某型飞机伺服作动器非典型性故障分析

张丽 李玉柱 李胜国 刘晓杰 杨兆雷

摘要：针对某型飞机伺服作动器非典型性回中时间超差疑难故障，通过了解产品工作原理找出故障产生机理，建立故障树进行逐项因素分析验证，逐步查找故障原因，制定该故障的排故指南，可为后续工作提供指导。

关键词：伺服作动器；回中时间；电磁阀

Keywords：servo actuator；return time；solenoid valve

0 引言

当前飞机的飞行控制系统越来越向数字化、电子化方向发展，机电一体化程度越来越高。某型飞机采用了先进的全权限、三轴、四余度数字式兼两余度模拟备份的电传操纵系统FBWS（FlyBy-Wire System），其中的伺服作动器作为该型飞机飞行制导和控制系统的重要组成部分，是飞行控制系统的执行机构，它接收来自飞控计算机的控制指令，并根据指令的要求控制操纵舵面的偏转，同时将动力活塞杆位移和主控阀位移信号反馈给飞控计算机内的伺服作动器控制器，形成伺服作动器与飞控系统的闭环控制，完成飞机在液压能和机械能之间的转换，其性能直接决定了飞行控制系统乃至整个飞机的机动性、稳定性和安全可靠性。

1 故障描述

该型飞机伺服作动器在外场报故之后返厂检修。故障安全性能测试过程中，作动器的2系统回中时间为130ms，与工艺要求（≤100ms）不符。

2 故障原理及原因分析

2.1 基本工作原理简介

该型伺服作动器为液压双余度、电气四余度复合型舵机，有三种工作模式：正常工作模式、单系统工作模式和故障回中工作模式。故障安全性能测试的回中时间，是模拟伺服作动器的故障回中模式，在系统失去工作压力的状态下伺服作动器进入回中模式的启动时间。如图1所示，在故障回中工作模式下，伺服作动器通过电磁切断阀1与电磁切断阀2的共同作用，切断两个液压系统的工作压力，转换阀通过弹簧力的作用控制阀芯运动，将主控阀与作动筒之间的控制油路切断，连通回中阀与作动筒的控制油路，使作动筒在回中机构的作用下回到中立位置。

回中时间超差是伺服作动器的常见故障，根据工作原理，建立伺服作动器回中时间超差故障树，如图2所示。

2.2 故障原因分析

1）轉换阀性能下降

转换阀是故障回中模式下的转换器，利用阀芯凹槽与阀套油路孔通过阀芯的左右运动控制油路的通断。在故障回中模式下，I、II系统控制压力为0，转换阀阀芯、小活塞在弹簧力的作用下产生运动，切断主控阀工作油路。

转换阀属于液压类长阀组件，阀套长度为26mm，阀芯组件长度为23mm。阀芯组件的长度过长，在加工过程中极易产生变形，因此阀芯组件采用了柔性杆加常规阀芯的设计方式，采用弹性圆柱销进行连接。柔性杆的最细部位为φ3.14mm，加装材质较软的铜衬套与阀套配合相互作用，可以很好地补偿阀芯加工或者使用过程中产生的变形，降低加工难度，提高零件的适用性。

常规状态下，转换阀的阀芯产生变形或者衬套偏磨都会使阀芯运动摩擦力增大，是导致回中时间超差的重要因素。另外，转换阀弹簧的弹性系数在使用过程中产生的性能下降也会导致回中时间超差。

对转换阀阀芯进行圆柱度与圆跳动检查，对转换阀弹簧的伸缩力进行检测，均在合格范围内；检查转换阀衬套，不存在偏磨现象。

按照常规排故方法调整了转换阀衬套，但故障现象仍然存在。因此，排除转换阀导致该故障的可能。

2）回中阀性能下降

回中阀是故障回中模式的执行机构。回中模式启动时，两个SOV1全部切断，回中阀芯在弹簧力的作用下，使摇臂组件连接于作动器的活塞与回中控制滑阀的阀芯之间，组成机液反馈控制系统，控制作动器回到中立位置。

因此，回中阀的弹簧力、阀芯与阀套的摩擦力都会直接影响回中时间。

对回中阀进行阀芯的同轴度和圆柱度检测，对弹簧的伸缩力进行检测，均在设计合格范围内；对回中阀进行分组件级单独的性能测试，性能合格。因此，排除回中阀导致该故障的可能。

3）电磁切断阀1通断异常

电磁切断阀1为四余度通断阀，采用电气四余度的结构，有4个独立的线圈。正常工作模式下，线圈通电，活动铁芯产生磁力，推动顶杆使钢球密封于油滤座，这时SOV1负载腔与回油沟通，其压力为回油压力。回中模式启动时，飞控计算机发出线圈断开电流信号，线圈失去电流后活动铁芯磁力消失，推杆失去压力，在进油压力作用下钢球密封于钢球座，这时电磁切断阀1的控制腔进油，使电磁切断阀2与电磁切断阀1沟通，形成回路，油路进入回中阀，回中模式启动。因此电磁切断阀1的通断性能直接影响回中模式的启动时间。

在舵机的整体调试中，“SOV验证试验”是专门针对电磁切断阀1的性能测试。本台舵机的测试过程中多次对该项性能进行测试，结果均在合格范围内。

分解检查推杆的磨损程度，无偏磨现象；显微镜检查钢球，表面质量完好，无损伤。因此，排除电磁切断阀1的通断异常导致回中时间超差的可能。

4）电磁切断阀2性能下降

电磁切断阀2为液压类两位三通阀，是切断油路的关键部件，采用5.5mm的钢球密封。如图3所示，当SOV1断电时，SOV2控制腔的压力为高压，由于控制腔与进油的面积差，钢球密封于进油端，回油与负载腔相连，负载腔压力为回油压力，切断油路。

伺服作动器在启动故障回中模式时，由两个系统的电磁切断阀2与电磁切断阀1联合作用分别切断各系统油路。通过不断试验，发现该伺服作动器的回中时间超差为单系统（系统2）超差。因此考虑是单系统的电磁阀故障。在排除电磁切断阀1的故障之后，对系统2的电磁切断阀2进行故障检查。

将系统2的电磁切断阀2分解，进行组件级试验，测试结果表明其接通、断开内漏均在合格范围内，但是在断开过程中发现负载腔压力回零缓慢。负载腔压力回零是否迅速，由钢球与进油腔密封性是否良好决定，因此初步判断钢球与球座之间的密封性不好。

用显微镜检查钢球的表面质量，发现钢球表面有压坑，球座有轻微变形。

更换新的钢球和球座后再次试验，负载腔断开压力回零迅速。

将系统2的电磁切断阀2重新装入舵机进行测试，回中时间为80ms，试验合格，故障排除。

3 结论

回中时间超差是伺服作动器的常见故障，一般情况下采用更换转换阀铜衬套的方法排除，这样操作只是依据经验，没有掌握排除该项故障的根本原理。本文以某型飞机伺服作动器回中时间超差故障为例，打破传统排故方法，通过对舵机回中模式的工作原理进行分析，建立故障树，对逐项原因进行分析验证，确认电磁切断阀2的钢球与球座密封性不良是导致本次单系统回中时间超差的根本原因。另外，此次排故过程梳理了伺服作动器回中时间超差的各种因素，尤其是单通道的回中时间超差，对以后同类故障的分析排除有一定的指导作用。

4 预防措施

通过对此次排故过程的总结，为今后的修理工作提出以下改进措施：

1）电磁切断阀2为自修产品，钢球为必换件，目视检查之后进行装配。在后续修理过程中应加强对换新钢球的表面质量检查，避免钢球表面质量不佳引起同类故障。

2）电磁切断阀2球座修理后的检查要求是零件双面孔口压窝表面质量应光滑，却没有具体的检查手段和检查标准。后续修理过程中应设置检查手段及检查标准，增加对电磁切断阀2球座密封面的表面质量检查。

3）电磁切断阀2的修理试验，除了要检查接通断开的漏油量，还应观察负载腔压力在接通断开过程的变化是否迅速。

作者简介

张丽，工程师，主要从事飞控系统技术研究与检验工作。

李玉柱，工程师，主要从事航空装备修理质量监督。