摘 要：控制閥在模擬飛機地面PBIT自檢時，出現了返程不工作故障，針對控制閥工作原理進行分析，檢查出故障原因，并通過試驗驗證故障解決措施的正確性。

關鍵字：控制閥 故障分析 排故 改進

0 引言

隨著航空技術的蓬勃發展，航空器性能的不斷提高，飛機的飛行控制系統，其關鍵技術領域也一直在進行著一系列的革新。

液壓閥作為機械、電子和液壓技術相結合的高度精密部件，綜合了多方面的特點，具有控制精度高、響應快、信號處理靈活、輸出功率大和結構緊湊等優點，是飛機液壓系統的核心部件，它的性能直接影響甚至決定整個飛機液壓系統的性能。

本文主要針對某型控制閥的一例故障原因進行了深入分析，指出了控制閥的設計缺陷，提出了改進措施。

1 故障現象

控制閥產品分別進行低速上仰、低速下俯、高速上仰、高速下俯10個循環，卸壓升壓后再10個循環的工作，工作正常。將產品模擬飛機地面PBIT自檢順序（即左低上仰、左低下俯，右低上仰、右低下俯，雙低上仰、雙低下俯、雙高上仰、雙高下俯）正常工作21個循環，在第22個循環雙低下俯時出現只返程不工作的故障。

降低供油壓力至15MPa，進行模擬PBIT自檢，在右低下俯時出現故障，不能返回。升壓至21MPa，故障保持。

2 結構與工作原理

2.1 正常操縱模態

如圖1所示為控制閥的工作原理圖。當液壓源正常，手動搖臂無輸入位移，上/下配平保險電磁閥和上/下配平控制電磁閥都沒有通電時，控制閥上仰口A與下俯口B之間無流量輸出，壓力釋放口C無壓力輸出。

當上仰配平保險電磁閥和上仰配平控制電磁閥都通電的情況下，控制閥有流量輸出，流量方向為由上仰口A至下俯口B，壓力釋放口C有壓力輸出。當下俯配平保險電磁閥和下俯配平控制電磁閥都得電的情況下，控制閥有流量輸出，流量方向為由下俯口B至上仰口A，壓力釋放口C有壓力輸出。只有當保險電磁閥和控制電磁閥的指令信號一致時，控制閥才能有流量和壓力輸出。

圖1 控制閥原理圖

2.2 機械備份工作模態

機械備份保險閥和機械備份控制閥在機械備份保險輸入搖臂（手動搖臂）和機械備份控制輸入搖臂（手動搖臂）的作用下移動，閥芯的移動使得上/下配平保險電磁閥和上/下配平控制電磁閥失去控制，即電操縱失效。

液壓源正常，當搖臂沒有輸入位移時，機械備份保險閥和機械備份控制閥在自身彈簧的作用下處于中位，控制閥無流量和壓力輸出。

當操縱機械備份保險輸入搖臂和機械備份控制輸入搖臂使機械備份保險閥和機械備份控制閥處于上仰配平位置時，控制閥有流量輸出，流量方向為由上仰口A至下俯口B，壓力釋放口C有壓力輸出。同樣，當操縱機械備份保險輸入搖臂和機械備份控制輸入搖臂使保險閥和主控制閥處于下俯配平位置時，控制閥有流量輸出，流量方向為由下俯口B至上仰口A，壓力釋放口C有壓力輸出。只有當機械備份保險閥和機械備份控制閥的機械輸入位移一致時，控制閥才能有流量和壓力輸出。

3 故障分析

3.1 單向輸出故障分析

根據系統反映故障對控制閥單向工作進行可能原因分析，具體排查結果如下：

（1）分解主保險、主控制閥芯兩端螺堵，輕輕推動閥芯，均未卡滯，該項排除；

（2）檢查手動搖臂閥芯，順時針、逆時針可正常旋轉搖臂，閥芯未卡滯，該項排除；

（3）檢查主保險、主控兩端彈簧，均正常，故該項排除；

（4）檢查手動搖臂閥芯，搖臂可回中位，彈簧正常，故該項排除；

（5）檢查密封圈時，發現主保險閥芯側小膠圈斷開，其保護圈破損，如圖2、圖3、圖4所示，控制閥芯處組合密封正常，主保險、主控制閥芯組合密封均密封正常，兩臺產品其余3處組合密封的保護圈有局部小的薄飛邊，伸向閥芯內側；

圖2 主保險閥芯組合密封

圖3 斷裂密封圈

圖4 破損保護圈

（6）試驗時，用電磁閥時正常工作。將電磁閥拆下，裝在夾具上，通電關閉，故判斷電磁閥正常，故該項排除；

（7）檢查機械備份閥芯間隙、遮蓋臺肩均正常，故該項排除；

（8）檢查單向閥，用注射器從反向注射未通過，因此未卡滯導致開啟，故該項排除；

（9）檢查阻尼節流器，用注射器注射汽油檢查，正常流過未堵塞，故該項排除。

根據上述排查過程，可以確認：造成控制閥單向輸出的原因為：保險閥芯活動組合密封失效。

3.2 組合密封失效原因分析

1）組合活動密封結構

主保險閥芯和主控制閥芯活動組合密封結構相同。閥芯一側兩處組合密封如圖5所示，內部為密封圈，再用“凹”型塑料帽保護圈加以保護，以減小運動時對密封圈的磨損。圖示位置為中位，即不輸出流量狀態。較小的密封圈規格為ϕ5.28×ϕ1.78，材料為5176S。保護圈中間單側厚度為0.2，唇邊厚度為0.8，材料為聚四氟乙烯。

2）密封圈過度擠壓分析

經計算，失效處密封圈在密封槽內填充率為93%，處在80%～96%的上差。浸泡在油液中后密封圈會進一步吸油膨脹。除保護圈其余三側都是不銹鋼金屬，因此密封圈當密封圈膨脹時會全部擠向保護圈。擠壓力隨填充率增加而變大，當總填充率超過100%，擠壓力會更顯著增加。

圖5 閥芯活動組合密封結構

保護圈材料為聚四氟乙烯塑料，屬軟性材料，拉伸強度大于14MPa，斷裂拉伸率大于140%[4]。當擠壓力增加后一方面會增加和彈簧座內孔間的摩擦力，另一方面在右側控制腔壓力作用下會加劇向間隙的擠壓。兩種力作用下，第一階段聚四氟乙烯塑料有可能逐漸向間隙間呈薄片狀蠕變，呈飛邊狀，當變形量大于斷裂拉伸率時，保護圈會變形。長期的工作后會導致第二階段：保護圈破損扭曲，變形的保護圈擠壓密封圈使扭轉，逐漸被間隙擠壓剪切斷裂。當保護圈破裂變形后，第二階段發展會很迅速。

產品在第1處活動密封的保護圈出現不同的程度的飛邊現象，說明該現象是普遍性的，只是公差等因素使損傷程度略有不同。如果情況繼續發展，很可能也會出現類似的故障現象。也就是說填充率過高是造成故障的主要原因。

故障初始時密封圈只是局部少量剪切，密封性變差，使控制腔和回油腔少量竄油，即導致第1次PBIT自檢未通過。當再次自檢時，膠圈扭轉剪切位置變換了，因此密封恢復正常，使自檢和工作都正常。隨工作時間增加剪切部位增多，密封性越來越差，PBIT自檢未通過次數也逐漸增加，直至連續5次未通過。在幾十次正常工作后，膠圈徹底斷裂，因此該控制閥出現只能上仰單向工作的故障，不能下俯工作。

4 改進措施

4.1 改進措施

1）降低密封圈壓縮量、填充率

將密封圈槽底徑相應的減小，寬度做相應的增加，相應的壓縮量下降為：15.7%（極限值9%～20%），填充率下降為：79%（極限值71%～84%）。

2）減小運動配合間隙

彈簧座和閥芯配合間隙減小，間隙的減小有利于防止保護圈擠入以及大油液顆粒進入。彈簧座和閥芯同屬于不銹鋼，熱膨脹系數差異不到2%，核算高溫和低溫時最小間隙時不會導致卡滯。核算彈簧座和鋁殼體孔間隙在高溫和低溫時最小間隙大于0.01mm，不會導致卡滯。

3）提高表面粗糙度要求

依據航標，活動密封配合粗糙度推薦Ra0.16～Ra0.32。彈簧座內孔粗糙度由Ra0.4提高至Ra0.2。

4.2 驗證情況

1）性能驗證

將改進后的閥芯處組合活動密封與改進后的彈簧座配合安裝，較改進之前的阻力感減少很多，運動配合時順利，說明摩擦力明顯降低；將改進后的零組件安裝在產品上進行性能測試，在手動及電動模式下各運行100次以上，試驗后復試，功能及性能均正常。

2）250h試驗驗證

將改進后產品按照250h對應工作次數進行考核試驗，并進行高溫、低溫工作試驗，以驗證改進產品可以承試出故障前的工作次數載荷。

3）耐久試驗驗證

改進后的控制閥將進行專門的耐久試驗，以充分研制該改進的對壽命影響效果，根據飛行起落對應折算滑閥工作次數，按階段控制點完成全壽命的耐久試驗。試驗結束后測試產品性能，試驗后復試，功能及性能均正常。

5 結論

通過控制閥模擬飛機地面PBIT自檢時出現了返程不工作故障的分析和排查，造成控制閥單向不工作的原因為保險閥芯活動組合密封失效。通過對組合密封的結構進行改進，消除了故障，并通過試驗驗證了改進措施的正確性。該控制閥按照上述方案改進后，使用情況穩定。