無固定初始位的電磁（球閥）液壓閥安裝方式與起落架工作的可靠性

丁德鵬

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

電磁液壓轉換閥是航空液壓傳動系統的主要控制調節組件之一，具有結構緊湊、體積小、質量輕、功率大及工作穩定可靠等優點，因而在殲擊機、運輸機、教練機等各類飛機中廣泛使用。電磁液壓轉換閥在初始加壓時，油液中的污染顆粒物可能導致電磁（球閥）液壓轉換閥工作失效，致使飛機在地面起落架異常收起。研究發現，合理地安裝液電閥可有效地減少工作失效，大大提高液電閥工作的可靠性。

本文以常用的三位四通無固定初始位的電磁（球閥）液壓轉換閥（以下簡稱液電閥）來討論安裝方式對其工作可靠性的影響。

1 液電閥的作用和特點

電磁球閥是近年來新發展的一種電磁換向閥。它以電磁鐵的推力為動力，推動鋼球來實現油路的通斷和切換。電磁球閥的特點是：密封性好，可實現無泄漏；反應靈敏，響應速度快；使用壓力高；對工作介質的適應能力強；抗污染能力強。電磁球閥的應用與一般的電磁換向閥十分類似，在小流量液壓系統中可直接控制主油路，在大流量液壓系統中則可用作液電閥的先導控制元件。由于液電閥具有很多顯著特點，因而在一些特殊應用場合，如無泄漏領域，是一般電磁液壓轉換閥無法替代的。

2 液電閥的組成

液電閥由起先導作用的電磁閥和控制油路的液壓閥組成。

電磁閥操縱部分：由兩個直流電磁鐵、上活門座、下活門座、頂桿、鋼珠、錐形彈簧、濾網和彈簧墊片等組成；彈簧墊片保障無壓情況下，上、下活門座始終與電磁鐵靠緊。上、下活門座和鋼珠是保證液壓閥閥芯兩端頭高、低壓變換。錐形彈簧則保證頂桿和銜鐵在無壓情況下始終在上部 （鋼珠行程為0.2-0.25mm）。見圖1。

液壓換向部分：主要由閥芯、閥套、襯套、活塞、回中彈簧、橡膠圈及堵塞等組成。橡膠圈保證高低壓腔和外部密封。

為便于加工保證精度增加回中力，在結構上采用分段滑閥。主閥分三段即：閥芯、兩端的襯套和活塞。襯套既是套也是芯，是閥套的芯，是活塞的套。

3 液電閥的工作原理

液電閥在液壓系統的各個功能系統中廣泛應用，如起落架控制系統、襟翼控制系統等。由于起落架系統對于飛機安全的特殊影響，以下就其在起落架控制系統的使用加以討論。

起落架收放手柄置于中立位置時（如圖2a），電磁閥操縱部分不通電，2個電磁鐵都斷電，高壓來油經下活門座和鋼珠進入閥芯兩端。因為閥芯兩端面積相等，油壓相等，彈簧力也相等，所以閥芯處于中立位置。來油不能與起落架收、放管路相通，而起落架收、放管路均與回油路相通。

起落架收放手柄置于收上位置時 （如圖2b），觸點3通電，右邊的電磁鐵電2通電，推動頂桿，迫使鋼珠向下運動，關閉下部活門座通油孔，打開上部活門座通油孔，使閥芯右端與回油路溝通。高壓來油（油泵）進入左電磁閥操縱部分，油液力推動左邊的鋼珠向上移動，關閉上活門座的回油孔，打開通向閥芯左端的通油孔，閥芯在兩端油壓差作用下右移，使來油路（油泵）與收起落架油路(作動筒2)相通，放起落架油路(作動筒1)與回油路相通，將起落架收上。

起落架收放手柄置于放下位置時，觸點2通電，電磁閥的工作狀態與起落架收放手柄置于收上位置時相反。

圖2 YDF-23液電閥工作原理

4 液電閥的工作狀態

液電閥的工作狀態一般是指輸入額定（或正常）液壓壓力的情況下，通過電磁鐵加電和不加電來改變液壓油路的切換，如三位四通液電閥的三位就是三種狀態，即在輸入額定液壓壓力、一種常態下的三種狀態。液電閥在實際工作時，輸入的額定液壓壓力是由液壓泵提供的，液壓泵又是由飛機發動機驅動的，既有額定液壓的常態也有無液壓的非常態。液壓系統在液壓泵未工作時無壓力，開始工作時壓力上升，然后達到額定壓力。液壓泵工作及液壓系統正常時，液壓系統壓力保持在正常工作的壓力范圍內。當液壓泵停止工作時，液壓壓力由額定壓力逐漸降低，直到無壓。

4.1 液電閥油泵口不加壓力

這種狀態是非常態。由于液電閥油泵口不加壓力，致使壓力遠遠小于液電閥的最小工作壓力，這時，即使液電閥通電工作，液壓閥也不會發生轉換，即閥芯保持在中間位置，此時，油泵口與其他三個口不相通，動作筒1、動作筒2和回油口相通。所謂液電閥的最小工作壓力是指在公稱壓力和額定流量下液電閥能正常換向的最低控制壓力值。

4.2 液電閥油泵口從無壓力到最小工作壓力

這種狀態也是非常態。假定鋼珠在液壓油作用下壓住上活門座的最小壓力為P1，液壓閥閥芯在單邊液壓油作用下移動到位的最小壓力為P2。通常P2＞P1。在液電閥不通電的情況下，由于油泵口壓力由0逐漸上升，油液由油泵口進入，經電磁閥1的下活門座中孔、活門座之間的鋼珠、上活門座中孔，通過回油口流出。同時，另一路經電磁閥2的下活門座中孔、活門座之間的鋼珠、上活門座中孔，也通過回油口流出。油泵口壓力越大，流經活門座中孔的油流速也越大，當流速達到一定值時，鋼珠在油液壓力的作用下將把上活門座的中孔堵塞，截斷油液。此時的壓力值較小(P1)。當油泵口壓力繼續上升，電磁閥1和電磁閥2的鋼珠均堵在各自的上活門座上。在油泵口壓力小于液電閥的最小工作壓力（P2）時，如果電磁閥1通電，頂桿伸出，將鋼珠頂到下活門座中孔上，把下活門座封閉，上活門座打開（與回油口相通），液壓閥的電1側的壓力為回油端壓力 （即0）；而電磁閥2未通電，液壓閥的電2側的壓力為油泵口壓力，即液壓閥兩端的壓力差為油泵口壓力。由于此時油泵口壓力小于最小工作壓力(P2)，液壓閥不會發生轉換（或不完全轉換），即油泵口與其他三個口不相通，動作筒1、動作筒2和回油口相通。同理，電磁閥2通電，電磁閥1不通電，液壓閥也不會發生轉換。

4.3 液電閥油泵口加額定壓力或大于最小工作壓力

這種狀態是常態（正常工作狀態）。在液電閥不通電的情況下，由于油泵口壓力大于最小工作壓力，在油液的作用下，電磁閥1和電磁閥2的活門座之間的鋼珠均將各自的上活門座的中孔封閉，將回油液截斷，液壓閥閥芯兩側的壓力均為油泵口壓力，閥芯兩端壓差為零，閥芯保持中間位置，即油泵口與其他三個口不相通，動作筒1、動作筒2和回油口相通，如圖2a所示。電2通電，電1不通電時，液壓閥閥芯電2側的壓力為回油壓力，閥芯電1側的壓力為油泵口壓力，閥芯兩端壓差為油泵口壓力減去回油壓力，此壓差大于最小工作壓力，閥芯向低壓端移動，即向電2側移動（閥芯向右移動），油泵口和動作筒2相通，回油口與動作筒1相通，如圖2b所示。電1通電，電2不通電時，液壓閥閥芯電1側的壓力為回油壓力，閥芯電2側的壓力為油泵口壓力，閥芯向低壓端移動，即向電1側移動（閥芯向左移動），油泵口和動作筒1相通，回油口與動作筒2相通（圖中未畫出）。

4.4 液電閥油泵口由最小工作壓力降到無壓力

這種狀態也是非常態。類似于“4.2液電閥油泵口從無壓力到最小工作壓力”，區別在于：液壓閥閥芯在電磁閥1或電磁閥2通電狀態，當液壓壓力大于最小工作壓力時，閥芯已在左端或右端。當液壓壓力剛剛降到低于最小工作壓力時，由于閥芯與閥套間存在靜摩擦阻力，閥芯不會立即往中間位置移動，即存在回差現象。液壓壓力繼續下降到一定值，在壓縮量較大的壓縮彈簧的作用下，隨著液壓壓力繼續下降，閥芯不斷往中間位置移動。液壓壓力下降到一定值，則閥芯移到某一位置。當液壓壓力下降到0時，閥芯移動到中間位置。

5 液電閥的液壓油介質工作環境

5.1 液壓系統污染來源

污染物的來源主要有三個方面：一是系統內原來殘留的污染物：如金屬切屑、焊渣、型砂、塵埃及清洗劑等。二是系統運轉中生成的污染物：如元件磨損的磨屑、管道內的銹蝕剝落物、油液氧化和分解產生的顆粒等。三是系統工作過程中從外界侵入的污染物：如通過作動筒活塞桿密封和油箱呼吸孔侵入系統的污染物，以及注油和維修過程中帶入的污染物等。據資料統計，因固體顆粒污染物引起的液壓系統故障占總污染故障的60%-70%。

5.2 油液污染物類型

油液中的污染物根據其物理狀態可分為固態、液態和氣態三種類型。固態污染物通常以顆粒狀存在于系統油液中，顆粒的形狀是多種多樣的，一般都是不規則的；液態污染物主要是外界侵入系統的水；氣態污染物主要是空氣。

5.3 油液污染標準

根據GJB420A-96《飛機液壓系統工作液固體污染度》標準，按每100ml油液內所含5個尺度段最大極限顆粒數，從000-12級共分15個等級，如表1所示。

根據標準，油液中有顆粒是必然的，級別數越大，污染越嚴重，級別每增加一級，顆粒數就翻一翻。

表1 GJB420A-96《飛機液壓系統工作液固體污染度》標準

6 鋼珠的平衡穩定性與液電閥的安裝方式

液電閥在液壓系統的常態時，其工作的可靠性與其安裝方式關系不大。但液電閥在液壓系統建壓過程（非常態）中，其工作的可靠性與其安裝方式關系很大。所以這里討論的穩定性是指鋼珠在無固定初始位液電閥中，液電閥在未加電的情況下，電液閥在加壓過程中鋼珠對上活門座的密封可靠性。

6.1 鋼珠的平衡穩定性

為說明鋼珠的平衡穩定性，先看看物體的平衡穩定性。

圖3a中小球如果放在碗S的內彎曲表面上，它就會滾下來，并且在最低點處進入平衡狀態。這時它的勢能為極小。對于任何場（引力場、磁場、電場）中的物體情況都是如此，即平衡位置對應于最小勢能。如果擾動一下小球A使之移動到B，則它的勢能增加了。當松開手時，小球便滾回A。因而就說，小球在A處處于穩定平衡。注意：當小球移動到B點時小球的重心比A點升高了。由于這個原因，場中的力使小球從B回到A（A處的勢能比B處小）。

圖3b中小球在A點則處于不穩定平衡，一點外界因素干擾就打破了該點的穩定平衡狀態。

圖3 球的平衡穩定性

圖4a表示底面在水平表面的圓錐C，如果將圓錐稍微移動一下，從C移動到D，則其重心G升高到G1，如前所述，當放開椎體時，C又回到了D，所以此平衡是穩定的。

圖4b表示圓錐C的頂朝下的一個狀態，處于不穩定平衡狀態。

圖4c表示錐體側面著地的情況，如果稍移動一下，重心G移到G3但是它高度是不變的，因而錐體停留在移動后的位置，這就是隨遇平衡。

圖4 圓錐體的平衡穩定性

圖5、圖6是無固定初始位電磁閥的上活門座、下活門座、鋼珠的實物照片。

圖5 電磁閥上活門座

圖6 電磁閥下活門座（中間放置了鋼珠）

鋼珠在電磁閥上活門座與下活門座之間的軸向設計成有一定的移動范圍，例如0.2mm-0.25mm。電磁鐵未通電時，頂桿在錐形彈簧的作用下復位，鋼珠不受頂桿作用，只受重力等影響，工作在液壓油中。由于鋼珠工作在液壓油中，油液中的顆粒污染物可能影響鋼珠與活門座的密封。

6.1.1 液電閥油泵口不加壓力

在不加液壓壓力的情況下，鋼珠所處的位置由電磁鐵安裝方式和鋼珠的重力決定。當電磁鐵在上方時，鋼珠落在下活門座上。當電磁鐵在下方時，鋼珠落在上活門座上。當電磁鐵軸向在水平方向時，鋼珠落在上下活門座之間。

6.1.2 液電閥油泵口加壓力

在加液壓壓力的情況下，鋼珠所處的位置與電磁鐵安裝方式和鋼珠的重力無關，取決于電磁閥頂桿的位置或液壓壓力的方向。如果電磁鐵未加電，鋼珠由液壓油壓力推向上活門座。如果電磁鐵加電，鋼珠由電磁鐵的頂桿推向下活門座。

6.2 鋼珠的不穩定平衡和穩定平衡

6.2.1 液電閥油泵口不加壓力

當電磁鐵在上方時，鋼珠落在下活門座上。由于液壓油中不可避免地存在顆粒物污染，顆粒物可能落在鋼珠與下活門座中孔邊緣之間。同理，當電磁鐵在下方時，鋼珠落在上活門座上，顆粒物也可能落在鋼珠與上活門座中孔邊緣之間。由于液電閥油泵口未加壓力，系統受振動（如牽引飛機）等，顆粒物極易受重力作用離開原位 （如掉入下面的活門座中孔中）。顆粒物落在鋼珠與下面活門座中孔邊緣之間時，鋼珠處于不穩定平衡狀態。換言之，鋼珠在重力作用下落在下面的活門座（不是專指下活門座）上是處于穩定平衡狀態。

6.2.2 液電閥油泵口加壓力

當電磁鐵在上方時，鋼珠落在下活門座上。當油泵口加壓力，鋼珠在油液流動壓力作用下，向上活門座移動，這時顆粒物可能隨油液流動而被卡在鋼珠與上活門座之間，這將導致鋼珠不能完全關斷回油路，嚴重時導致液壓閥閥芯異常動作。這種情況對鋼珠來說是不穩定的，對系統來說是有害的，也就是系統工作的可靠性不是特別的高。但是，當電磁鐵在下方時，由于顆粒物落在鋼珠與上活門座之間是不穩定的，通常受外界影響，鋼珠會穩定地落在上活門座的中孔上，當油泵口加壓力，鋼珠將不發生運動而穩穩地保持在上活門座的中孔上，即系統工作具有特別高的可靠性。

6.3 鋼珠的隨遇平衡

如果鋼珠放在一平面上，稍稍移動它一下，中心G保持高度不變，因而鋼珠處于隨遇平衡狀態（如圖4(c)所示）。當電磁鐵軸線水平放置時，鋼珠處于上活門座與下活門座之間水平移動，力學特性即為典型的隨遇平衡。

7 建壓過程存在的問題

在液電閥油泵口加壓時，由于液電閥安裝方式的不同，鋼珠可能發生移動。如果液電閥的電磁鐵在上，鋼珠將由下活門座向上活門座移動，這時液壓油由下活門座中孔流進，從鋼珠四周流過，進入上活門座中孔流出，液壓油中顆粒物完全可能落在鋼珠與上活門座中孔邊緣之間而被壓住，導致鋼珠不能完全關斷回油路，嚴重時導致液壓閥閥芯異常動作。影響程度主要取決于系統壓力大小、液電閥的最小工作壓力特性和被壓顆粒尺寸大小。

8 解決建壓狀態可能不確定的措施

目前電磁球閥只有二位閥，而且二位三通閥為基本結構；三位四通液電閥則需用二個二位三通閥來組合。液電閥的安裝方式直接影響液壓系統工作的可靠性。對液電閥的安裝方式應合理地取舍。無固定初始位的三位四通液電閥的二個電磁鐵在同一平面上成90°夾角也有成“一”字（180°）。現以電磁鐵在同一平面上成90°夾角的無固定初始位的三位四通液電閥為例，對安裝方式與可靠性加以討論。

1)二個電磁鐵在垂直平面上同時朝上，使每個電磁鐵中心線偏垂線45°，這種安裝方式外觀平整，但液壓系統的液電閥工作可靠性最差，鋼珠的初始密封性最易受固體污染物影響。

2)二個電磁鐵在水平平面上安裝，這種安裝方式，液壓系統的液電閥的鋼珠處于隨遇平衡狀態，二個鋼珠的初始密封性受固體污染物影響相當，液壓系統的液電閥工作可靠性較差。

3)二個電磁鐵在垂直平面上同時朝下，即每個電磁鐵中心線偏垂線45°，這種安裝方式，液壓系統的液電閥工作整體可靠性最好，適用于二路要求較高的場合。但對于某一路要求特別高的，不能達到最佳效果。

4)對于某個液壓管路要求特別高的油路 （直接影響人生安全和設備安全），又不能通過操作等其它辦法來克服的，應將控制此路的電磁鐵（中心線）垂直朝下，另一個電磁鐵水平安裝。對于飛機起落架液壓系統，起落架在放下狀態可靠地保持至關重要，遠比起落架在收上狀態可靠重要的多，所以建議將液電閥的收上電磁鐵朝下安裝。

9 結語

飛機起落架是支撐整架飛機的裝置，如果在地面異常收起，飛機將受到損傷，使飛行員的安全受到威脅，而液電閥又是起落架控制系統中的核心附件，其工作的可靠直接影響著起落架系統的工作可靠性和飛機的安全，故應當選擇合理、恰當的安裝方式。

[1]【英】M.內爾康著,倪鋤非譯.力學與物質的性質.北京:科學出版社,1983.

[2]雷天覺，楊爾莊，李壽剛.新編液壓工程手冊（上冊）.北京:北京理工大學出版社,1998.

[3]YDF-23-SM簡要技術說明書.長春：國營一三三廠設計所.

[4]杜來林，宋小軍.飛機附件檢修.北京：航空工業出版社，2011.