齐广峰 张 策 程珊珊

（1.海军装备部，西安 710077；2.庆安集团有限公司，西安 710077）

1 航空气动作动器介绍

航空气动作动器是指将气压能转换为机械能，用于驱动飞机各功能部位的执行机构。从机械能输出形式划分，它通常包含直线输出和旋转输出2种形式。本文中航空气动作动器主要指直线输出的气动系统末端执行机构，常集成极限位置锁定、控制阀组、行程检测以及信号反馈等多种功能。

液压作动器在飞机上应用广泛。相比液压作动器，气动作动器在飞机上使用相对较少。气动作动器常应用于要求能够快速且可靠响应的场景，如应急系统或救生系统。

与液压作动相比，气动作动技术具有能源清洁环保、安装和维护简单、气动元件可靠性较高以及耐环境性好（耐高温、防潮和防火）等优点。但是，高压气动系统存在噪声大、冲击大等缺点。

气动作动器为气动系统的核心元件。研究人员对气动作动器开展了大量研究，通过研究分析及实际应用，确定了气动作动器的多种失效模式。其中，冲击引起的承力件变形及连接失效和过度磨损引起的密封圈变形失效及泄漏较为多发。

2 某航空气动作动器输出力降低故障原因分析

气动作动器耐久性测试方法分为循环工作试验法和加速寿命试验法2种。循环工作试验法是指在额定工况下不断循环工作，检查工作过程中产品性能的变化，优点为试验环境与真实使用环境吻合度较高，但耗时过长。加速寿命试验方法为确定应力-寿命模型，通过提高应力加快产品故障发生，缩短试验时间。加速寿命试验是将高应力水平下的寿命特征代表正常应力水平下的寿命特征，主要缺点为应力-寿命模型错误将导致试验结果不准确。

2.1 输出力降低故障

发生输出力降低故障的某飞机舱门用气动作动器，其寿命试验采用常规的循环工作试验法。试验过程中施加气压、液压以及外部载荷等应力。

该作动器在寿命试验台上安装时，作动器伸出腔与增压气源连接，收进腔与缓冲油液循环系统连接。外载通过液压加载缸提供，产品与加载缸间连接力传感器，用于监测输出力大小。试验台组成如图1所示。

试验时作动器处于收进位置，液压加载缸给产品施加恒定的最大外载，然后调节气源增压装置出口压力阀，给产品伸出腔通额定工作气压，在气压作用下活塞克服外载伸出，同时将收进腔中的油液压回到缓冲油液循环系统中，最后外载卸载后加压将产品活塞收回，至此完成产品寿命试验中的一个工作循环。

故障发生时，作动器活塞处于收进极限位置。给作动器活塞施加逆载4 000 N，然后试验设备给作动器伸出腔通19 MPa高压气体，作动器活塞不工作。当外界逆载降低至2 400 N时，作动器活塞可以推动负载伸出，此时作动器出现输出力降低故障。

2.2 输出力降低原因排查

故障发生后，采用故障树分析的方法分析故障原因，以输出力不足作为故障树分析的顶事件，共总结出10种可能导致产品输出力不足的故障因素。故障原因主要包含试验台原因和产品自身原因两大类。

图1 寿命试验台组成

图2 气动作动器故障树

2.2.1 试验台原因排查

发生输出力降低故障时，已对试验台进行了详细排查，排查过程中未发现异常。

通过检查整个输气管路未发现破损及泄漏情况，可排除试验台进气不畅（X1）和输气管路泄漏（X3）的因素。

现场检查压力表、力传感器的合格证，压力表和力传感器经过校验均合格，同时对传感器及压力表进行校验，结果合格，因此排除压力表指示错误（X2）和力传感器指示错误（X4）导致故障的可能。力传感器指示正常也间接表明试验台的加载系统正常，可排除加载缸故障和输出力超大（X5）的因素。

某飞机舱门用气动作动器在有杆腔充满液压油，当产品无杆腔通气压使活塞快速伸出时，有杆腔油液流经节流阀回到飞机油箱，以控制作动器运动速度及防止冲击。如果回油不畅，可能导致作动器活塞无法伸出。故障发生后，检查试验台液压回路，未发现堵塞等情况，排除试验设备回油不畅（X6）的因素。

对试验台导轨和加载缸等摩擦力进行测量，试验台导轨摩擦力为56～120 N，加载缸启动压强（液压作动器通过测试活塞启动压力来表征其摩擦力）为0.15 MPa，摩擦力无异常，因此可排除试验台摩擦力过大或卡滞（X7）的因素。经过仔细排查，试验台能源系统、加载系统及传感显示系统无异常，试验台合格，因此输出力不足故障由产品原因导致。

2.2.2 产品原因排查

产品自身原因导致输出力降低的故障树底事件较少，经分析共有3条，分别为产品设计的输出力不足（X8）、产品密封失效导致气体压力无法建立（X9）及作动器内部实际承压面积小于设计面积（X10）。

该飞机舱门用气动作动器前期进行大量输出力测试和带载工作测试，均无问题，同时设计校核满足输出力要求，可以排除产品设计的输出力不足（X8）因素。

产品输出力降低故障发生后，随机对故障件进行了保压测试，产品密封状态良好，未发现泄漏情况，可排除产品密封失效导致气体压力无法建立（X9）的因素。

至此，故障树对所有可能的故障因素进行了逐一排查，其中涉及试验台的输气管路泄漏、力传感器指示错误、加载缸故障、试验设备回油不畅、试验台加载运动机构摩擦力大或卡滞等因素通过检查逐一排除，涉及产品的故障因素中，输出力设计错误、密封失效等因素通过设计复查及密封性试验进行了排查，仅有试验时产品实际承压面积不足因素。由于无有效排查方案，X10故障因素待排除。

故障排查中发现，输出力不足故障并非一直存在。排查试验中，偶尔出现输出力恢复正常的情况。当在寿命试验台上试验时（见图1），先施加外载荷将活塞压到收进极限，再给产品供压，会出现输出力不足情况。如果将加载装置固定，给气压作动器供压使其产生输出力时，输出力检测正常。该两项试验的区别仅为活塞是否处于收进极限位置，当活塞处于收进极限位置时会出现输出力不足问题。活塞离开极限位置即使只有0.5 mm，其输出力马上恢复到满足要求的状态。为了进一步深入排查故障，需分解检查产品。

分解产品检查时发现，产品活塞端面存在白色润滑油脂集聚的异常情况，结合前期排查时发现的活塞处于极限位置才发生输出力降低的故障现象，至此基本可以判定输出力降低故障的原因为润滑脂进入活塞端面使产品承压面积不足，如图3所示。

图3 活塞端面存在润滑油脂

为了验证故障原因的正确性，清洗去除白色润滑油脂后重新装配产品进行试验，输出力不足故障消失。

进一步排查润滑油脂来源发现，装配时为了密封圈装配顺滑，装配人员在密封槽内部及密封圈上涂抹了大量润滑油脂，装配时挤压及产品通压工作时气压对密封圈的挤压，导致多余油脂溢出进入活塞端面，从而导致输出力不足故障发生。

2.3 故障机理分析

通过故障排查，产品活塞端面与结构贴合处异常进入润滑油脂并形成润滑脂膜。高压气体作用到活塞与结构贴合面前，需要破坏该膜层。根据研究，当膜厚逐渐减小时（外载荷越大，活塞端面与结构贴合度越好），该膜层破坏所需要的剪切力越大。当膜层厚度无限接近分子量级时，膜层还会出现微“结构化”现象（类固体化），破坏更难。因此，工作时的19 MPa气压不足以破坏润滑脂膜，导致承压有效面积减小，输出力降低。

从产品设计角度看，气动作动器为了防止活塞收进到极限位置与结构吸合的情况，均需在活塞端面开通流槽（不设计成完整平面），使气压/液压能够通过并直接作用在活塞端面，同时活塞端面开槽还能防止吸合破坏时产生的工作异响。本次发生故障的飞机舱门气压作动器，设计时未在活塞端面设计通流槽结构，违反了设计规范要求。润滑脂进入到没有通流槽的活塞端面，导致实际承压面积较小，输出力降低。

3 多余物对气动作动器的影响

本次气压作动器输出力降低故障的根本原因为装配环节多余物控制不到位，是人为引入了多余物并导致故障的典型案例。反思设计、制造、装配及试验等各环节工作，存在多种违反航空产品研制规范的情况。

航空气压系统的内部控制阀较为精密。如果系统内介质存在多余物（航天和航空将所有不属于系统内部的异物统称为多余物），工作时极易导致阀的堵塞而影响系统功能实现。本气压作动器装配时违反设计要求，产品内部零件使用润滑油脂作为装配润滑介质，且使用量较大，使系统内部人为引入了异物。除对产品功能的实现造成影响外，作为应急系统使用产品，还有可能导致整个系统失效，造成重大损失。

3.1 多余物对航空产品的危害性

多余物是造成航空产品低层次质量问题的重要原因。近年来，飞机试飞过程先后发生多起多余物问题，导致飞行事故症候、机体损伤，出现多余物问题增加的苗头。例如：某平尾作动器内部衬套与阀芯端面间存在多余物，造成阀芯无法按要求运动，出现平尾作动器回中故障，属飞行事故症候；某发动机主泵调节器挡板活门槽腔内有多余物，导致发动机主燃油系统失效，飞机坠地燃烧损毁，发生二等飞行事故。

由多余物导致的飞机故障占故障总数的1.5%左右，给飞机安全带来严重危害，同时带来巨大的经济损失。

现代飞机结构复杂，空间紧凑，机载设备多，形成许多封闭区域和遮蔽区域。多余物一旦进入，按照常规的检查方法往往很难发现。由于形成飞机多余物的物质种类非常多，多余物进入飞机的环节和途径也非常多，加之多余物具有隐蔽性和可移动性，使多余物具有不确定性，给飞机安全带来了严重危害，危及飞行安全。因此，预防和控制多余物对保证飞机安全意义重大。

3.2 航空产品多余物控制方法

多余物控制都是重要工作内容之一，贯穿航空产品整个生命周期（设计研发、制造、装配、试验、包装、储运、服役、翻修、报废），其中设计研发、制造及装配、试验是防治多余物的重要阶段。只有从航空产品整个生命周期内的多个维度进行多余物控制，才能保证产品安全使用。

设计研发是航空产品从无到有的关键环节之一。产品设计时应充分考虑预防多余物，保证选择的原材料、元器件、成件等不会在产品试验和使用过程中产生多余物。产品结构应采用便于检查、清除多余物的设计结构，不采用易损伤、易脱落的热处理及表面处理，不选用不牢靠的连接形式。此外，关键部位如重要阀、精密机构等应设计有滤网或防尘罩等，从设计源头杜绝多余物的产生。

制造及装配环节是航空产品从理论设计到实物产出的重要环节。制造方面应合理选择工艺方法和工艺流程，确定工艺分界面，以防多余物的产生。装配方面应通过规范化且专业化的检查、零件清洗、修配、调试以及产品清洗等流程，切实防止实物制造过程中多余物的产生。

产品装配完成后，需通过试验验证其功能性能是否达到指标要求。试验环境检查和试验操作过程中，多余物的预防和检查内容细节化、规范化可有效防治多余物，确保产品的质量和使用安全。

4 结语

气压/液压作动器作为整个系统末端执行机构，重要性不言而喻。通过对某气压作动器输出力降低故障原因分析，查找出输出力降低的原因，并成功解决故障。此外，通过对某气压作动器人为引入多余物导致故障的问题进行反思，分析多余物对航空产品的不利影响，阐述了航空产品多余物的控制方法，可为航空产品多余物控制提供借鉴。