无固定初始位的电磁（球阀）液压阀安装方式与起落架工作的可靠性

2014-04-03丁德鹏

教练机 2014年1期

丁德鹏

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

电磁液压转换阀是航空液压传动系统的主要控制调节组件之一，具有结构紧凑、体积小、质量轻、功率大及工作稳定可靠等优点，因而在歼击机、运输机、教练机等各类飞机中广泛使用。电磁液压转换阀在初始加压时，油液中的污染颗粒物可能导致电磁（球阀）液压转换阀工作失效，致使飞机在地面起落架异常收起。研究发现，合理地安装液电阀可有效地减少工作失效，大大提高液电阀工作的可靠性。

本文以常用的三位四通无固定初始位的电磁（球阀）液压转换阀（以下简称液电阀）来讨论安装方式对其工作可靠性的影响。

1 液电阀的作用和特点

电磁球阀是近年来新发展的一种电磁换向阀。它以电磁铁的推力为动力，推动钢球来实现油路的通断和切换。电磁球阀的特点是：密封性好，可实现无泄漏；反应灵敏，响应速度快；使用压力高；对工作介质的适应能力强；抗污染能力强。电磁球阀的应用与一般的电磁换向阀十分类似，在小流量液压系统中可直接控制主油路，在大流量液压系统中则可用作液电阀的先导控制元件。由于液电阀具有很多显著特点，因而在一些特殊应用场合，如无泄漏领域，是一般电磁液压转换阀无法替代的。

2 液电阀的组成

液电阀由起先导作用的电磁阀和控制油路的液压阀组成。

电磁阀操纵部分：由两个直流电磁铁、上活门座、下活门座、顶杆、钢珠、锥形弹簧、滤网和弹簧垫片等组成；弹簧垫片保障无压情况下，上、下活门座始终与电磁铁靠紧。上、下活门座和钢珠是保证液压阀阀芯两端头高、低压变换。锥形弹簧则保证顶杆和衔铁在无压情况下始终在上部（钢珠行程为0.2-0.25mm）。见图1。

液压换向部分：主要由阀芯、阀套、衬套、活塞、回中弹簧、橡胶圈及堵塞等组成。橡胶圈保证高低压腔和外部密封。

为便于加工保证精度增加回中力，在结构上采用分段滑阀。主阀分三段即：阀芯、两端的衬套和活塞。衬套既是套也是芯，是阀套的芯，是活塞的套。

3 液电阀的工作原理

液电阀在液压系统的各个功能系统中广泛应用，如起落架控制系统、襟翼控制系统等。由于起落架系统对于飞机安全的特殊影响，以下就其在起落架控制系统的使用加以讨论。

起落架收放手柄置于中立位置时（如图2a），电磁阀操纵部分不通电，2个电磁铁都断电，高压来油经下活门座和钢珠进入阀芯两端。因为阀芯两端面积相等，油压相等，弹簧力也相等，所以阀芯处于中立位置。来油不能与起落架收、放管路相通，而起落架收、放管路均与回油路相通。

起落架收放手柄置于收上位置时（如图2b），触点3通电，右边的电磁铁电2通电，推动顶杆，迫使钢珠向下运动，关闭下部活门座通油孔，打开上部活门座通油孔，使阀芯右端与回油路沟通。高压来油（油泵）进入左电磁阀操纵部分，油液力推动左边的钢珠向上移动，关闭上活门座的回油孔，打开通向阀芯左端的通油孔，阀芯在两端油压差作用下右移，使来油路（油泵）与收起落架油路(作动筒2)相通，放起落架油路(作动筒1)与回油路相通，将起落架收上。

起落架收放手柄置于放下位置时，触点2通电，电磁阀的工作状态与起落架收放手柄置于收上位置时相反。

图2 YDF-23液电阀工作原理

4 液电阀的工作状态

液电阀的工作状态一般是指输入额定（或正常）液压压力的情况下，通过电磁铁加电和不加电来改变液压油路的切换，如三位四通液电阀的三位就是三种状态，即在输入额定液压压力、一种常态下的三种状态。液电阀在实际工作时，输入的额定液压压力是由液压泵提供的，液压泵又是由飞机发动机驱动的，既有额定液压的常态也有无液压的非常态。液压系统在液压泵未工作时无压力，开始工作时压力上升，然后达到额定压力。液压泵工作及液压系统正常时，液压系统压力保持在正常工作的压力范围内。当液压泵停止工作时，液压压力由额定压力逐渐降低，直到无压。

4.1 液电阀油泵口不加压力

这种状态是非常态。由于液电阀油泵口不加压力，致使压力远远小于液电阀的最小工作压力，这时，即使液电阀通电工作，液压阀也不会发生转换，即阀芯保持在中间位置，此时，油泵口与其他三个口不相通，动作筒1、动作筒2和回油口相通。所谓液电阀的最小工作压力是指在公称压力和额定流量下液电阀能正常换向的最低控制压力值。

4.2 液电阀油泵口从无压力到最小工作压力

这种状态也是非常态。假定钢珠在液压油作用下压住上活门座的最小压力为P1，液压阀阀芯在单边液压油作用下移动到位的最小压力为P2。通常P2＞P1。在液电阀不通电的情况下，由于油泵口压力由0逐渐上升，油液由油泵口进入，经电磁阀1的下活门座中孔、活门座之间的钢珠、上活门座中孔，通过回油口流出。同时，另一路经电磁阀2的下活门座中孔、活门座之间的钢珠、上活门座中孔，也通过回油口流出。油泵口压力越大，流经活门座中孔的油流速也越大，当流速达到一定值时，钢珠在油液压力的作用下将把上活门座的中孔堵塞，截断油液。此时的压力值较小(P1)。当油泵口压力继续上升，电磁阀1和电磁阀2的钢珠均堵在各自的上活门座上。在油泵口压力小于液电阀的最小工作压力（P2）时，如果电磁阀1通电，顶杆伸出，将钢珠顶到下活门座中孔上，把下活门座封闭，上活门座打开（与回油口相通），液压阀的电1侧的压力为回油端压力（即0）；而电磁阀2未通电，液压阀的电2侧的压力为油泵口压力，即液压阀两端的压力差为油泵口压力。由于此时油泵口压力小于最小工作压力(P2)，液压阀不会发生转换（或不完全转换），即油泵口与其他三个口不相通，动作筒1、动作筒2和回油口相通。同理，电磁阀2通电，电磁阀1不通电，液压阀也不会发生转换。

4.3 液电阀油泵口加额定压力或大于最小工作压力

这种状态是常态（正常工作状态）。在液电阀不通电的情况下，由于油泵口压力大于最小工作压力，在油液的作用下，电磁阀1和电磁阀2的活门座之间的钢珠均将各自的上活门座的中孔封闭，将回油液截断，液压阀阀芯两侧的压力均为油泵口压力，阀芯两端压差为零，阀芯保持中间位置，即油泵口与其他三个口不相通，动作筒1、动作筒2和回油口相通，如图2a所示。电2通电，电1不通电时，液压阀阀芯电2侧的压力为回油压力，阀芯电1侧的压力为油泵口压力，阀芯两端压差为油泵口压力减去回油压力，此压差大于最小工作压力，阀芯向低压端移动，即向电2侧移动（阀芯向右移动），油泵口和动作筒2相通，回油口与动作筒1相通，如图2b所示。电1通电，电2不通电时，液压阀阀芯电1侧的压力为回油压力，阀芯电2侧的压力为油泵口压力，阀芯向低压端移动，即向电1侧移动（阀芯向左移动），油泵口和动作筒1相通，回油口与动作筒2相通（图中未画出）。

4.4 液电阀油泵口由最小工作压力降到无压力

这种状态也是非常态。类似于“4.2液电阀油泵口从无压力到最小工作压力”，区别在于：液压阀阀芯在电磁阀1或电磁阀2通电状态，当液压压力大于最小工作压力时，阀芯已在左端或右端。当液压压力刚刚降到低于最小工作压力时，由于阀芯与阀套间存在静摩擦阻力，阀芯不会立即往中间位置移动，即存在回差现象。液压压力继续下降到一定值，在压缩量较大的压缩弹簧的作用下，随着液压压力继续下降，阀芯不断往中间位置移动。液压压力下降到一定值，则阀芯移到某一位置。当液压压力下降到0时，阀芯移动到中间位置。

5 液电阀的液压油介质工作环境

5.1 液压系统污染来源

污染物的来源主要有三个方面：一是系统内原来残留的污染物：如金属切屑、焊渣、型砂、尘埃及清洗剂等。二是系统运转中生成的污染物：如元件磨损的磨屑、管道内的锈蚀剥落物、油液氧化和分解产生的颗粒等。三是系统工作过程中从外界侵入的污染物：如通过作动筒活塞杆密封和油箱呼吸孔侵入系统的污染物，以及注油和维修过程中带入的污染物等。据资料统计，因固体颗粒污染物引起的液压系统故障占总污染故障的60%-70%。

5.2 油液污染物类型

油液中的污染物根据其物理状态可分为固态、液态和气态三种类型。固态污染物通常以颗粒状存在于系统油液中，颗粒的形状是多种多样的，一般都是不规则的；液态污染物主要是外界侵入系统的水；气态污染物主要是空气。

5.3 油液污染标准

根据GJB420A-96《飞机液压系统工作液固体污染度》标准，按每100ml油液内所含5个尺度段最大极限颗粒数，从000-12级共分15个等级，如表1所示。

根据标准，油液中有颗粒是必然的，级别数越大，污染越严重，级别每增加一级，颗粒数就翻一翻。

表1 GJB420A-96《飞机液压系统工作液固体污染度》标准

6 钢珠的平衡稳定性与液电阀的安装方式

液电阀在液压系统的常态时，其工作的可靠性与其安装方式关系不大。但液电阀在液压系统建压过程（非常态）中，其工作的可靠性与其安装方式关系很大。所以这里讨论的稳定性是指钢珠在无固定初始位液电阀中，液电阀在未加电的情况下，电液阀在加压过程中钢珠对上活门座的密封可靠性。

6.1 钢珠的平衡稳定性

为说明钢珠的平衡稳定性，先看看物体的平衡稳定性。

图3a中小球如果放在碗S的内弯曲表面上，它就会滚下来，并且在最低点处进入平衡状态。这时它的势能为极小。对于任何场（引力场、磁场、电场）中的物体情况都是如此，即平衡位置对应于最小势能。如果扰动一下小球A使之移动到B，则它的势能增加了。当松开手时，小球便滚回A。因而就说，小球在A处处于稳定平衡。注意：当小球移动到B点时小球的重心比A点升高了。由于这个原因，场中的力使小球从B回到A（A处的势能比B处小）。

图3b中小球在A点则处于不稳定平衡，一点外界因素干扰就打破了该点的稳定平衡状态。

图3 球的平衡稳定性

图4a表示底面在水平表面的圆锥C，如果将圆锥稍微移动一下，从C移动到D，则其重心G升高到G1，如前所述，当放开椎体时，C又回到了D，所以此平衡是稳定的。

图4b表示圆锥C的顶朝下的一个状态，处于不稳定平衡状态。

图4c表示锥体侧面着地的情况，如果稍移动一下，重心G移到G3但是它高度是不变的，因而锥体停留在移动后的位置，这就是随遇平衡。

图4 圆锥体的平衡稳定性

图5、图6是无固定初始位电磁阀的上活门座、下活门座、钢珠的实物照片。

图5 电磁阀上活门座

图6 电磁阀下活门座（中间放置了钢珠）

钢珠在电磁阀上活门座与下活门座之间的轴向设计成有一定的移动范围，例如0.2mm-0.25mm。电磁铁未通电时，顶杆在锥形弹簧的作用下复位，钢珠不受顶杆作用，只受重力等影响，工作在液压油中。由于钢珠工作在液压油中，油液中的颗粒污染物可能影响钢珠与活门座的密封。

6.1.1 液电阀油泵口不加压力

在不加液压压力的情况下，钢珠所处的位置由电磁铁安装方式和钢珠的重力决定。当电磁铁在上方时，钢珠落在下活门座上。当电磁铁在下方时，钢珠落在上活门座上。当电磁铁轴向在水平方向时，钢珠落在上下活门座之间。

6.1.2 液电阀油泵口加压力

在加液压压力的情况下，钢珠所处的位置与电磁铁安装方式和钢珠的重力无关，取决于电磁阀顶杆的位置或液压压力的方向。如果电磁铁未加电，钢珠由液压油压力推向上活门座。如果电磁铁加电，钢珠由电磁铁的顶杆推向下活门座。

6.2 钢珠的不稳定平衡和稳定平衡

6.2.1 液电阀油泵口不加压力

当电磁铁在上方时，钢珠落在下活门座上。由于液压油中不可避免地存在颗粒物污染，颗粒物可能落在钢珠与下活门座中孔边缘之间。同理，当电磁铁在下方时，钢珠落在上活门座上，颗粒物也可能落在钢珠与上活门座中孔边缘之间。由于液电阀油泵口未加压力，系统受振动（如牵引飞机）等，颗粒物极易受重力作用离开原位（如掉入下面的活门座中孔中）。颗粒物落在钢珠与下面活门座中孔边缘之间时，钢珠处于不稳定平衡状态。换言之，钢珠在重力作用下落在下面的活门座（不是专指下活门座）上是处于稳定平衡状态。

6.2.2 液电阀油泵口加压力

当电磁铁在上方时，钢珠落在下活门座上。当油泵口加压力，钢珠在油液流动压力作用下，向上活门座移动，这时颗粒物可能随油液流动而被卡在钢珠与上活门座之间，这将导致钢珠不能完全关断回油路，严重时导致液压阀阀芯异常动作。这种情况对钢珠来说是不稳定的，对系统来说是有害的，也就是系统工作的可靠性不是特别的高。但是，当电磁铁在下方时，由于颗粒物落在钢珠与上活门座之间是不稳定的，通常受外界影响，钢珠会稳定地落在上活门座的中孔上，当油泵口加压力，钢珠将不发生运动而稳稳地保持在上活门座的中孔上，即系统工作具有特别高的可靠性。

6.3 钢珠的随遇平衡

如果钢珠放在一平面上，稍稍移动它一下，中心G保持高度不变，因而钢珠处于随遇平衡状态（如图4(c)所示）。当电磁铁轴线水平放置时，钢珠处于上活门座与下活门座之间水平移动，力学特性即为典型的随遇平衡。

7 建压过程存在的问题

在液电阀油泵口加压时，由于液电阀安装方式的不同，钢珠可能发生移动。如果液电阀的电磁铁在上，钢珠将由下活门座向上活门座移动，这时液压油由下活门座中孔流进，从钢珠四周流过，进入上活门座中孔流出，液压油中颗粒物完全可能落在钢珠与上活门座中孔边缘之间而被压住，导致钢珠不能完全关断回油路，严重时导致液压阀阀芯异常动作。影响程度主要取决于系统压力大小、液电阀的最小工作压力特性和被压颗粒尺寸大小。

8 解决建压状态可能不确定的措施

目前电磁球阀只有二位阀，而且二位三通阀为基本结构；三位四通液电阀则需用二个二位三通阀来组合。液电阀的安装方式直接影响液压系统工作的可靠性。对液电阀的安装方式应合理地取舍。无固定初始位的三位四通液电阀的二个电磁铁在同一平面上成90°夹角也有成“一”字（180°）。现以电磁铁在同一平面上成90°夹角的无固定初始位的三位四通液电阀为例，对安装方式与可靠性加以讨论。

1)二个电磁铁在垂直平面上同时朝上，使每个电磁铁中心线偏垂线45°，这种安装方式外观平整，但液压系统的液电阀工作可靠性最差，钢珠的初始密封性最易受固体污染物影响。

2)二个电磁铁在水平平面上安装，这种安装方式，液压系统的液电阀的钢珠处于随遇平衡状态，二个钢珠的初始密封性受固体污染物影响相当，液压系统的液电阀工作可靠性较差。

3)二个电磁铁在垂直平面上同时朝下，即每个电磁铁中心线偏垂线45°，这种安装方式，液压系统的液电阀工作整体可靠性最好，适用于二路要求较高的场合。但对于某一路要求特别高的，不能达到最佳效果。

4)对于某个液压管路要求特别高的油路（直接影响人生安全和设备安全），又不能通过操作等其它办法来克服的，应将控制此路的电磁铁（中心线）垂直朝下，另一个电磁铁水平安装。对于飞机起落架液压系统，起落架在放下状态可靠地保持至关重要，远比起落架在收上状态可靠重要的多，所以建议将液电阀的收上电磁铁朝下安装。