液压能源系统故障机理分析

飞机液压能源系统以飞机液压泵为核心。在进行有效的故障诊断和预测之前，首先必须深入研究液压能源系统各类故障模式的故障机理，从物理化学性能退化角度剖析各类故障的产生原因，得出各种故障的敏感故障表征，进而实现传感器优化布局。并以尽可能少的传感器获得尽可能全面丰富的故障信息，为高效准确的故障诊断打下坚实基础。通过大量现场调研得知，飞机液压泵的常见故障模式有以下五种：①配流盘磨损；②入口压力不足；③转子轴承滚棒磨损；④柱塞球头游隙增大；⑤斜盘不对中。

1.配油盘磨损故障机理分析

配流盘和与之配对的转子构成航空柱塞液压泵中最为重要的一对摩擦副，大量实验表明，配流盘磨损的表现形式大致相似，即主要表现为粘着磨损和磨粒磨损，只是磨损程度不尽相同，表面形态为一圈圈比较均匀的磨损划痕。配流盘磨损的主要原因是：在正常情况下，配油盘和转子之间可以建立起稳定的油膜，实现了良好的动态润滑；当液压泵在高压高速下长时间工作时，油膜在高压区和低压区所受载荷不均匀，会导致局部封油带油膜建立不稳定，出现混合润滑、边界润滑甚至干摩擦，摩擦副上下表面之间就产生了粘着磨损。随着工作时间的延长，液压泵内部相对运动表面局部会出现剥落，或在高温高压下发生局部化学反应产生出高硬度碳化物污染颗粒。这些颗粒一旦进入油膜中，会在油膜间隙翻滚或滑动。当颗粒受力平衡后，将以较平衡的方位角处于摩擦副上下表面之间，并随着运动表面的运动对配合上下表面进行刮削，形成划痕，这是三体磨粒磨损的情形。另一方面，由于配油副中配流盘材料为高硬度合金钢，表面硬度较高，而转子材料为锰黄铜，并进行了表面镀银处理，表面硬度较低，导致部分高硬度污染颗粒会嵌入转子端面中，并露出尖锐部分对配流盘封油带进行刮削形成磨损。除了以上类型的磨料磨损，同时还会发生汽蚀磨损和表面疲劳磨损等磨损形式，最终导致配油盘磨损严重，密封失效，产生大量泄漏。如图9-2所示为某型液压泵磨损失效后的配流盘。

为了观察的更为清楚，在电子显微镜下观察配流盘的各个典型部位如图9-3所示。在各个局部放大的表面中，均呈现出一圈圈均匀划痕，因此可以证实主要的磨损形式为磨粒磨损。

图9-2 某型航空泵磨损失效后的配流盘

图9-3 电子显微镜下观察配流盘的各个典型部位

a）闭死区1 b）闭死区2 c）吸油窗口 d）排油窗口

对多次更换或推研后的配流盘进行反复实验，并用轮廓仪测定配流盘各个典型工作区域的表面微观形态，得知磨损形态基本类似。配流盘内外封油带表面的径向轮廓如图9-4所示。两相对比可知：外封油带的磨损量较小而且较为均匀，内封油带磨损程度较大，有的部位出现了明显沟槽。配流盘死区由内封油带向外封油带过渡的过程如图9-5所示，在内封油带内圈向中央环形区域过渡的边缘处，出现磨损深度突变。原因是该处为配油盘与转子端面相接触的表面边缘，如果磨损加剧严重，可以通过肉眼观察到表面有磨损台阶出现。实验后与配流盘配合的转子端面也产生较大程度的磨损，转子表面内封油带轮廓如图9-6所示。在位移4.8mm附近出现了表面轮廓突变，此处为转子端面与配流盘内封油带外圈贴合处。

图9-4 配流盘内外封油带表面的径向轮廓

a）外封油带 b）内封油带

图9-5 配流盘死区由内封油带向外封油带过渡的过程

图9-6 转子表面内封油带轮廓

在液压泵工作时，高速旋转的缸体与配流盘之间受到一对方向相反的力，即缸体因柱塞腔中高压油液作用而产生的压紧力和封油带油膜作用于缸体的分离力。正常工作时，为了使这对摩擦副可以紧密配合，并保证良好的密封性，应有一定的剩余压紧力。设计配流盘时，一般考虑压紧力P_y稍大于分离力P_f：

P_f=（1-φ）P_y （9-1）

式中，φ为压紧系数，一般取为0.05～0.1，既保证密封又保证有一定的间隙起到润滑作用。

一旦封油带损伤，当柱塞泵工作时，油膜分离力P_f减少，剩余压紧力（P_y-P_f）增大，则油膜间隙减小；在相同尺寸磨损颗粒的作用下，磨损加剧，并加剧封油带的损伤，最终使泵的容积效率下降，不能满足技术要求。

配流盘磨损对泵回油流量的影响远远大于滑靴/斜盘和柱塞/柱塞腔摩擦副的影响。回油流量随配流盘磨损量的增加而增加，其中工作前期和中期处于均匀增大趋势，而到了寿命末期，回油流量将快速增大，并有可能发生突变。实验测得，最大回油流量随磨损量的变化见表9-1。泵最大回油流量随配流盘磨损深度的变化趋势基本呈线性增长，两者的关系曲线如图9-7所示。

表9-1 配流盘表面最大磨损深度与泵回油流量关系

2.入口压力不足故障机理分析

从油箱流出的油液，在大气压力作用下会正常溶解一部分空气。当入口压力不足时，使得油液压力低于空气分离压，并将处于过饱和状态，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，产生大量气泡。这些气泡在高压油液作用下发生爆破，在液压泵配合表面产生汽蚀现象。入口压力不足故障主要由以下几方面原因导致。

1）增压装置故障：液压泵的增压方式主要有氮气增压、进口内置叶轮增压、通过增压泵增压、将油箱置高靠液体自重增压等方式。当由氮气瓶到油箱的管路密封不严产生漏气、内置叶轮出现故障或者增压泵出现故障而不能提供满足需求的入口压力时，均会出现泵入口压力不足现象。

图9-7 泵最大回油流量与配流盘磨损深度的关系曲线

2）进油管路较细：如果液压泵进油管路设计过细油液流经此节流口时，根据流量连续性方程q=vA=constant可知，油液由进油管路进入到泵腔时流速会增大。根据能量守恒定律——伯努利方程（不考虑比位能时）可知，流速的增大必然导致局部油液压力下降，当油液压力低于空气分离压时，系统中很容易在进口处产生大量气泡。

3）液压泵的转速过高：单位时间内所需供油量增大，一旦液压系统无法提供较大供油量时，将导致吸空现象。

4）油箱液位过低：使液压泵进油管直接吸空。

5）油液粘度过高或者抗泡沫性较差。

入口压力为0MPa时的流量-压力的实验曲线如图9-8所示。由图9-8可以看到，当入口压力变成0MPa时，液压泵的工作性能将受到很大影响，入口压力不足状态下的泵与正常泵相比具有明显特征：

①振动：液压泵在运转过程中出现间歇性剧烈振动，噪声异常。当发生这种声音时，壳体轴向和径向振动明显增大，整个过程中振动幅值很不均匀。

②流量：当入口压力较低时，液压泵发生充填不足现象，吸入流量不足，在大流量状态下，出口流量和回油流量总和明显低于正常值。为了确定入口压力降低对出口流量和回油流量造成的影响，试验中设定不同的入口压力，通过手动连续调节出口压力，得到出口流量、回油流量随压力变化的关系。表9-2为在不同的入口压力下试验所得总流量的值。(https://www.xing528.com)

图9-8 入口压力0MPa时流量-压力曲线

表9-2 不同的入口压力下试验所得总流量的值

③压力：当发生入口压力不足时，出口压力幅值出现大幅度波动，且不能维持在一个恒定值上。大流量下的压力波动在幅值和周期上均无明显规律，而当压力上升至压力/流量特性曲线拐点之后时，即在小流量状态下压力曲线呈现出较为规则的类正弦变化规律。这一现象在多次试验中均得到验证，如图9-9所示给出了小流量下入口压力0MPa时，出口压力波动局部放大曲线。

图9-9 小流量下入口压力0MPa时，出口压力波动局部放大曲线

3.转子轴承故障机理分析

飞机液压柱塞泵长期工作在交变载荷下，轴承的滚柱、内环或外环滚动表面很容易产生润滑不良、点蚀及疲劳等损伤。轴承常见的故障有滚动面局部损伤，如划痕、断裂及点蚀；滚动面的大面积损伤，如全面疲劳和磨损。但是无论哪种故障，滚动面的损伤都会在运转过程中产生冲击，从而产生周期性的振动。

（1）滚动面的局部损伤 当滚动面局部损伤时，滚柱每经过损伤处一次，就产生一次冲击激励，其冲击的时间和程度取决于损伤的形状和深度。当轴承的内环或外环滚道上出现一处损伤，如果不出现滑动现象，每当滚柱滚过该损伤点时均会产生一次振动。对于滚柱上的一处损伤，如果不出现滑动现象，滚珠每滚动一周，都要分别和内环与外环发生一次碰撞，进而产生一次振动。

假设轴承零件为刚体，不考虑接触变形的影响，滚柱沿滚道为纯滚动，则有以下局部损伤振动特征频率公式。

当内滚道有一处局部损伤时，其故障振动脉冲特征频率f_n为

当外滚道有一处局部损伤时，其故障振动脉冲特征频率f_w为

当滚柱有一处局部损伤时，其故障振动脉冲特征频率f_g为

式中，f_i为内环转动频率；f_r为滚柱自转频率；f_c为滚柱公转频率；D为轴承的节圆直径；d为滚柱的直径；α为接触角；z为滚柱的个数；f_i=f_r-f_c。

（2）滚动面的大面积损伤 轴承中滚柱或内外环滚动表面，由于接触负荷的反复作用，形成裂纹并继续扩展，直至产生大面积剥落；或由于轴承中浸入硬物质造成轴承滚动面的大面积损伤。这种情况下表面粗糙度和峰谷是随机分布的，以宽带激励力连续作用于轴承系统上，很难计算出准确的故障频率。此时的振动相当于随机激励信号引起的振动，这时应在轴承的固有频率处进行监测。

液压柱塞泵工作时，轴承故障引起的振动相对于泵的其他故障振动，是十分微弱的，对于如此微弱的信号，采用通常的频谱分析方法，很难有效提取轴承故障特征，而倒谱及包络等技术适合于微弱信号的分辨，比较适合轴承的故障特征提取，详见3.1.3及图4-3。

4.柱塞球头游隙增大故障机理分析

柱塞泵在工作过程中，柱塞随缸体的转动在不断往复运动，每转一周柱塞球头便会和球窝发生两次振动冲击，随着工作时间的积累便会出现柱塞游隙增大的故障。实验中在液压泵工作一段时间后，将泵进行分解测量，发现部分柱塞球头游隙超标。又进行了一组人为拉大所有柱塞游隙的实验。正常状态与两组故障状态下柱塞游隙尺寸比较见表9-3。

表9-3 正常状态与两组故障状态下柱塞游隙尺寸比较

柱塞球头游隙增大，是液压柱塞泵的常见渐进性故障。当柱塞游隙增大到一定范围内时，泵的外部主要特性如流量、压力和振动没有明显变化。随着间隙的继续加大，当超出安全范围时，球头和滑靴有可能突然拉脱，会在一瞬间破坏整个泵源系统，并对飞行安全造成严重的威胁。造成液压泵发生柱塞游隙增大故障的原因主要有以下三种：

1）工作应力。转子柱塞泵每转一周，柱塞吸油和排油各一次，从低压腔到高压腔再到低压腔，使柱塞长期工作于强大的交变载荷下，造成柱塞球头和滑靴球窝沉凹变形。

2）油液污染。油液受到污染后，其中的污染颗粒就进入滑靴与球头的润滑间隙，使结合面受到大量污染颗粒的磨损，磨损的结果使间隙增大，从而造成游隙增大故障。

3）制造误差。球头和滑靴之间加工收口质量差。当发生单个柱塞球头游隙增大时，故障的振动频率是轴频率的2倍。当多个柱塞同时发生柱塞球头游隙增大时，强大的附加冲击造成故障信号分散，故障信号表现为宽带噪声。

5.斜盘不对中故障机理分析

斜盘不对中故障也属于渐进性故障，即在泵的装配过程中，由于装配误差或者长期工作后可能会出现斜盘不对中的现象。通过去掉斜盘耳轴一侧的垫片，使斜盘两侧的间隙超出允许值来模拟斜盘不对中故障的发生。此故障诊断的意义在于，可在泵的工作初期检查出装配误差，或在泵的寿命末期检测由于磨损而导致不对中现象。

在泵工作时，主轴带动缸体旋转，从而使柱塞带动卡盘随之转动，斜盘与卡盘是通过中心轴固定到一起的，所以柱塞的旋转运动使斜盘具备一定的自动对中功能。但是为了保证柱塞承受的力尽可能小，在斜盘两侧的耳轴上加了限位垫片，以减小工作过程中的窜动量。同时，为了保证斜盘可以灵活摆动，又要留有一定的间隙。

实验中将低压一侧的垫片去掉，虽然工作时可以靠柱塞组件的旋转带动卡盘使斜盘自动对中，但是由于柱塞和卡盘之间的运动间隙很大。在运动过程中，柱塞会给卡盘一定的冲击，使得斜盘向有间隙的一侧偏移。当偏移到一定程度时，由于柱塞组件对卡盘的影响使得斜盘自动对中，这两种作用都会引起斜盘来回窜动。斜盘的窜动能引起壳体径向振动的异常变化，且相当于一个随机干扰信号，这将会淹没一些比较微弱的径向特征信号。由于此窜动仅仅发生在径向，所以只会对径向振动造成比较大的影响，而对轴向振动不会有大的影响。

经过前述分析，可以得到液压泵故障模式影响分析表，见表9-4，其中RPN全称为Risk Priority Number，其数值为故障严重度、故障发生度和故障检测度三者分数的乘积，综合反映了故障的发生概率、故障发生后的检测难度和故障发生后对系统的影响。RPN数值越大，说明该故障对系统的影响最大，同时也最应首先得到处理。

表9-4 航空液压泵故障模式影响分析（FMEA）