某卡環(huán)內(nèi)鎖作動(dòng)筒嘯叫故障分析

鄒 衍，黃志軍，趙振貴，傅琳輝

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

在航空領(lǐng)域，液壓系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。液壓系統(tǒng)往往是機(jī)械、電子和液壓技術(shù)相結(jié)合的高精密部件[1]，系統(tǒng)工作時(shí)嘯叫成為液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障之一。學(xué)者對(duì)液壓系統(tǒng)的嘯叫現(xiàn)象研究較多，陳元章[1]對(duì)伺服閥銜鐵組件的嘯叫問(wèn)題進(jìn)行了CFD分析發(fā)現(xiàn)，嘯叫時(shí)流體在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生了一明顯的狹長(zhǎng)負(fù)壓區(qū)，通過(guò)改變產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，伺服閥嘯叫的問(wèn)題得到解決。朱釩[2]等對(duì)溢流閥的噪聲進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，主要有三類噪聲，即機(jī)械噪聲、流體噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，并提出通過(guò)減少氣穴，改進(jìn)裝配等方法進(jìn)行降噪。劉玉龍[3]針對(duì)飛機(jī)剎車伺服系統(tǒng)中壓力伺服閥的嘯叫問(wèn)題展開(kāi)理論研究、仿真分析和試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)其嘯叫現(xiàn)象主要為相關(guān)組件受迫性高頻振動(dòng)，影響因素包括滑閥結(jié)構(gòu)參數(shù)、滑閥增益、前置級(jí)氣穴現(xiàn)象、死容腔氣泡和供油壓力脈動(dòng)等。

作動(dòng)筒是液壓系統(tǒng)中將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4]，本文針對(duì)某卡環(huán)內(nèi)鎖作動(dòng)筒活塞部件運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的嘯叫現(xiàn)象，驗(yàn)證了故障原因的正確性，同時(shí)提出了更有效的間隙檢測(cè)方法，給出了避免故障的解決措施，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了解決措施的可行性。

1 故障描述及初步分析

圖1為某卡環(huán)內(nèi)鎖作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)示意圖[5]。作動(dòng)筒主要由外筒、保持器、活塞桿、活塞、卡環(huán)、彈簧和密封圈組成。保持器與活塞桿固連，保持器與活塞間裝有若干彈簧，活塞可沿活塞桿運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)筒一側(cè)設(shè)有卡環(huán)式內(nèi)鎖，上鎖狀態(tài)時(shí)卡環(huán)處于自然狀態(tài)，開(kāi)鎖后卡環(huán)處于收縮狀態(tài)。作動(dòng)筒解鎖后，在液壓作用下活塞桿等部件沿外筒往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖2為作動(dòng)筒縮進(jìn)運(yùn)動(dòng)示意圖。作動(dòng)筒做縮進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在液壓作用下壓縮彈簧，與保持器端面貼合，推動(dòng)活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，同時(shí)活塞桿一端面與卡環(huán)貼合，推動(dòng)卡環(huán)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)彈簧腔幾乎為密閉空間。

圖3為作動(dòng)筒伸出運(yùn)動(dòng)示意圖。作動(dòng)筒做伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在液壓作用下與卡環(huán)斜面貼合，推動(dòng)活塞桿向右運(yùn)動(dòng)。活塞與保持器端面脫離，形成彈簧腔與液壓油腔間的通路。

圖1 某卡環(huán)內(nèi)鎖作動(dòng)筒上鎖位置示意圖

圖2 作動(dòng)筒縮進(jìn)運(yùn)動(dòng)示意圖

圖3 作動(dòng)筒伸出運(yùn)動(dòng)示意圖

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作動(dòng)筒做縮進(jìn)和伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)發(fā)出持續(xù)的嘯叫聲。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，作動(dòng)筒嘯叫的可能原因包括機(jī)械噪聲或者流體噪聲。機(jī)械噪聲又可分為振動(dòng)噪聲和摩擦噪聲。由于作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)較簡(jiǎn)單且零部件剛度較強(qiáng)，排除振動(dòng)噪聲的可能。作動(dòng)筒工作時(shí)，卡環(huán)處于收縮狀態(tài)，卡環(huán)與外筒間必然存在摩擦作用，卡環(huán)收縮程度影響卡環(huán)與外筒間摩擦強(qiáng)度，故該摩擦是造成作動(dòng)筒嘯叫的可能因素。

作動(dòng)筒安裝完成后，由保持器、活塞桿和活塞包圍形成彈簧腔，彈簧腔與液壓油腔間的通路大小由保持器和活塞間隙保證。當(dāng)該間隙過(guò)小時(shí)，作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧腔可能產(chǎn)生負(fù)壓作用，出現(xiàn)負(fù)壓腔甚至氣穴，從而導(dǎo)致流體噪聲。如圖2所示，作動(dòng)筒做縮進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，理論上保持器和活塞完全貼合，間隙很小，彈簧腔幾乎為密閉空間；如圖3所示，作動(dòng)筒做伸出運(yùn)動(dòng)時(shí)，理論上保持器和活塞間有一定的間隙，該間隙大小與多個(gè)零件公差有關(guān)。若由保持器和活塞間隙導(dǎo)致流體噪聲，則噪聲應(yīng)出現(xiàn)在伸出過(guò)程，縮進(jìn)過(guò)程不該產(chǎn)生噪聲。

2 尺寸鏈分析

圖4為作動(dòng)筒相關(guān)尺寸參數(shù)示意圖。

圖4 尺寸示意圖

由圖4可知：

所以

根據(jù)作動(dòng)筒零件尺寸及公差要求，公差范圍按均勻分布，隨機(jī)生成10000組尺寸，計(jì)算當(dāng)d1=0時(shí)，卡環(huán)收縮后最大外徑D，結(jié)果如表1所示。

表1 D統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

外筒內(nèi)徑Dt理論值為75mm，由表1可知，卡環(huán)收縮后最大外徑有可能大于外筒內(nèi)徑，故卡環(huán)與外筒間存在干涉，導(dǎo)致嘯叫故障。設(shè)收縮后卡環(huán)與外筒內(nèi)壁徑向干涉量為dRN，統(tǒng)計(jì)表1中干涉量，如表2所示。

表2 dRN統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

由表2可知，當(dāng)前作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)在考慮公差后，有不大于10%的概率出現(xiàn)卡環(huán)收縮后與外筒干涉的情況，其中，最大干涉量約為1mm。

本研究通過(guò)建立一套測(cè)定天然氣中重組分對(duì)MDEA溶液脫硫性能影響的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，研究不同重組分對(duì)MDEA溶液吸收性能的影響規(guī)律，采用多因素方差分析篩選關(guān)鍵因素，并判定其影響程度大小，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立天然氣中重組分不利影響的預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確找出天然氣中重組分不利影響與相關(guān)因素之間的隱藏關(guān)系，并確保此預(yù)測(cè)模型的誤差小于10%。

作動(dòng)筒裝配要求如圖5所示。

圖5 裝配要求圖

由圖5可知，當(dāng)d1=0.5mm時(shí)，必須保證d2=4±0.5mm。

由式（1）～式（5）可得

計(jì)算d2，當(dāng)D≤Dt，d1=0.5mm 時(shí)，統(tǒng)計(jì)滿足要求的次數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 d2統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

由表3可知，當(dāng)前尺寸參數(shù)及公差要求并不能100%保證滿足裝配間隙要求，合格率僅80%左右。

圖6 間隙實(shí)際測(cè)量示意圖

實(shí)際裝配時(shí)，沒(méi)有設(shè)計(jì)專門檢驗(yàn)工裝，故圖4所示配合要求無(wú)法檢測(cè)，僅將保持器與活塞完全貼合，即d1=0時(shí)，測(cè)量d2，記為d2sc，如圖6所示。檢測(cè)時(shí)，若4≤d2sc≤5，則認(rèn)為滿足裝配要求。

計(jì)算d2sc，統(tǒng)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)，如表4所示。

由表 4 可知，當(dāng)d1＜0.5mm 和D＞Dt時(shí)，d2sc范圍與檢驗(yàn)范圍有重疊，說(shuō)明當(dāng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)，某一作動(dòng)筒滿足檢測(cè)要求，但理論上作動(dòng)筒在實(shí)際安裝狀態(tài)時(shí)并不一定滿足設(shè)計(jì)要求，也無(wú)法排除卡環(huán)收縮后與外筒干涉情況。

表4 d2sc統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

該問(wèn)題作動(dòng)筒d2sc=4.2mm，滿足檢驗(yàn)要求，但實(shí)際卻出現(xiàn)嘯叫故障。故當(dāng)前檢驗(yàn)方法不可靠。

實(shí)測(cè)另一無(wú)故障作動(dòng)筒d2sc=4.9mm，而卡環(huán)收縮后與外筒干涉時(shí)最大d2sc=4.75mm，說(shuō)明檢測(cè)時(shí)，當(dāng)d2sc偏上差時(shí)，有較大可能不會(huì)出現(xiàn)干涉情況。

3 解決措施

由上節(jié)分析可知，當(dāng)前檢測(cè)方法不可靠，故應(yīng)設(shè)計(jì)工裝測(cè)量安裝狀態(tài)d1和d2實(shí)際尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求。如圖7所示，設(shè)計(jì)一工藝筒，與活塞桿部件配合安裝后即可測(cè)量d1，再根據(jù)圖6測(cè)量d2sc，即可得到d2=d2sc-d1。

檢測(cè)后，若d1＜0.5mm，則必須修銼保持器與活塞配合端面，但修銼量有限制。

圖7 安裝狀態(tài)d1測(cè)量示意圖

由式（1）～式（5）可得

假設(shè)修銼量為dx2，則當(dāng)d1=0時(shí)

此時(shí)d3必須大于彈簧并圈尺寸。

彈簧直徑dth=1.2mm，有效圈數(shù)為nth=11.5，同時(shí)考慮各尺寸極限偏差，則

故保持器端面修銼量不應(yīng)超過(guò)1.92mm。

根據(jù)上述分析，對(duì)故障作動(dòng)筒保持器端面修銼0.5mm，重新裝配后進(jìn)行試驗(yàn)，作動(dòng)筒工作時(shí)未出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某卡環(huán)內(nèi)鎖作動(dòng)筒嘯叫故障分析可得出以下結(jié)論：

1）卡環(huán)收縮后與外筒間干涉導(dǎo)致作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象；

2）當(dāng)前作動(dòng)筒零部件尺寸和公差要求無(wú)法100%保障設(shè)計(jì)間隙要求，需裝配時(shí)對(duì)零件進(jìn)行修銼或更改零件設(shè)計(jì)；

3）當(dāng)前作動(dòng)筒間隙檢測(cè)方法不可靠，需增加工藝筒，分步驟完成間隙檢測(cè)；

4）通過(guò)尺寸鏈分析，修銼保持器與活塞配合的端面，可以避免作動(dòng)筒嘯叫現(xiàn)象，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證。