某型控制阀故障分析与改进

摘 要：控制阀在模拟飞机地面PBIT自检时，出现了返程不工作故障，针对控制阀工作原理进行分析，检查出故障原因，并通过试验验证故障解决措施的正确性。

关键字：控制阀 故障分析 排故 改进

0 引言

随着航空技术的蓬勃发展，航空器性能的不断提高，飞机的飞行控制系统，其关键技术领域也一直在进行着一系列的革新。

液压阀作为机械、电子和液压技术相结合的高度精密部件，综合了多方面的特点，具有控制精度高、响应快、信号处理灵活、输出功率大和结构紧凑等优点，是飞机液压系统的核心部件，它的性能直接影响甚至决定整个飞机液压系统的性能。

本文主要针对某型控制阀的一例故障原因进行了深入分析，指出了控制阀的设计缺陷，提出了改进措施。

1 故障现象

控制阀产品分别进行低速上仰、低速下俯、高速上仰、高速下俯10个循环，卸压升压后再10个循环的工作，工作正常。将产品模拟飞机地面PBIT自检顺序（即左低上仰、左低下俯，右低上仰、右低下俯，双低上仰、双低下俯、双高上仰、双高下俯）正常工作21个循环，在第22个循环双低下俯时出现只返程不工作的故障。

降低供油压力至15MPa，进行模拟PBIT自检，在右低下俯时出现故障，不能返回。升压至21MPa，故障保持。

2 结构与工作原理

2.1 正常操纵模态

如图1所示为控制阀的工作原理图。当液压源正常，手动摇臂无输入位移，上/下配平保险电磁阀和上/下配平控制电磁阀都没有通电时，控制阀上仰口A与下俯口B之间无流量输出，压力释放口C无压力输出。

当上仰配平保险电磁阀和上仰配平控制电磁阀都通电的情况下，控制阀有流量输出，流量方向为由上仰口A至下俯口B，压力释放口C有压力输出。当下俯配平保险电磁阀和下俯配平控制电磁阀都得电的情况下，控制阀有流量输出，流量方向为由下俯口B至上仰口A，压力释放口C有压力输出。只有当保险电磁阀和控制电磁阀的指令信号一致时，控制阀才能有流量和压力输出。

图1 控制阀原理图

2.2 机械备份工作模态

机械备份保险阀和机械备份控制阀在机械备份保险输入摇臂（手动摇臂）和机械备份控制输入摇臂（手动摇臂）的作用下移动，阀芯的移动使得上/下配平保险电磁阀和上/下配平控制电磁阀失去控制，即电操纵失效。

液压源正常，当摇臂没有输入位移时，机械备份保险阀和机械备份控制阀在自身弹簧的作用下处于中位，控制阀无流量和压力输出。

当操纵机械备份保险输入摇臂和机械备份控制输入摇臂使机械备份保险阀和机械备份控制阀处于上仰配平位置时，控制阀有流量输出，流量方向为由上仰口A至下俯口B，压力释放口C有压力输出。同样，当操纵机械备份保险输入摇臂和机械备份控制输入摇臂使保险阀和主控制阀处于下俯配平位置时，控制阀有流量输出，流量方向为由下俯口B至上仰口A，压力释放口C有压力输出。只有当机械备份保险阀和机械备份控制阀的机械输入位移一致时，控制阀才能有流量和压力输出。

3 故障分析

3.1 单向输出故障分析

根据系统反映故障对控制阀单向工作进行可能原因分析，具体排查结果如下：

（1）分解主保险、主控制阀芯两端螺堵，轻轻推动阀芯，均未卡滞，该项排除；

（2）检查手动摇臂阀芯，顺时针、逆时针可正常旋转摇臂，阀芯未卡滞，该项排除；

（3）检查主保险、主控两端弹簧，均正常，故该项排除；

（4）检查手动摇臂阀芯，摇臂可回中位，弹簧正常，故该项排除；

（5）检查密封圈时，发现主保险阀芯侧小胶圈断开，其保护圈破损，如图2、图3、图4所示，控制阀芯处组合密封正常，主保险、主控制阀芯组合密封均密封正常，两台产品其余3处组合密封的保护圈有局部小的薄飞边，伸向阀芯内侧；

图2 主保险阀芯组合密封

图3 断裂密封圈

图4 破损保护圈

（6）试验时，用电磁阀时正常工作。将电磁阀拆下，装在夹具上，通电关闭，故判断电磁阀正常，故该项排除；

（7）检查机械备份阀芯间隙、遮盖台肩均正常，故该项排除；

（8）检查单向阀，用注射器从反向注射未通过，因此未卡滞导致开启，故该项排除；

（9）检查阻尼节流器，用注射器注射汽油检查，正常流过未堵塞，故该项排除。

根据上述排查过程，可以确认：造成控制阀单向输出的原因为：保险阀芯活动组合密封失效。

3.2 组合密封失效原因分析

1）组合活动密封结构

主保险阀芯和主控制阀芯活动组合密封结构相同。阀芯一侧两处组合密封如图5所示，内部为密封圈，再用“凹”型塑料帽保护圈加以保护，以减小运动时对密封圈的磨损。图示位置为中位，即不输出流量状态。较小的密封圈规格为ϕ5.28×ϕ1.78，材料为5176S。保护圈中间单侧厚度为0.2，唇边厚度为0.8，材料为聚四氟乙烯。

2）密封圈过度挤压分析

经计算，失效处密封圈在密封槽内填充率为93%，处在80%～96%的上差。浸泡在油液中后密封圈会进一步吸油膨胀。除保护圈其余三侧都是不锈钢金属，因此密封圈当密封圈膨胀时会全部挤向保护圈。挤压力随填充率增加而变大，当总填充率超过100%，挤压力会更显著增加。

图5 阀芯活动组合密封结构

保护圈材料为聚四氟乙烯塑料，属软性材料，拉伸强度大于14MPa，断裂拉伸率大于140%[4]。当挤压力增加后一方面会增加和弹簧座内孔间的摩擦力，另一方面在右侧控制腔压力作用下会加剧向间隙的挤压。两种力作用下，第一阶段聚四氟乙烯塑料有可能逐渐向间隙间呈薄片状蠕变，呈飞边状，当变形量大于断裂拉伸率时，保护圈会变形。长期的工作后会导致第二阶段：保护圈破损扭曲，变形的保护圈挤压密封圈使扭转，逐渐被间隙挤压剪切断裂。当保护圈破裂变形后，第二阶段发展会很迅速。

产品在第1处活动密封的保护圈出现不同的程度的飞边现象，说明该现象是普遍性的，只是公差等因素使损伤程度略有不同。如果情况继续发展，很可能也会出现类似的故障现象。也就是说填充率过高是造成故障的主要原因。

故障初始时密封圈只是局部少量剪切，密封性变差，使控制腔和回油腔少量窜油，即导致第1次PBIT自检未通过。当再次自检时，胶圈扭转剪切位置变换了，因此密封恢复正常，使自检和工作都正常。随工作时间增加剪切部位增多，密封性越来越差，PBIT自检未通过次数也逐渐增加，直至连续5次未通过。在几十次正常工作后，胶圈彻底断裂，因此该控制阀出现只能上仰单向工作的故障，不能下俯工作。

4 改进措施

4.1 改进措施

1）降低密封圈压缩量、填充率

将密封圈槽底径相应的减小，宽度做相应的增加，相应的压缩量下降为：15.7%（极限值9%～20%），填充率下降为：79%（极限值71%～84%）。

2）减小运动配合间隙

弹簧座和阀芯配合间隙减小，间隙的减小有利于防止保护圈挤入以及大油液颗粒进入。弹簧座和阀芯同属于不锈钢，热膨胀系数差异不到2%，核算高温和低温时最小间隙时不会导致卡滞。核算弹簧座和铝壳体孔间隙在高温和低温时最小间隙大于0.01mm，不会导致卡滞。

3）提高表面粗糙度要求

依据航标，活动密封配合粗糙度推荐Ra0.16～Ra0.32。弹簧座内孔粗糙度由Ra0.4提高至Ra0.2。

4.2 验证情况

1）性能验证

将改进后的阀芯处组合活动密封与改进后的弹簧座配合安装，较改进之前的阻力感减少很多，运动配合时顺利，说明摩擦力明显降低；将改进后的零组件安装在产品上进行性能测试，在手动及电动模式下各运行100次以上，试验后复试，功能及性能均正常。

2）250h试验验证

将改进后产品按照250h对应工作次数进行考核试验，并进行高温、低温工作试验，以验证改进产品可以承试出故障前的工作次数载荷。

3）耐久试验验证

改进后的控制阀将进行专门的耐久试验，以充分研制该改进的对寿命影响效果，根据飞行起落对应折算滑阀工作次数，按阶段控制点完成全寿命的耐久试验。试验结束后测试产品性能，试验后复试，功能及性能均正常。

5 结论

通过控制阀模拟飞机地面PBIT自检时出现了返程不工作故障的分析和排查，造成控制阀单向不工作的原因为保险阀芯活动组合密封失效。通过对组合密封的结构进行改进，消除了故障，并通过试验验证了改进措施的正确性。该控制阀按照上述方案改进后，使用情况稳定。