雷达天线边块锁销缸活塞杆缩回问题原因分析及改进措施

王 涛,姜 超,朱亮亮,钱建国,陈国宁

(1.南京长江电子信息产业集团有限公司,南京 210038;2.空军装备部驻南京地区第二军事代表室,南京 210016;3.南京智真电子科技股份有限公司,南京 210036)

0 引 言

液压系统在现代雷达中的应用非常广泛[1]。某大型地面雷达采用液压系统实现天线座车自动调平和天线系统展开/折叠、起竖/倒伏功能。该雷达完成天线边块展开/折叠后,8只锁销缸通过活塞杆插入锁销孔,实现天线展开和折叠状态下的锁定。在雷达架设后较长时间不操作液压系统的情况下,8只锁销缸中有部分活塞杆多次发生不同程度的缩回。本文通过排查液压系统锁销缸锁紧回路,对该问题进行了定位和机理分析,给出了针对锁销缸活塞杆缩回的改进措施。

1 锁销缸活塞杆缩回情况

液压系统天线边块锁销缸活塞杆缩回问题发现于整机调试期间,气温为19～31℃。检查液压源、液控分箱及管路无渗漏现象,将雷达撤收,重新架设完成后再观察天线边块锁销缸活塞杆全部插入到位,持续观察天线边块锁销缸活塞杆的状态,约两周后天线边块锁销缸活塞杆又出现了明显的缩回现象。

检查同批次产品,发现在架设一周至半个月后,个别天线边块锁销缸活塞杆有不同程度的缩回。每台整机有两个天线边块,每个天线边块上装有4个锁销缸,活塞杆发生缩回的锁销缸位置呈随机性,未发现特定位置容易发生缩回。从架设完成到活塞杆发生缩回的时间也不相同,有的雷达架设后短期就会出现该现象,有的雷达则是架设后长期才会出现这种现象。经了解已交付用户使用的该型雷达也存在该问题。

2 问题定位

2.1 系统概述

液压系统分为座车调平和天线架设两大部分,其中座车调平部分采用2只水平液压缸实现天线座车调平撑架的展开/收拢功能,3只全程锁紧垂直液压缸实现天线座车的调平/撤收功能;天线架设部分8只锁销缸实现天线边块锁销的插/拔功能,8只展开液压缸实现天线边块的展开/折叠功能,2只钢球锁紧液压缸实现天线系统的起竖/倒伏功能,1只插销缸实现转台插销的插/拔功能[2],系统组成如图1所示。

图1 系统组成简图

从运输状态到架设状态的工作流程如下:2只水平缸展开到位,3只垂直缸调平,1只插销缸插入到位,2×4只锁销缸拔出到位,2×4只展开缸展开到位,2×4只锁销缸插入到位,2只钢球锁紧液压缸起竖到位,1只插销缸拔出到位。

从架设状态到运输状态的工作流程如下:1只插销缸插入到位,2只钢球锁紧液压缸倒伏到位,2×4只锁销缸拔出到位,2×4只展开缸折叠到位,2×4只锁销缸插入到位,3只垂直缸收腿到位,2只水平缸收拢到位。

2.2 定位分析

天线有两个边块,以一侧天线边块为例,锁销缸油路液压原理如图2所示。

系统工作压力为16 MPa,4个锁销缸(5.1～5.4)

图2 锁销缸油路液压原理图

的插/拔由1只电磁换向阀(3)驱动,锁销缸的位置由双液控单向阀(4)锁定,单向阀(1)防止回油压力影响,储能器(2)起管路热胀释放作用。根据锁销缸油路液压原理,导致锁销缸活塞杆缩回的底事件有管路系统故障、锁销缸故障、双液控单向阀故障、油液温度效应[3]。采用排除法对该问题进行定位。

(a)管路系统故障排查

检查管路系统,未发现管接头及管路有外泄漏油迹,管路系统密封良好。

(b)锁销缸故障排查

对发生缩回现象的锁销缸进行内泄漏检测,一个油口施加24 MPa(1.5倍工作压力),另一油口通大气,3 min内没有形成油滴,分别在活塞杆插入到位和拔出到位这两个极限位置下测量油缸的内泄漏,结果符合GB/T 15622-2005《液压缸试验方法》和JB/T 10205-2010《液压缸》要求。

(c)双液控单向阀故障排查

液压锁定油路使用的双液控单向阀型号为Z2S6-3-L6X,开启压力为0.7 MPa。双液控单向阀原理如图3所示,双液控单向阀密封油液的机理是锥面密封[4]。

图3 双液控单向阀原理图

A、B接电磁换向阀的A、B油口,A1接锁销缸的前腔(以下简称A1腔),B1接锁销缸的后腔(以下简称B1腔)。A→A1为自由流动,A处的油压克服左侧弹簧力,单向阀开启,高压油液流至A1口推动锁销缸活塞杆缩回,同时推动双液控单向阀活塞打开右面的单向阀,B1→B回油。当B处有压力时原理相同。

首先,怀疑系统双液控单向阀A、B处压力超过了双液控单向阀开启压力,与双液控单向阀相连通的电磁换向阀是Y型中位机制,电磁换向阀中位时,A、B两腔经过单向阀(1)通回油,回油油路上并接了一个初始压力为0.5 MPa(表压)、容积为6 L的气囊式储能器(2)。在故障现场测量气囊式储能器接入口的压力为0.3 MPa<0.7 MPa,双液控单向阀处于关闭状态;其次,对双液控单向阀进行内泄漏检测。榆次油研、上海立新、华德液压、PARKER等液压元件的生产厂家均未给出泄漏量的上限值指标,因此只能参考液压缸泄漏标准考察双液控单向阀的密封性能。对A1、B1加压24 MPa,保压3 min,观察A、B处没有油滴形成,无法判定双液控单向阀失效;最后,对双液控单向阀两腔密封性能的差异进行测试,测试方案如图4所示。

图4 双液控单向阀两腔密封能差异测试方案

用手动泵经测压软管对A1、B1两腔加压到4 MPa,然后脱开测压接头,测压软管自带的单向阀封住油液,观察压力表的读数变化,发现两腔压力均有下降,总体趋势是下降速度越来越慢。表1为10只双液控单向阀压力从4 MPa下降到0 MPa的时间。

表1 双液控单向阀两腔压力从4 MPa到0 MPa的下降时间(单位：h)

可以看出,双液控单向阀两腔的密封性能存在差异。由图1可知,当锁销缸活塞杆插入到位后,电磁换向阀回到中位,A1腔压力为0 MPa,B1腔残余压力<16 MPa,在常温状态下,B1腔始终产生一个使活塞杆伸出的力,直到B1腔压力缓慢下降到0 MPa。实物装置在厂房内放置约20 d后,未见锁销缸活塞杆有明显缩回,说明常温下即使双液控单向阀两腔密封性能不一致,锁销缸A1腔和B1腔的压力差不足以克服活塞和缸筒的摩擦力。

(d)油液温度效应

该雷达液压系统工作于户外,白天和夜晚必然存在较大温差,当双液控单向阀B1腔密封性能低于A1腔时,随着温度的升高,热胀因素可能导致A1腔压力高于B1腔压力,活塞杆缩回[5]。

将锁销缸、双液控单向阀、电磁换向阀、单向阀、储能器等按图5所示连接,并置于高低温试验箱中,采用表1中B1腔泄漏快的8#双液控单向阀,在各个节点上安装压力表监控压力变化,快换接头、液压源等均采用该液压系统实际产品。当液压系统安装在雷达整机上时,与锁销缸相连的最长管路长度为6 m,内径为Ф10 mm,采用2个长度为150 mm、内径为Ф63 mm的缸筒模拟管路容积。

图5 油液温度效应试验组成图

操作锁销缸反复插拔,充分排气后将活塞杆插入到位,此时B1腔液压约为14 MPa,A1腔压力为0 MPa。在实际工作时,B1腔压力会缓慢降低接近于0 MPa,当B1腔压力大于A1腔时,活塞杆不会缩回,为加速验证故障现象,人为将B1腔压力降为0 MPa。

温度以1 ℃/min从20 ℃升到55 ℃,保温2 h,测量活塞杆端面相对于油缸端面的长度,再以1 ℃/min降温至20 ℃,保温2 h,测量活塞杆端面相对于油缸端面的长度。当活塞杆插入到位时,活塞杆端面相对于油缸端面的初始长度为110 mm。先后用4个锁销缸进行试验,4只锁销缸均缩回。试验结果见表2,说明锁销缸缩回现象与锁销缸的差异性关系不大。

采用A1腔泄漏快的3#双液控单向阀,重复单周期温度循环试验,4只锁销缸均未缩回。试验结果见表3。

表2 油温效应试验结果(8#双液控单向阀,单周期循环)

表3 油温效应试验结果(3#双液控单向阀,单周期温度循环)

用1#锁销缸和8#双液控单向阀进行10个周期(20 ℃-55 ℃-20 ℃)的温度循环,测量每个周期活塞杆长度及缩回量,试验结果见表4。

表4 油温效应试验结果(1#锁销缸,8#双液控单向阀,10周期温度循环,单位：mm)

可以看出,在温度循环下锁销缸缩回量逐渐减小,从第4个周期温度循环以后趋于稳定,不再继续缩回。在10个周期温度循环中,锁销缸活塞杆总共缩回了14 mm,如果忽略油缸的内泄漏和锁销缸A1腔侧液控单向阀的泄漏,相当于经35 ℃温升后,锁销缸(活塞直径为Φ50 mm,活塞杆直径为Φ32 mm)A1腔膨胀的体积为

油液的体积膨胀率为aV=(8.5～9.0)×10-4/℃[6],反推与锁销缸A1腔相连的油液总容积为

实际上,与锁销缸A1腔相连的容积主要由两部分组成:1个内径为Ф63 mm、长度为150 mm的模拟管路容积缸筒,容积为4.6 735×105mm3;2根内径为Ф8 mm、长度为600 mm的软管,2根软管的容积为0.6 029×105mm3。因此锁销缸A1腔相连的实际容积为4.6 735×105+0.6 029×105= 5.2 764×105mm3,锁销缸活塞杆的实际缩回量与采用经典油液热膨胀公式计算的结果吻合。

综上所述,当锁销缸A1腔侧液控单向阀密封性能优于B1腔侧液控单向阀时,环境温度变化引起的两腔压力差导致天线边块锁销缸活塞杆缩回。

3 机理分析

为进一步分析销缸活塞杆缩回的机理,采用仿真软件对锁销缸锁紧液路进行建模仿真[7-8],仿真模型如图6所示。

图6 锁销缸活塞杆缩回问题仿真模型

参照实际锁销缸参数,采用HCD库构造油缸。活塞直径为Ф50 mm、杆径为Ф32 mm,活塞(含活塞杆)重量为2.5 kg,最大静摩擦力为350 N,活塞杆初始位置0.1 m。用一个直径为Ф0.001 mm、长度为10 mm的节流孔模拟油缸的内泄漏。两个可热交换的Ch容积模块构造管路容积,容积为0.5 L。双液控单向阀的泄漏用两个节流孔模拟。储能器初始压力为0.5 bar(表压),容积为6 L,与实际使用的储能器参数一致。液压油参数选用15W30。

温度周期循环,经过热交换器与液压油热交换,热交换系数采用默认值10 000 W/(mm2·℃)。单周期内温度以1 ℃/min从20 ℃升到55 ℃,保温2 h,再以1 ℃/min降温至20 ℃,保温2 h。

对模拟双液控单向阀泄漏的两个节流孔直径进行配置,模拟双液控单向阀两腔密封性能差异,进行单周期温度循环仿真,仿真结果见表5。

仿真结果显示:在A1腔泄漏慢、B1腔泄漏块的情况下,在单周期温度循环后,锁销缸活塞杆缩回量达到了约8 mm。仿真结果中活塞杆的位置变化情况与表2的单周期温度循环试验结果基本一致。

表5 双液控单向阀两腔单周期泄漏情况及仿真结果(单位：mm)

把A1腔设置为Ф0.001 mm,B1腔节流孔设置为Ф0.005 mm,模拟A1腔泄漏慢、B1腔泄漏快的情况,进行10个周期温度循环,仿真结果如图7所示。

(a) 两腔温度

(b) 两腔压力

(c) 两腔压差(B1-A1)

(d) 活塞杆位移

由图7可知,缩回量逐步减小,第1周期约9 mm,第2周期约1.5 mm,第4周期后不再缩回。在升温期间,活塞杆无反弹。仿真结果显示的锁销缸活塞杆位置变化趋势与表4所示实物试验结果吻合。

仿真结果充分说明了锁销缸活塞杆缩回的机理。随着温度的升高,油液膨胀,锁销缸两腔压力升高,在两腔形成压力差。如果A1腔密封性能好,则A1腔压力大于B1腔压力,当压力差超过克服活塞摩擦力(实际使用中存在活塞杆与锁销孔的摩擦力)的临界值时,活塞杆缩回。

4 问题复现

将表2中的8#双液控单向阀装入实际产品,经充分排气后使锁销缸活塞杆插入到位,将实际产品置于户外阳光直射之处,经过连续17 d的自然温度循环后,活塞杆累计缩回了22 mm。

5 改进措施

锁销缸活塞杆缩回的内因是双液控单向阀两腔的密封性能存在差异,外因是环境温度的变化。改进措施只能从内因入手,首先想到的是对双液控单向阀进行筛选,但是双液控单向阀的锥面密封效果良好,不太容易通过泄漏量来检测其密封性能,且各液压元件厂商也没有提供泄漏量标准,因此进行双液控单向阀筛选比较困难。

针对锁销缸活塞杆缩回的原因,采取的改进措施为:将双液控单向阀改为单液控单向阀,锁销缸A1腔直接与电磁换向阀的A口相通,杜绝了A1腔由于温升引起压力升高的可能性。改进原理如图8所示。

图8 锁销缸活塞杆缩回问题改进原理图

可以看出,当活塞杆拔出时,如果外界环境温度发生了变化,不可避免会出现活塞杆伸出现象。系统无论是运输状态还是架设状态,锁销缸活塞杆都处于插入到位状态,仅在对天线进行展开或折叠操作时,才要将锁销缸活塞杆拔出到位。因此活塞杆处于拔出状态的时间就是边块展开或折叠动作持续的时间,展开时间、折叠时间均为2 min,在如此短的时间里,环境温度的变化可以忽略,期间锁销缸活塞杆不会伸出。系统设有锁销缸拔出到位传感器,并设有动作联保,一旦锁销缸活塞杆伸出,无拔出到位信号,系统会停止动作并报错,该改进措施不会引起关联问题。

利用这种改进措施整改产品,放入高低温试验箱按同样温度循环曲线进行高低温试验,未发生活塞杆缩回现象。采取改进措施后,多部雷达整机经充分的户外验证试验,活塞杆均未发生缩回,改进措施有效。

6 结束语

本文通过试验和仿真,分析了双液控单向阀两腔密封性能的差异及油液温度效应对锁销缸锁紧回路静态性能的影响,阐述了天线边块锁销缸活塞杆缩回问题的机理,提出了采用单液控单向阀的策略,并通过试验验证了该措施可消除天线边块锁销缸活塞杆缩回的现象,对其他锁紧和平衡等液压回路的研究有一定的参考价值。