■ 劉偉/東方航空技術(shù)有限公司西北分公司

0 引言

柱塞泵是將機械能或電能轉(zhuǎn)化為液壓能的能量轉(zhuǎn)換元件，是液壓系統(tǒng)中最關(guān)鍵最復(fù)雜的元器件，可視為液壓系統(tǒng)的“心臟”[1，2]。在現(xiàn)代民航客機的系統(tǒng)設(shè)計中，柱塞泵主要為飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、機載設(shè)備提供動力源。民用飛機提供的高性能航空柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，平均轉(zhuǎn)速為3500r/min[3]，配合精度高，對內(nèi)部部件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求高，全流量時最小壓力為19.6MPa，但在高振動、溫度變化大的惡劣環(huán)境下工作時常出現(xiàn)軟參數(shù)的變化，隨著飛行小時數(shù)的增加，將導(dǎo)致柱塞泵系統(tǒng)性能的下降[4]。

目前，民用飛機液壓系統(tǒng)中均使用柱塞泵，裝機數(shù)量龐大，隨著機隊規(guī)模的擴大，液壓泵的送修量逐年增加。以一架波音737NG 系列飛機為例，液壓系統(tǒng)包括兩個發(fā)動機驅(qū)動泵、三個電動馬達驅(qū)動泵、一個動力轉(zhuǎn)換組件和一個沖壓空氣渦輪泵，共同保障飛機液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性。波音系列和空客系列民航客機安裝的Parker 公司和Eaton 公司的柱塞泵維修成本高，航材采購周期長，航司需要大量訂購航材才能避免飛機出現(xiàn)AOG 狀態(tài)。中國商飛制造的C919 飛機和ARJ21 飛機采用的是Parker 公司的柱塞泵。掌握航空柱塞泵故障模式和改進維護方案將有助于實現(xiàn)民用飛機柱塞泵的國產(chǎn)化，為了保障液壓系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行并降低航空公司的運營成本，對柱塞泵的常見故障進行分析和研究尤為重要。

1 航空柱塞泵的分類及工作原理

1.1 航空柱塞泵的分類

飛機上的液壓泵均是容積式泵。工程上常用的液壓泵種類繁多，按結(jié)構(gòu)形式可分為齒輪式、葉片式和柱塞式，按輸出排量能否調(diào)節(jié)可分為定量泵和變量泵。柱塞泵按柱塞的排列方式又分為軸向式和徑向式。民航客機上使用的液壓泵均是軸向柱塞泵，常用于飛機主液壓系統(tǒng)的發(fā)動機驅(qū)動泵、電動機驅(qū)動泵、空氣驅(qū)動泵，表1［3］給出了幾種典型航空柱塞泵的類型。

表1 航空柱塞泵分類

1.2 柱塞泵的工作原理

柱塞軸沿圓周均勻分布在缸筒內(nèi)，一般有5 ～9 個柱塞，并能在其中自由無卡阻地移動。如圖1 所示，斜盤和缸體軸線成一定夾角θ，分流盤緊靠在缸筒上但不隨缸筒一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)驅(qū)動軸帶動缸筒旋轉(zhuǎn)時，柱塞也隨之旋轉(zhuǎn)，但柱塞頂部在機械裝置（滑靴或彈簧）的作用下始終緊靠在斜盤上。這樣，柱塞隨缸筒在自下向上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)逐漸向外伸出，使柱塞孔容積擴大而形成一定真空度，液壓油便從分流盤的分流口a 口吸入；在自上向下回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)柱塞孔容積縮小，將液壓油從分流盤的b 口壓出。缸筒每旋轉(zhuǎn)一周，每個柱塞做一次往復(fù)運動，完成一次吸油和壓油。

圖1 斜盤式柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

柱塞泵內(nèi)部設(shè)有壓力補償活門，用于感受柱塞泵出口的壓力。當(dāng)出口壓力達到設(shè)定值（補償器彈簧的預(yù)緊力）時，補償器活門將出口壓力供向斜盤作動筒，使斜盤的角度減小，起到變量的作用。當(dāng)斜盤的角度為0°時，輸出的壓力也為0psi，柱塞泵處于消耗功率最小的卸荷狀態(tài)。發(fā)動機驅(qū)動泵由發(fā)動機上的附件齒輪箱帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)飛機在地面試車時，為了減少發(fā)動機的損耗，可以人工給電磁閥通電，將出口壓力引到擋塊閥的后部用于關(guān)斷出口，停止向液壓系統(tǒng)提供壓力。出口壓力也可以引到斜盤作動筒上，使斜盤的傾角接近0°。

2 航空柱塞泵常見故障模式

柱塞泵的故障現(xiàn)象復(fù)雜多樣且具有一定的隱蔽性[5]，故障原因常存在重疊關(guān)系，即多種故障可能因同一原因引起，或一個故障癥狀由多種原因引起[6]。基于工作經(jīng)驗和數(shù)據(jù)分析，典型故障現(xiàn)象可分為：

1）出口壓力或流量低于正常值；

2）柱塞泵殼體或液壓油溫度高，常表現(xiàn)為殼體或內(nèi)部部件變色，柱塞泵工作效率降低；

3）漏油；

4）使用過程中產(chǎn)生異常振動或噪聲。

3 故障原因分析

3.1 出口壓力或流量低于正常值

典型的故障原因如下：

1）液壓油箱中的液壓油量低于安全線或油箱中液壓油壓力太低。

2）進口葉輪損壞或卡阻，導(dǎo)致無法對液壓油進行初次增壓。

3）壓力補償器活門損壞，內(nèi)部閥芯和襯套卡死。

4）調(diào)節(jié)斜盤角度的斜盤作動筒長度不合理或彈簧損壞，斜盤無法偏轉(zhuǎn)到額定的傾斜角度。

5）內(nèi)部部件之間間隙超過配合間隙，導(dǎo)致大量液壓油從殼體口流出，典型的配合部件有分油盤與缸筒、靴形組件與缸筒、靴形組件與斜盤。

3.2 柱塞泵殼體或液壓油溫度過高

典型的故障原因如下：

1）殼體口油濾堵塞，降低出油管路的流量，使泵內(nèi)部產(chǎn)生的熱量無法及時有效排出[7]。

2）泵內(nèi)部配合部件之間配合間隙太小，一方面導(dǎo)致部件之間摩擦嚴(yán)重，促使液壓油快速升溫；另一方面，部件之間液壓油的滲漏量太小，導(dǎo)致殼體口的流量減小。

3）柱塞泵長時間在高負(fù)荷情況下工作。

3.3 漏油

按照漏油區(qū)域一般可以分為外部漏油和內(nèi)部漏油。

外部滲漏的液壓油會腐蝕其他部件，影響其他部件的性能，原因如下：

1）柱塞泵上接頭連接松動，殼體之間的連接螺栓扭矩沒有達到規(guī)定扭矩值。

2）殼體之間的封嚴(yán)件老化、破損、剪切、變形或斷裂，導(dǎo)致封嚴(yán)件無法起到密封的作用[8]。

3）軸封嚴(yán)組件內(nèi)的配合環(huán)磨損、破損、刮傷或剝離，配合環(huán)上的光潔度不滿足要求。

內(nèi)部漏油的主要原因是內(nèi)部部件之間的配合間隙過大，導(dǎo)致內(nèi)漏嚴(yán)重，典型的配合部件間隙有靴型柱塞與斜盤之間以及分油盤與缸筒之間。

3.4 異常噪聲和振動

典型的故障原因如下：

1）柱塞泵內(nèi)部進入空氣，導(dǎo)致部件發(fā)生氣蝕；液壓油中混入空氣使液壓油的壓縮性增強，流量脈動增大，導(dǎo)致柱塞泵容積效率降低，輸出功率出現(xiàn)波動[9-11]。

2）柱塞泵內(nèi)部部件之間摩擦嚴(yán)重。

3）驅(qū)動軸與電動機轉(zhuǎn)子或連接軸不同心，存在徑向力[12]。

4 維修方案

針對航空柱塞泵的故障模式及故障原因進行分析，制定有針對性的維修方案，可以減少維修過程中的人力、物力，避免過度維修，提高維修效率，延長柱塞泵的使用壽命。

4.1 出口壓力或流量低于正常值的維修方案

1）檢查液壓油箱中的液壓油量，油量必須在最低安全線以上，同時檢查液壓油箱上壓力表的壓力，必須保證油箱壓力在綠區(qū)范圍內(nèi)。

2）目視檢查葉輪的外觀并手動轉(zhuǎn)動葉輪，確保葉輪無卡阻、無變形。

3）檢查壓力補償器中閥芯是否可以在襯套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，且閥芯無損壞。

4）對調(diào)節(jié)斜盤傾斜角度的彈簧進行負(fù)載測試，檢查彈簧的疲勞性；對調(diào)節(jié)斜盤傾斜角度的斜盤作動筒進行長度測量并及時調(diào)節(jié)或更換。

5）檢查內(nèi)部部件之間的間隙，尤其是分油盤與缸筒、靴形組件與缸筒、靴形組件與斜盤之間的配合間隙。

4.2 柱塞泵殼體或液壓油溫度太高的維修方案

1）檢查殼體口的油濾，確保油濾無堵塞。

2）檢查泵體內(nèi)部件的配合間隙，配合間隙不能太小，必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

3）測量電磁閥的電阻和電流，檢查插釘應(yīng)無變形、破損或缺失，內(nèi)部閥芯能夠自由移動，確保電磁閥能夠正?？煽康毓ぷ?。

4.3 漏油的維修方案

對于外部漏油的維修方案有：

1）檢查柱塞泵接頭的封嚴(yán)面是否有劃傷、變形或損壞；檢查接頭和泵上連接螺栓的扭矩值，必須是標(biāo)準(zhǔn)或廠家要求給定的扭矩值。

2）分解柱塞泵后必須更換所有的封嚴(yán)件，如擋圈、封圈，確保封嚴(yán)件的規(guī)格、尺寸和有效性符合要求；安裝封嚴(yán)件時必須使用專用工具，避免安裝時對封嚴(yán)件造成損傷。

3）對軸封嚴(yán)組件的配合環(huán)進行光潔度檢查，配合環(huán)表面的光潔度一般應(yīng)在3 個氦光帶以內(nèi)，同時對軸封嚴(yán)組件進行負(fù)載測試。

對于內(nèi)部漏油的維護方案一般是檢查相互配合部件之間的間隙，并檢查分油盤、柱塞靴和缸筒表面上有無劃傷、變形、凹坑等損傷。

4.4 異常噪聲和振動的維修方案

當(dāng)柱塞泵出現(xiàn)異常噪聲和振動時，必須盡快關(guān)閉柱塞泵或啟用備用液壓系統(tǒng)，避免繼續(xù)使用對柱塞泵造成更加嚴(yán)重的損傷。

常見的維修方案有：

1）檢查液壓油箱的油量和壓力，避免液壓油中滲入空氣。

2）分解柱塞泵，檢查柱塞泵內(nèi)部部件是否有磨損，并對部件的尺寸進行測量。

3）檢查驅(qū)動軸與電機轉(zhuǎn)子或連接軸是否同心，手動轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子或連接軸，確保能夠自由轉(zhuǎn)動，無卡阻。

5 總結(jié)

維修人員應(yīng)當(dāng)熟悉柱塞泵的工作原理及內(nèi)部構(gòu)造，正確使用和維護柱塞泵。日常維修過程中不但要加強對維修人員的崗前教育和技能培養(yǎng)，盡可能避免因人為因素引起的間接故障[13]，還要對關(guān)鍵部件進行無損探傷，確保部件沒有缺陷；在航線對柱塞泵進行例行檢查和維修時，注意日常維護保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)問題并改正[14]，從而延長航空柱塞泵的使用壽命，充分發(fā)揮各子部件的性能，保障柱塞泵長期穩(wěn)定運行。

本文以航空柱塞泵為研究對象，全面分析了故障模式、故障機理及故障處理方案，為柱塞泵的故障診斷和維護保障提供技術(shù)支持，以便更好地執(zhí)行航空柱塞泵維修決策和維修管理等健康管理活動[15]。在日常的維修活動中，可以通過進一步優(yōu)化維護方案，降低維修成本及航材成本，縮短維修周期，延長柱塞泵的使用壽命，提高柱塞泵使用效率和安全性[16]。