某型飞机舵机回中时间超差的故障分析

安卓玉 雷春牛 孙亚南 胡伟红 宋悦

摘要：某型飞机在舵机检修过程中出现回中时间测试超差的故障，重新调整回中机构的中立位置，故障仍未得到彻底解决。通过分析舵机回中机构的装配过程和工作原理及它们之间的相互关系，确定了故障排查思路和故障产生的根源，提出了故障处理的措施和方法，为后续类似舵机故障的分析提供参考。

关键词：回中时间；中位锁阀；回中弹簧组件；内螺帽

Keywords：returning time；locking valve of neutral position；subassembly of returning spring；inside nut

0 引言

21世紀以来，随着航空航天技术的不断发展，飞行器的安全性有了明显的提高，但飞行器安全事故仍层出不穷[1]。据Planecrashinfo.com网站统计，机械部件故障是导致飞行器安全事故的重要因素之一，占比高于20%，仅次于飞行员人为失误。飞行器的动力传动系统中存在大量齿轮、轴、轴承、叶片等关键机械部件，一方面，这些关键部件直接影响飞行器子系统甚至飞行器整体的性能，另一方面，这些关键零部件长期运行于高温、高速、重载荷、大扰动和强冲击的复杂频变工况中，不可避免地出现性能退化而引发各类故障。为了保障飞行器的飞行安全，必须重视零部件级的故障诊断。本文针对某型飞机舵机回中时间超差问题，结合回中机构工作原理，采用故障树分析方法对故障进行详细的层次分析与排除，最终将故障原因定位为内螺帽厚度尺寸偏小。

1 故障现象

为了保障飞机飞行安全，需要对其进行运行状态检测。某次飞行任务前，一架某型飞机在PBIT（飞行前自检测）过程中，飞控系统报“ELDW”故障代码，故障名称为“左平尾主舵机故障”，因此将此台舵机返厂检修。

在舵机试验台上复测发现回中时间超差，如图1所示。测试表明舵机从电磁阀断开到回到中立位置所用时间超过了规定的0.15s回中时间，将无法保证当飞控系统不工作或舵机发生二次故障后的飞行安全。

2 回中机构工作原理

该型舵机是自监控型主/备式液压余度舵机，是一种两余度电液位置伺服控制装置。该舵机是某型飞机飞控系统的配套部件，用于飞控系统的纵横向通道。其中，纵向通道用两台平尾舵机操纵两台纵向助力器分油活门，并通过这两台助力器操纵左右两边的升降舵；横向通道采用两台副翼舵机分别操纵两台横向助力器分油活门，进而操纵飞机的左右两边副翼。该舵机是故障/工作式余度舵机，可检测出整个伺服系统回路内的各类故障，并实现一次故障后不降性能继续工作，二次故障后安全（即通过操纵从液压助力器将飞机相应舵面拉回到中位的性能）。在飞控系统不工作或二次故障后，舵机活塞输出杆均被锁在中立位置，为飞机操纵系统提供坚固支点，不影响驾驶员通过助力器操纵飞机舵面，舵机正常工作时驾驶员仍然可以参与操纵飞机舵面。在飞控系统工作时，舵机受控于系统的指令信号，输出杆做相应的运动以随动指令信号，进而通过助力器推动飞机相应翼面实现预定的飞行。

舵机中一个系统发生故障后，切断故障系统，这时如另一个系统又发生故障，两个旁通阀将各自的活塞（主活塞、副活塞）旁通成浮动状态，回中弹簧组件克服摩擦力和负载力，将舵机输出杆迅速拉到舵机中位，并由微动电门将对应的电磁阀线圈断电，从而关闭输入舵机工作中的高压油源，中位锁阀失去高压油源的供油，在压缩弹簧的作用下，锁阀阀芯移动，将舵机输出杆牢固地锁在舵机中位，如图2所示。

3 故障定位分析

故障树分析法是描述对象结构、功能和关系的一种定性因果模型，体现了故障传播的层次性以及子节点与父节点之间的因果关系[2]。结合故障树分析法和上述舵机工作原理建立故障树，顶事件为“回中时间超差故障”，底事件分别为“中位锁阀阀芯、阀套表面划伤”“中位调整不到位”“回中弹簧组件与主活塞的相对位置变化”“活塞、套筒表面划伤”“活塞、套筒密封圈翻边或起毛”，如图3所示，并对其逐一进行分析。

3.1 中位锁阀阀芯与阀套卡滞故障定位分析

依据回中机构工作原理，初步假设导致回中时间超差的可能原因为：中位锁阀阀芯在运动过程中，阀芯与阀套之间卡滞，导致阀芯不能及时下锁。分解中位锁阀阀芯，使阀芯在阀套里来回移动，确有卡滞现象；继续分解锁轴，使阀芯单独在阀套里运动，可以均匀滑动且无滞涩现象，说明此故障并非阀芯与阀套之间的卡滞所引起。此外，在显微镜下观察中位锁阀阀芯、阀套表面的质量，均无划伤现象。故排除回中时间超差故障由中位锁阀阀芯、阀套表面划伤引起的可能性。

3.2 活塞与套筒间运动摩擦力大故障定位分析

现有修理工艺中，遇到回中时间超差故障时，常采用研磨抛光活塞、套筒工作表面或更换其密封圈来排除故障，主要是针对下面的两种故障原因。

1）活塞、套筒表面划伤

针对可能存在的活塞、套筒表面划伤问题，分解各活塞与套筒并在显微镜下观察，未发现其工作表面存在严重压坑、腐蚀和手指甲能感觉到的划伤痕迹，利用粗糙度轮廓测量仪测量活塞与套筒的工作表面，粗糙度优于设计要求，符合工艺要求。故排除了因活塞、套筒表面划伤使摩擦力增大导致的回中时间超差的可能性。

2）活塞、套筒密封圈翻边或起毛

分解各活塞、套筒的密封圈并在显微镜下观察，所有密封圈均无翻边或起毛现象，各活塞、套筒的密封圈质量完好，不会使活塞、套筒之间的摩擦力增大而造成回中时间超差。因而排除了活塞、套筒密封圈翻边或者起毛导致的回中时间超差的可能性。

3.3 中位锁阀阀芯与锁轴卡滞故障定位分析

既然阀芯运动卡滞不是由阀芯与阀套之间的相互卡滞引起，根据故障树分析结果，回中时间超差可能是由阀芯和锁轴之间的相互卡滞所导致，因为阀芯在舵机里只与阀套和锁轴有相互卡滞的可能。造成中位锁阀阀芯与锁轴卡滞故障的原因有下面两种。

1）中位调整不到位

重新调整中位使阀芯与锁轴的卡滞现象消失，在试验台上测试，第一次测试时回中时间合格，之后再进行第二次测试，回中时间超差。为消除测试过程中出现的偶然性因素，进行了多次重复试验，测试结果始终超差，故障再次出现。因此得出故障并非由中位调整不到位引起。

2）回中弹簧组件与主活塞的相对位置变化

上述试验中故障复现，因此重新分解阀芯，阀芯运动再次出现卡滞现象，依然是阀芯与锁轴之间有摩擦导致卡滞。在已经重新调好中位的情况下再次卡滞，说明主活塞的中立位置在运动后发生变化，因为主活塞与回中弹簧组件组成的整体决定了舵机的中位（所涉及螺钉、螺母均固紧），故存在这种可能：回中弹簧组件与主活塞的轴向相对位置在运动过程中发生变化导致回中时间超差。

为验证上述假设，在从主活塞分解回中弹簧组件的过程中给连接螺杆尾端施加一个来回的轴向力，发现回中弹簧组件在主活塞中可以轻微轴向运动。其中内螺帽1处于固紧状态，说明此时相对位置的变化是由于回中弹簧组件与内螺帽1没有轴向贴紧所致。根据上述分析，导致回中時间超差的原因可能有两个，一是内螺帽厚度偏小；二是回中弹簧组件的两个弹簧座之间的距离小于指标值。测量内螺帽1的厚度、弹簧座之间的距离，发现弹簧座之间的距离尺寸符合工艺要求，因此将内螺帽1更换为尺寸较厚的后再次装配进行试验，观察发现回中弹簧组件在主活塞内不再有轴向移动，重调中位后上台试验，回中时间经多次测试均合格，确定故障已排除。

在以上故障定位分析中，将回中机构的工作原理与故障树分析方法相结合，通过层次分解的方法确定了可能存在的故障原因，经过逐一排除后最终定位在内螺帽1上。故障原因是内螺帽1的厚度偏小，导致回中弹簧组件与主活塞的轴向相对位置在舵机工作时发生变化，进而导致锁阀阀芯与锁轴卡滞，造成回中时间超差。

4 结论

回中时间超差是此型舵机常见故障，一直没有有效的排故方法。以往采用的通过研磨抛光活塞、套筒工作表面或者更换密封圈的方法排故过程耗时、费力且效果不够理想。本文通过对回中机构的工作原理进行分析，并采用故障树分析的方法梳理出了故障处理思路和解决方法，方向性强，排故效率更高，可为后续该型舵机类似故障的处理提供理论支持和经验借鉴。

参考文献

[1]上海航空测控技术研究所. 航空故障诊断与健康管理技术[M]. 北京：航空工业出版社，2013.

[2]柳炀. 基于故障树分析的水泵水轮机故障诊断方法研究及应用[D].武汉：华中科技大学，2019.