航空柱塞泵常见故障原因与分析

■ 刘伟/东方航空技术有限公司西北分公司

0 引言

柱塞泵是将机械能或电能转化为液压能的能量转换元件，是液压系统中最关键最复杂的元器件，可视为液压系统的“心脏”[1，2]。在现代民航客机的系统设计中，柱塞泵主要为飞控系统、起落架系统、机载设备提供动力源。民用飞机提供的高性能航空柱塞泵结构紧凑，平均转速为3500r/min[3]，配合精度高，对内部部件的尺寸精度和表面质量要求高，全流量时最小压力为19.6MPa，但在高振动、温度变化大的恶劣环境下工作时常出现软参数的变化，随着飞行小时数的增加，将导致柱塞泵系统性能的下降[4]。

目前，民用飞机液压系统中均使用柱塞泵，装机数量庞大，随着机队规模的扩大，液压泵的送修量逐年增加。以一架波音737NG 系列飞机为例，液压系统包括两个发动机驱动泵、三个电动马达驱动泵、一个动力转换组件和一个冲压空气涡轮泵，共同保障飞机液压系统的安全性和可靠性。波音系列和空客系列民航客机安装的Parker 公司和Eaton 公司的柱塞泵维修成本高，航材采购周期长，航司需要大量订购航材才能避免飞机出现AOG 状态。中国商飞制造的C919 飞机和ARJ21 飞机采用的是Parker 公司的柱塞泵。掌握航空柱塞泵故障模式和改进维护方案将有助于实现民用飞机柱塞泵的国产化，为了保障液压系统可靠稳定运行并降低航空公司的运营成本，对柱塞泵的常见故障进行分析和研究尤为重要。

1 航空柱塞泵的分类及工作原理

1.1 航空柱塞泵的分类

飞机上的液压泵均是容积式泵。工程上常用的液压泵种类繁多，按结构形式可分为齿轮式、叶片式和柱塞式，按输出排量能否调节可分为定量泵和变量泵。柱塞泵按柱塞的排列方式又分为轴向式和径向式。民航客机上使用的液压泵均是轴向柱塞泵，常用于飞机主液压系统的发动机驱动泵、电动机驱动泵、空气驱动泵，表1［3］给出了几种典型航空柱塞泵的类型。

表1 航空柱塞泵分类

1.2 柱塞泵的工作原理

柱塞轴沿圆周均匀分布在缸筒内，一般有5 ～9 个柱塞，并能在其中自由无卡阻地移动。如图1 所示，斜盘和缸体轴线成一定夹角θ，分流盘紧靠在缸筒上但不随缸筒一起旋转。当驱动轴带动缸筒旋转时，柱塞也随之旋转，但柱塞顶部在机械装置（滑靴或弹簧）的作用下始终紧靠在斜盘上。这样，柱塞随缸筒在自下向上回转的半周内逐渐向外伸出，使柱塞孔容积扩大而形成一定真空度，液压油便从分流盘的分流口a 口吸入；在自上向下回转的半周内柱塞孔容积缩小，将液压油从分流盘的b 口压出。缸筒每旋转一周，每个柱塞做一次往复运动，完成一次吸油和压油。

图1 斜盘式柱塞泵结构示意图

柱塞泵内部设有压力补偿活门，用于感受柱塞泵出口的压力。当出口压力达到设定值（补偿器弹簧的预紧力）时，补偿器活门将出口压力供向斜盘作动筒，使斜盘的角度减小，起到变量的作用。当斜盘的角度为0°时，输出的压力也为0psi，柱塞泵处于消耗功率最小的卸荷状态。发动机驱动泵由发动机上的附件齿轮箱带动驱动轴转动，当飞机在地面试车时，为了减少发动机的损耗，可以人工给电磁阀通电，将出口压力引到挡块阀的后部用于关断出口，停止向液压系统提供压力。出口压力也可以引到斜盘作动筒上，使斜盘的倾角接近0°。

2 航空柱塞泵常见故障模式

柱塞泵的故障现象复杂多样且具有一定的隐蔽性[5]，故障原因常存在重叠关系，即多种故障可能因同一原因引起，或一个故障症状由多种原因引起[6]。基于工作经验和数据分析，典型故障现象可分为：

1）出口压力或流量低于正常值；

2）柱塞泵壳体或液压油温度高，常表现为壳体或内部部件变色，柱塞泵工作效率降低；

3）漏油；

4）使用过程中产生异常振动或噪声。

3 故障原因分析

3.1 出口压力或流量低于正常值

典型的故障原因如下：

1）液压油箱中的液压油量低于安全线或油箱中液压油压力太低。

2）进口叶轮损坏或卡阻，导致无法对液压油进行初次增压。

3）压力补偿器活门损坏，内部阀芯和衬套卡死。

4）调节斜盘角度的斜盘作动筒长度不合理或弹簧损坏，斜盘无法偏转到额定的倾斜角度。

5）内部部件之间间隙超过配合间隙，导致大量液压油从壳体口流出，典型的配合部件有分油盘与缸筒、靴形组件与缸筒、靴形组件与斜盘。

3.2 柱塞泵壳体或液压油温度过高

典型的故障原因如下：

1）壳体口油滤堵塞，降低出油管路的流量，使泵内部产生的热量无法及时有效排出[7]。

2）泵内部配合部件之间配合间隙太小，一方面导致部件之间摩擦严重，促使液压油快速升温；另一方面，部件之间液压油的渗漏量太小，导致壳体口的流量减小。

3）柱塞泵长时间在高负荷情况下工作。

3.3 漏油

按照漏油区域一般可以分为外部漏油和内部漏油。

外部渗漏的液压油会腐蚀其他部件，影响其他部件的性能，原因如下：

1）柱塞泵上接头连接松动，壳体之间的连接螺栓扭矩没有达到规定扭矩值。

2）壳体之间的封严件老化、破损、剪切、变形或断裂，导致封严件无法起到密封的作用[8]。

3）轴封严组件内的配合环磨损、破损、刮伤或剥离，配合环上的光洁度不满足要求。

内部漏油的主要原因是内部部件之间的配合间隙过大，导致内漏严重，典型的配合部件间隙有靴型柱塞与斜盘之间以及分油盘与缸筒之间。

3.4 异常噪声和振动

典型的故障原因如下：

1）柱塞泵内部进入空气，导致部件发生气蚀；液压油中混入空气使液压油的压缩性增强，流量脉动增大，导致柱塞泵容积效率降低，输出功率出现波动[9-11]。

2）柱塞泵内部部件之间摩擦严重。

3）驱动轴与电动机转子或连接轴不同心，存在径向力[12]。

4 维修方案

针对航空柱塞泵的故障模式及故障原因进行分析，制定有针对性的维修方案，可以减少维修过程中的人力、物力，避免过度维修，提高维修效率，延长柱塞泵的使用寿命。

4.1 出口压力或流量低于正常值的维修方案

1）检查液压油箱中的液压油量，油量必须在最低安全线以上，同时检查液压油箱上压力表的压力，必须保证油箱压力在绿区范围内。

2）目视检查叶轮的外观并手动转动叶轮，确保叶轮无卡阻、无变形。

3）检查压力补偿器中阀芯是否可以在衬套内自由转动，且阀芯无损坏。

4）对调节斜盘倾斜角度的弹簧进行负载测试，检查弹簧的疲劳性；对调节斜盘倾斜角度的斜盘作动筒进行长度测量并及时调节或更换。

5）检查内部部件之间的间隙，尤其是分油盘与缸筒、靴形组件与缸筒、靴形组件与斜盘之间的配合间隙。

4.2 柱塞泵壳体或液压油温度太高的维修方案

1）检查壳体口的油滤，确保油滤无堵塞。

2）检查泵体内部件的配合间隙，配合间隙不能太小，必须在规定的范围内。

3）测量电磁阀的电阻和电流，检查插钉应无变形、破损或缺失，内部阀芯能够自由移动，确保电磁阀能够正常可靠地工作。

4.3 漏油的维修方案

对于外部漏油的维修方案有：

1）检查柱塞泵接头的封严面是否有划伤、变形或损坏；检查接头和泵上连接螺栓的扭矩值，必须是标准或厂家要求给定的扭矩值。

2）分解柱塞泵后必须更换所有的封严件，如挡圈、封圈，确保封严件的规格、尺寸和有效性符合要求；安装封严件时必须使用专用工具，避免安装时对封严件造成损伤。

3）对轴封严组件的配合环进行光洁度检查，配合环表面的光洁度一般应在3 个氦光带以内，同时对轴封严组件进行负载测试。

对于内部漏油的维护方案一般是检查相互配合部件之间的间隙，并检查分油盘、柱塞靴和缸筒表面上有无划伤、变形、凹坑等损伤。

4.4 异常噪声和振动的维修方案

当柱塞泵出现异常噪声和振动时，必须尽快关闭柱塞泵或启用备用液压系统，避免继续使用对柱塞泵造成更加严重的损伤。

常见的维修方案有：

1）检查液压油箱的油量和压力，避免液压油中渗入空气。

2）分解柱塞泵，检查柱塞泵内部部件是否有磨损，并对部件的尺寸进行测量。

3）检查驱动轴与电机转子或连接轴是否同心，手动转动电机转子或连接轴，确保能够自由转动，无卡阻。

5 总结

维修人员应当熟悉柱塞泵的工作原理及内部构造，正确使用和维护柱塞泵。日常维修过程中不但要加强对维修人员的岗前教育和技能培养，尽可能避免因人为因素引起的间接故障[13]，还要对关键部件进行无损探伤，确保部件没有缺陷；在航线对柱塞泵进行例行检查和维修时，注意日常维护保养，及时发现问题并改正[14]，从而延长航空柱塞泵的使用寿命，充分发挥各子部件的性能，保障柱塞泵长期稳定运行。

本文以航空柱塞泵为研究对象，全面分析了故障模式、故障机理及故障处理方案，为柱塞泵的故障诊断和维护保障提供技术支持，以便更好地执行航空柱塞泵维修决策和维修管理等健康管理活动[15]。在日常的维修活动中，可以通过进一步优化维护方案，降低维修成本及航材成本，缩短维修周期，延长柱塞泵的使用寿命，提高柱塞泵使用效率和安全性[16]。