某飞机刹车阀建压异常故障分析及改进

石天诺， 任 杰， 张晓娟， 胡华泉

(成都飞机工业(集团)有限责任公司 技术中心， 四川 成都 610092)

引言

飞机刹车系统主要用于实现减速制动和滑行纠偏，对于保障飞机平稳滑行和安全起降至关重要，堪称飞机最为关键的子系统之一[1]。

某新型无人机采用无源刹车系统，该刹车系统经过地面联试、滑行及试飞，刹车系统均正常工作。该型飞机在某次飞行任务中，落地前刹车自检出现了刹车自检报故的现象，重新通断电后，刹车自检仍然报故，收起落架，再给刹车阀通电，放起落架，刹车自检恢复正常，随后飞机正常着陆刹停。该故障的发生，虽没有造成严重后果，但极大影响了飞机的飞行安全，影响了后续飞机的任务进度。针对此次故障，搭建了刹车故障树，通过分析定位了故障原因，根据故障原因总结了设计缺陷，针对性的提出了改进措施[1-2]。

1 刹车自检策略及故障现象

该新型无人机起落架为前三点式布局，并在左右主起落架处设置有刹车装置。图1所示为该型飞机刹车系统工作原理简图。该刹车系统主要由飞控计算机、左右刹车阀、左右机轮和左右轮速传感器组成。当飞机在着陆时，对电控刹车系统进行预热和自检，发现右电控刹车阀刹车压力不满足要求，右刹车自检故障[3]。

图1 刹车系统工作原理简图Fig.1 Brake system working principle diagram

(1) 第一次预热及自检，给右电控刹车阀施加20%-100%-20%控制信号进行预热11次，在第3次预热时100%信号的最大输出压力只达到约2.8 MPa 并且不能保持，约7.5 s后压力降至0 MPa，第4～11次预热和3次自检工作100%信号压力均为0 MPa，右刹车自检故障，曲线见图2。

图2 第一次自检曲线Fig.2 First self-test curve

(2) 给右刹车阀断电后重新通电，第二次给刹车阀施加20%-100%-20%控制信号进行预热11次，在第3次预热时100%信号的最大输出压力只达到约2.5 MPa并且不能保持，约4 s后压力降至0 MPa，在第4～11次预热和3次自检工作100%信号压力均为0 MPa，右刹车自检故障，曲线见图3。

(3) 给右电控刹车阀断电，收起落架，再给刹车阀通电，放起落架，第三次给刹车阀施加20%-100%-20%信号进行预热11次和3次自检工作，工作正常，刹车自检正常，曲线见图4。

图3 第二次自检曲线Fig.3 Second self-test curve

图4 第三次自检曲线Fig.4 Third self-test curve

故障发生后，由于飞行员做了有效的处置措施，第三次刹车自检正常后飞机正常着陆刹停。回到地面后，连接综合检测车检测右电控刹车阀工作性能，反复刹车自检，故障未复现。由于此故障是影响飞机飞行安全的重大隐患，故需要进行重点分析。

2 故障分析及定位

2.1 故障树的建立

以该飞机右电控刹车阀建压异常为顶事件，根据故障的现象、 特点以及可能引发故障的原因进行详细分析排查，绘制出图5所示刹车故障树。根据故障树，导致故障发生的三大类可能原因分别为管路连接处泄漏、电控刹车阀故障、刹车装置泄漏[4]。现从上述三方面进行故障分析及定位[5-6]。

2.2 管路连接处泄漏

管路与刹车阀、管路之间、管路与刹车装置连接处产生泄漏，会导致刹车阀建压异常的情况。飞机完成飞行任务着陆后，机务人员对上述连接部位进行了检查，未发现连接处有渗油的情况，因此排除由于管路连接处松动或密封面损伤导致渗油、漏油的情况。

2.3 刹车装置泄漏

1) 衬套上密封圈损坏

衬套上密封圈损坏后，将导致衬套与壳体之间产生内部泄漏，造成刹车阀建压异常的故障。对衬套上密封圈进行分解检查，未发现密封圈产生损坏的情况，检查结果见图6。根据密封圈外观检查的情况，排除密封圈损坏导致内部泄漏的情况。衬套、密封圈、壳体尺寸也都符合设计图纸的要求。

图6 衬套上密封圈检查情况Fig.6 Bushing sealing ring check

2) 密封皮碗密封失效

若衬套与密封皮碗之间有异物时，皮碗唇口密封失效，使刹车阀密封性降低，将导致产品建压异常的故障。

图7 密封皮碗结构Fig.7 Sealing leather structure

图8 密封皮碗根部损坏情况Fig.8 Sealed leather of damage

2.4 电控刹车阀故障

刹车阀卡滞、控制器故障、直流电动机故障或刹车阀泄漏均可能引起电控刹车阀建压异常，故主要从以下4个方面进行检查分析[7-8]。

1) 刹车阀卡滞

电控刹车阀中刹车阀结构见图9，电控刹车阀进行刹车、松刹车时，活塞左右移动，当活塞在向左移动过程中与螺塞或(和)衬套卡滞时， 刹车阀工作腔中输出的油液量较少，则使主机轮刹车装置无法正常建立刹车压力，导致产品建压异常的故障[9]。

图9 刹车阀结构图Fig.9 Brake valve configuration

通过对故障件进行分解检查外观，计量相关零件尺寸，未发现活塞与衬套、螺塞表面产生严重划伤、刮伤等情况，相互配合的零件尺寸符合设计图纸要求，故可以排除刹车阀卡滞的可能性。

2) 控制器、压力传感器故障

控制板的主要失效模式包括：二次电源故障、信号转换电路故障、压力采集电路故障、单片机故障、驱动电路故障。压力传感器的失效模式主要包括：输出漂移，传感器故障。

从故障时的飞参曲线来看，产品反馈的压力虽然不能满足指令要求，但有上升下降的过程，同时在最后一次压力下降过程中，压力是缓慢下降，持续了约6 s，根据故障反馈现象可以排除控制器、压力传感器故障的可能。

3) 直流电动机故障

根据直流电动机的结构分析，在产品工作过程中，直流电动机出现卡滞、打滑情况，可能造成产品建压异常的情况。

(1) 打滑 故障件在返厂进行相关验证试验的过程中，产品工作正常，分解产品检查，未发现滚珠丝杆存在轴向窜动等情况，因此排除直流电动机打滑的故障，直流电动机检查情况见图10。

图10 直流电动机外观检查情况Fig.10 DC motor appearance check

(2) 卡滞 从刹车阀返厂进行相关验证试验情况分析，产品工作过程中直流电动机内部未出现任何异常响声，产品工作电流满足产品规范要求，因此排除直流电动机卡滞的情况。

4) 电控刹车阀泄漏

电控刹车阀中刹车阀出现泄漏，刹车阀输出的油液量减少，不能满足主机轮建立刹车压力所需的油液量，会导致产品出现建压异常。根据刹车阀泄漏的故障树，刹车阀出现外部泄漏和内部泄漏后均会使产品产生建压异常的情况。

(1) 外部泄漏 刹车阀在出现建压异常后，公司机务人员第一时间对产品外部进行了检查，未发现产品外部泄漏情况。故障产品返厂后，进行了常温条件下的性能试验、低温条件下的性能验证试验等工作，未发现接管嘴、压力传感器处泄漏及接管嘴松动的情况。因此排除产品外部泄漏的情况。

(2) 内部泄漏 刹车阀产生内部泄漏的部位有密封皮碗与衬套配合处，衬套、密封圈与壳体配合处。当上述部位产生内部泄漏后，将导致刹车阀输出的油液量减少，产生产品建压异常的故障。

通过对故障产品进行分解检查，发现刹车阀中有黑色条状多余物，见图11。多余物即来自于图8根部损坏的部分，对多余物成分进行分析，多余物与密封皮碗材料一致，匹配皮碗上的磨损部位。

图11 多余物Fig.11 Excess

根据密封皮碗根部损坏的情况，分析认为，密封皮碗在工作时受交变工作压力作用，密封皮碗产生一定变形，根部先掉落的条状橡胶材料挤入衬套与活塞配合的间隙中，随着活塞往复运动，撕裂密封皮碗的根部，使条状橡胶材料彻底脱离。密封皮碗掉下的胶条挤入密封面的示意图，见图12。

图12 密封皮碗被挤入密封面的示意图Fig.12 Schematic diagram of sealing leather squeezed into sealing surface

根据刹车阀中发现的密封皮碗损伤情况及多余物，结合产品的故障进行分析确认，多余物在活塞往复工作过程中，进入密封皮碗与衬套之间的密封面，从而导致产品密封性降低，以致发生了产品建压异常、刹车自检报故的故障。

2.5 故障原因验证

1) 模拟多余物验证

根据故障原因分析和产品分解检查的情况，结合产品出现建压异常问题，初步确定密封皮碗产生多余物是导致产品建压异常问题的主要原因，为此将图11的多余物用胶水粘在故障产品中使用的密封皮碗的唇口处(如图13所示)。恢复产品装配后，在给产品施加100%信号后进行多次试验，产品最大建压至2 MPa后下降至0 MPa。减小多余物尺寸，再次进行试验，产品输出压力为4 MPa，保持2～3 min后开始下降至0 MPa，其中一次试验保持约12 min后压力下降至0 MPa。

图13 密封皮碗粘多余物情况Fig.13 Excess of sealing leather

根据上述验证的结果，将多余物放在密封皮碗与衬套之间后，密封皮碗密封性能降低，导致了产品内部泄漏的情况，刹车建压失效。

2) 皮碗磨损试验验证

为验证皮碗会随着刹车阀工作而磨损，进而产生多余物，从库房新领取了1个密封皮碗(与故障件密封皮碗状态一致)，如图14所示。

将新领取的密封皮碗完成3000次刹车阀0%-100%-0%建压循环试验后， 分解刹车阀检查密封皮碗外观情况，密封皮碗根部产生较长的多余物，见图15。将密封皮碗拆下后检查， 发现密封皮碗根部产生损坏，如图16所示。

图14 新领取的密封皮碗Fig.14 Newly collected sealing leather

图15 新密封皮碗产生多余物情况Fig.15 Excess of newly collected sealing leather

图16 新密封皮碗根部损坏情况Fig.16 Newly collected sealing leather of damage

2.6 故障定位

产品在工作时活塞与密封皮碗一起向右移动，当密封皮碗越过衬套上凹槽后，产品开始建立压力。随着活塞与密封皮碗向右逐渐移动，产品输出压力p逐渐增大，密封皮碗受刹车压力的作用力逐渐增大，密封皮碗变形增大。由于活塞与衬套之间为间隙配合(配合间隙为0.018～0.074 mm)，若密封皮碗为图14中根部无倒角状态时，由于活塞运动时无导向装置，密封皮碗根部很容易产生如图8所示的磨损情况，根部磨损部分被挤入到活塞与衬套配合的间隙中，而随着活塞在刹车、松刹车过程中向右、向左反复进行运动，将挤入活塞与衬套间隙的部位进行撕裂，最后使密封皮碗产生如图11所示的多余物。在活塞运动的过程中，密封皮碗根部产生的多余物进入密封皮碗与衬套之间的密封面，密封皮碗密封性降低导致产品内部泄漏，从而造成产品建压异常、自检报故的情况。

3 改进方案

通过以上故障分析，认为皮碗没有设计倒角是本次故障的主要原因。同时皮碗既没有设计保护圈，又没有设计导向支撑环，这加速了皮碗在工作过程中的损坏，故从设计角度，提出了以下3项改进方案[10-12]。

3.1 增加密封皮碗倒角

根据刹车阀3000次反复工作的试验，验证了随着产品工作次数的增多，无倒角皮碗磨损越来越严重，一定次数后便会出现如图15所示的条状多余物。为消除此设计隐患，密封皮碗根部设计1×30°倒角，如图17所示。

图17 增加倒角的密封皮碗结构示意图Fig.17 Structural diagram of increasing chamfer

3.2 增加保护圈

随着活塞往复运动，密封皮碗底部与活塞之间会产生交变应力，工作次数越多，皮碗磨损的可能性就越高。为减少皮碗底部的磨损，在皮碗底部与活塞之间增加1个保护圈，可有效避免底部橡胶的磨损，如图18所示。

图18 增加保护圈示意图Fig.18 Diagram of increasing protective circle

3.3 增加导向支撑环

由于活塞运动没有导向装置，活塞容易产生偏磨，密封皮碗受力不均，导致皮碗加速磨损；而增加导向支撑环后，可保证活塞沿轴向运动，避免密封皮碗受力不均而产生磨损，见图19。

4 结论

针对某无人机右电控刹车阀自检报故的故障建立了故障树，基于刹车故障树对故障原因进行了分析排查，确定故障原因为刹车阀使用的密封皮碗没有设计倒角，同时皮碗既没有设计保护圈，又没有设计导向支撑环， 这将加速刹车阀工作过程中皮碗的损坏。针对此故障原因，提出了改进电控刹车阀设计的3项方案，消除了设计隐患。

图19 增加导向环示意图Fig.19 Diagram of Increasing guide ring