高性能载人离心机的基本结构、原理和故障维修

李毅峰，蒋 科，李宝辉，王 轶，王海霞，杨明浩，王 红，金 朝，杨景慧

（空军特色医学中心，北京100142）

0 引言

载人离心机是航空航天医学专用的大型地面实验设备，是航空航天医学领域唯一能够在地面仿真模拟各种机动飞行动作的装备，能够使受试者真切感受到飞行对人体生理、心理的影响，能够辅助检查评估和鉴定飞行人员身体耐力是否适应其所飞机种的要求，飞行人员可以通过离心机训练提高自身的抗荷耐力。我国于20世纪90年代开展了载人离心机训练的相关研究并在六三型载人离心机上进行了试验性训练，2007年六三型载人离心机退役。现所使用的高性能载人离心机是我中心从奥地利AMST公司引进的，于2005年交付使用，其具有全平衡、三自由度、高+Gz增长率的特点和动态飞行模拟功能等[1-2]。该设备对于提高飞行人员的飞行能力、保障飞行安全具有重要作用。

高性能载人离心机总体上主要由机械系统、驱动系统、控制系统、飞行仿真系统、医学监护系统、安全防护系统以及辅助系统七大系统组成。其中机械系统包括主臂单元、传动链单元和万向架单元3个部分。主臂单元用于传递驱动系统产生的扭矩，带动吊篮旋转；传动链单元是主驱动扭矩传输给主臂单元的一系列装置；万向架单元是用以支撑吊篮进行滚转和俯仰运动的装置。载人离心机的工作原理是：当旋臂绕固定轴旋转时产生惯性离心力，提供可变重力场，以模拟飞机机动飞行、飞船起飞和返回阶段出现的持续性加速度环境。通过调整受试者体位，可使其受到不同轴向的加速度作用。调整控制系统可产生不同数值、增长率和作用时间的加速度[3]。三轴向载人离心机可产生X、Y、Z 3个方向的加速度，这3个方向加速度的正值方向分别是胸到背方向、右臂到左臂方向、头到脚方向[4-5]。载人离心机是加速度生理研究的必要设备，随着现有载人离心机使用年限的增加，其故障发生率也逐渐提高，这要求工程人员能够及时发现问题，排除故障并进行维修。

载人离心机系统庞大、结构复杂，且随着训练任务的不断增大，其使用率较高，一旦出现问题，需要较快地找出原因，并维修解决。因此熟悉各系统的结构原理，掌握排除载人离心机各类故障的方法，确保载人离心机始终处于完好的工作状态是十分重要的。载人离心机系统繁多，各个系统都可能出现问题，一一列举比较复杂，本文仅以刹车系统为例，对载人离心机该系统较经常出现的故障及典型故障进行分析并提出排除方法。

1 故障及维修

1.1 刹车系统常见故障

（1）来自主电动机的故障报警。分析故障原因，有以下几种情况：最常见的是轴承润滑泵方面的问题，可能是主电动机润滑泵不工作，或者是轴承润滑油水平太低或泄漏。排除故障的方法为：如果是轴承润滑泵方面的问题，需检查润滑泵供电电源及前端开关是否正常，及时予以复位；如果是轴承润滑油水平太低或泄漏，需及时补充专用的润滑油达到指定水平。

（2）来自主刹车方面的故障报警，常见的是刹车打不开。分析故障原因可能是刹车漏气，或者限位开关失效。排除故障的方法为：检查主刹车功能，并检查限位开关，如果是限位开关失效，则更换限位开关；检查压力指示，其低于一定限制即为漏气，需及时排气，恢复刹车功能。主刹车系统结构图如图1所示。

图1 主刹车系统结构图

（3）来自滚转和俯仰电动机的故障报警。常见的原因可能是滚转和俯仰电动机供电方面的问题，也可能是刹车系统方面的问题。首先查看滚转和俯仰电动机的供电是否正常、供电开关是否打开、供电的主接触器是否正常工作，如果是滚转和俯仰电动机供电方面的问题，排除故障的方法为：打开相应开关和主接触器，如果开关和主接触器等不能正常工作，则更换相应部件。其次查看滚转刹车是否正常，如果滚转刹车打不开或在运行中关闭，分析原因可能是刹车是由油压系统驱动，依据电路图检查油压系统开关或者阀门是否损坏，即如果检修中滚转刹车可以打开，基本确定是油压开关的问题，排除故障的方法为更换受损的油压开关；如果滚转刹车一直是闭合的，则检查阀门，判断是否是阀门的问题，若是则更换受损的阀门。俯仰刹车的处理方法与上述滚转刹车的排除方法类似。图2为滚转和俯仰刹车系统结构图。

图2 滚转和俯仰刹车系统结构图

1.2 刹车系统典型故障1例

1.2.1 排除故障过程

载人离心机系统开机后无法运行，报警提示为：Fault hydraulic power unit oil pressure，提示液压能量单元有问题。主刹车、滚转和俯仰刹车都是油压刹车方式，液压能量单元由泵提供动力。排除故障时，首先查看液压能量单元油箱的油标，查看润滑油水平是否指示正常，排除润滑油少油或漏油的问题；查看润滑泵是否正常工作；查看油压表，检查是否油压过高（超过最大工作压力200 MPa）。根据实际经验，故障原因很可能是油压过高，传感器将此信息传送给安全可编程逻辑控制器，其检测到压力信号超限后给出故障报警，导致系统无法启动。因此此故障的排除方法是降低油压，排出润滑油中的气体。

具体操作过程为：首先在油箱中加入足够的润滑油，防止油面太低，接着将刹车盘的油嘴接上出油管路，打开控制油路出油的开关和阀门，出油管的另一端连接润滑油的回收容器，回收的油可以视情况再利用。准备工作完成后，通过载人离心机辅助系统打开刹车，接收到刹车命令后，液压能量单元的润滑泵开始工作，给润滑油加压，润滑油在压力作用下进入各管路，最后经出油口排出。排气时需用扳手精确控制油嘴旁边的控制阀，以达到控制管中油路流速的目的。载人离心机主刹车有前后2个，每个主刹车有上下2个刹车盘，分别排出4个刹车盘位置油路中的气体。排气过程中会观察到油路中断断续续出现大小不一的气泡，说明排除气体有效。一直加压直至油路中看不到气泡串，即气体基本排干净，可以停止操作。根据经验，每一个刹车位置需消耗10 L左右的润滑油才基本可以把该处油路中的气体排干净。

1.2.2 排气时的注意事项

（1）排气时应密切观察液压能量单元油箱的润滑油水平。从油箱加入的润滑油经各管路从刹车的油嘴排出，操作过程中油箱里的油量不断减小，因此需经常观察油箱中油标。如果油标指示的油水平低于一定值，油箱里充斥大量空气，很容易导致气体再次进入，增加排气的工作量，因此操作中需密切关注油水平指示。油水平一般应该处于油箱油标指示的最下限（红线）和最上限（蓝线）之间，即最低不能低于红线，最高不能高于蓝线。但在实际应用中，为防止润滑油在排气过程中再次进入气体，根据经验，本例故障中的油水平不应低于距离红线约为红蓝线之间总距离的1/8处，低于此水平线时需及时补充油量。

（2）排气过程中需精确控制阀门的开度。通过调整刹车盘出油嘴旁边的阀门来控制出油的速度。如果阀门开得过小，管路不出油或油的流速太低会使排气效果不好；如果阀门开得过大，容易造成出油嘴处喷油甚至整个系统管路喷油，后果也很严重。因此需精确控制好阀门的开度，即控制好出油的速度，需由有经验的专业维修人员操作。

（3）操作中需注意出油嘴处管路连接的密封性。出油管和出油嘴需连接牢靠，如果松动，出油嘴会漏油，并且出油嘴和出油管两端可能直接进入大量气体，使排气工作量大大增加，因此需注意出油嘴处管路连接的密封性。本例故障中，维修人员在必要时一直用手加固以确保出油管和出油嘴的牢固连接。

（4）根据载人离心机旋转的前后方向将刹车分为前刹车和后刹车。在旋转力的影响下，刹车油路中的气泡容易向前刹车的一方聚集，并且由于气泡有上浮的特性，所以前刹车上面一侧的油路中气泡相对较多一些，因此每次操作时可考虑为前刹车上面一侧的油路优先排气，预期能取得较高的效率和较好的效果。

（5）由于排出油中气体需换较多的润滑油，排出的携有气体的润滑油较多，直接处理掉较为浪费，可以用容器将其回收并放置一段时间，待里面气体彻底离析出来以后再重复利用。

（6）紧急情况下可通过手动操作液压能量单元以快速排出油中气体，即在断电情况下先操作油压传感器端的卸压阀快速卸压，在油压迅速降低的同时，气体也迅速排出，之后再手动操作增压泵，使之增压到正常压力水平。增压后可将刹车手动打开并保持打开状态，此时在高油压的作用下，气体不容易进入，油压不易降低，从而减少故障报警。但是不能经常手动操作打压，刹车也不能经常处于打开状态，否则机械电子设备经常处在上电的高压状态下容易发热导致损坏乃至烧掉，所以该方法只适用于应急情况下，应尽量减少使用。

1.2.3 故障原因分析

载人离心机刹车系统此类故障发生的原因可能来自以下几个方面：

（1）油路各管路密封不严所致，但这种情况一般进入气体不多。

（2）管路各接头密封不严所致，也可能是某个接头处松动，这种情况发生的可能性相对较大。

（3）与润滑油有关，润滑油在快速流经不同截面的管路时会离析出气泡，根据自身的特性，油会随着时间缓慢释放出气体。但是鉴于之前系统也是用的同一种润滑油，却未曾出现类似故障，所以该方面的因素不强。

（4）维修中液压能量单元的打压泵在压力表显示的压力上升到一定数值后，有的时候没有停止，而是仍然打压了一会儿才停止，而打压泵是由可编程逻辑控制器通过相应的逻辑控制发出指令的，此时油中排出的气体也并不是很多，所以此种情况也怀疑是打压泵的逻辑控制出了问题，使其不能及时停止打压，导致传感器检测油压升高而报警，系统不能启动，而这并不一定是油中气泡增多的缘故。此种情况可能需对逻辑控制的软件部分进行修改，才能解决问题。

（5）本故障是载人离心机更换刹车系统后出现的，新刹车系统的刹车盘没有排油孔，而原系统存在排油孔，所以考虑故障是由于更换刹车这一事件引起的可能性最大。检查各油路管路和各接头，紧固以防止漏气，并排出油中气体虽然都是解决方法，但每次操作需耗费大量的时间和精力，所以最主要的解决途径是在新的刹车系统上加上排油孔，这样当油中进入气体，压力升高时，通过控制阀能自动将油排出，降低油压，保持油压正常，不出现故障报警，使载人离心机正常运转。但是载人离心机系统庞大复杂，新的刹车系统添加排油孔，需要配件、技术等各方面的支持，这是后续需要进一步解决的问题。目前为刹车系统油路排气仍然是排除故障、保障设备正常运转使用的有效措施和方法。

2 结语

高性能载人离心机在科学研究和飞行人员选拔训练中发挥着越来越重要的作用。载人离心机故障的排除一定是建立在熟知其各个系统的工作原理和结构组成的基础之上，并且需熟悉相应图纸及实地安装情况，根据故障现象分析确定故障可能出现的分系统，进而确定可能出现的子系统，最后确定故障具体位置，即尽可能把故障可能出现的区域缩小，最终把故障锁定在一个具体位置点上。这样才能快速找到故障原因并且排除故障。另外，平时的维护工作也是十分重要的，不仅能使设备处于较好的工作状态，同时也能使维修技术人员熟悉掌握设备的使用情况，并作出是否需要进行预防性工作的决策。但是日常维护要严格按照相关规定执行，并且严格按照要求进行规范操作。能够准确、高效、快速地处理设备出现的故障，是对载人离心机维修人员提出的较高要求。作为大型医疗设备的维修人员，必须熟知设备的运行原理，并且不断地学习新技术和新方法，才能完成载人离心机的维修维护工作。