封圈材料為丁晴橡膠。此外，從流向分析，只有液壓助力器產(chǎn)生的橡膠顆粒會停留在回油濾腔，同時不會對壓力油濾腔產(chǎn)生污染。通過初步分析，確定本次液壓系統(tǒng)的污染源為液壓助力器活動密封圈。

在隨后的液壓油污染度等級影響試驗中，在該型機液壓系統(tǒng)助力器試驗時發(fā)現(xiàn)，液壓尾助力器進、出口始終存在約2級的污染度等級差異，故確認液壓助力器橡膠件磨損是導(dǎo)致本次液壓系統(tǒng)污染的主要因素，回油濾前污染物的聚集是污染度超標的重要原因。

此結(jié)果和我們運用故障樹分析法得出的結(jié)論完全一致。

4 結(jié)束語

液壓系統(tǒng)故障具有隱蔽性、復(fù)雜性、隨機性、多樣性及分散性等特點，因此，在實際診斷過程中面臨許多問題，往往會使工程技術(shù)人員束手無策。本文采用基于故障樹的液壓系統(tǒng)污染故障診斷方法，最大限度地減少了測量、試驗次數(shù)并降低了對維修人員知識結(jié)構(gòu)的要求，提高了故障診斷的效率和實用性。這種液壓故障診斷方法在實際應(yīng)用中具有很好的推廣價值。