直升机液压油污染对飞行操纵的影响分析

直升机液压油污染对飞行操纵的影响分析

刘刚

（航空工业哈尔滨通用飞机工业有限责任公司黑龙江省150060）

摘要：液压助力器是直升机飞行操纵系统的关键部件之一，操纵装置并不直接驱动旋翼桨叶变距，而是操纵液压助力器的伺服阀，由液压助力器驱动旋翼桨叶变距。旋翼桨叶产生的铰链力矩全部由液压助力器承担，操纵装置的力感是由助力器之前的操纵线系摩擦力、不平衡力和力感模拟装置组合而成的，该操纵力远远小于旋翼桨叶产生的铰链力。实际上直升机的操纵是由液压助力器驱动的，液压助力器的性能在很大程度上决定了飞行操纵系统的性能，影响直升机的飞行稳定性、操纵性和机动性。本文对直升机液压油污染对飞行操纵的影响进行分析。

关键词：直升机；飞行操纵系统；助力器

一、原理介绍

目前我国直升机使用数量最多的飞行操纵系统液压助力器如图1所示。该助力器为串联式作动筒机构，作动筒分隔为上下2个腔体，并由2个复式旋转分配阀来分别进行控制。其中活塞杆固定在主减速器壳体上，活塞杆不动而由作动筒壳体通过位移来驱动自动倾斜器，活塞杆和作动筒壳体共同构成双向液压助力器。助力器主要由输入摇臂、上复式旋转分配阀、下复式旋转分配阀、活塞杆、上作动筒、下作动筒和中间支座等组成。

1、助力器的工作原理

图1飞行操纵液压助力器

图2主助力器的工作原理

图2所示的主桨助力器处在收缩状态，当座舱内操纵杆的移动使输入摇臂向下偏转一个-α角，则引起伺服分配阀门以相同的方向旋转-α角。每个作动筒的A腔与压力油路相通，B腔与回油路相通。主桨助力器缩回，只要驾驶员连续操纵主助力器的输入摇臂，则主助力器就可以连续地缩回。主桨助力器的输出动作是直接由驾驶员的输入动作控制的，它的原理是只要输入摇臂在运动，则主助力器就随着运动，当摇臂停止运动时，主助力器“赶上”摇臂，并使摇臂回到中立位置，这样伺服分配阀就回到液压零位，主助力器停止运动。同理，如果输入摇臂向上偏转一个+α角，则引起主助力器伸出。伺服分配阀的开度角±α角，取决于驾驶员操纵周期内变距杆或总距杆的速度，从而确定了主助力器的移动速度。

二、影响分析

1、液压油污染对助力器的影响分析

现有直升机液压助力器一般使用YH-15（GJB1177A—2013）航空液压油和（MIL-PRF-83282）合成烃阻燃液压油，液压油的污染度等级分为9级、10级、11级、12级（GJB420B—2006）。液压油污染对助力器的影响主要有以下3个方面。

1.1助力器的输出速度减小、跟随性降低液压油受到污染后，经过长期工作，大量的污染颗粒聚集在液压助力器进油口的油滤滤网表面，堵塞了滤网上的孔隙，油滤过油能力减小、流量减小，导致液压助力器的输出速度减小，助力器的跟随性降低。由于助力器上所安装的滤网为粗滤网，对微米级的颗粒过滤能力非常有限，所以堵塞滤网上孔隙的概率较低。

1.2助力器阀操纵力增加

油液污染后进入转阀间隙内的颗粒数量增加，颗粒堆积的概率增大，导致助力器主阀操纵力增加，并有可能导致主阀卡滞（卡死）。转阀类液压助力器对污染颗粒大小为转阀间隙1/3~1/2大小的最为敏感，液压助力器转阀配套间隙为（5μm~8μm），也就是说转阀对（1.7μm~4μm）大小的颗粒最为敏感。较大的颗粒无法进入转阀间隙内，会通过分油口直接流走，而（1.7μm~4μm）大小的颗粒可以进入转阀间隙。随着油液污染度的增加，油液中颗粒的数量急剧增加（见表1，录自GJB420B—2006），进入转阀间隙内的颗粒数量急剧增加，颗粒堆积的概率增大，导致转阀之间的摩擦力增加，主转阀卡滞，导致液压助力器操纵力增大。（受结构及为了保证液压流量等因素的影响，液压助力器中不可能安装精密油滤，助力器滤网规格按网孔直径0.5mm/金属丝直径0.224mm，对微米级的颗粒基本起不到过滤的作用。）

表1每100mL油液中所含颗粒数

随着油液污染度的增加，主转阀与副转阀之间颗粒堆积的数量也在增加，当摩擦力增大到与副转阀的操纵力相同时，主转阀带动副转阀分油，液压助力器卡滞报警灯燃亮；当助力器分油口处于邻近关闭状态时，较大的颗粒可能卡在主转阀与副转阀之间的分油口处，导致主转阀与副转阀卡死，主转阀带动副转阀分油，此时液压助力器卡滞报警灯燃亮，导致液压助力器操纵力增大。

2、助力器磨损加剧、使用寿命降低

液压助力器长期工作在具有高污染度的油液环境中，转阀及活塞杆等与油液接触的活动部位的磨损会加剧，导致间隙增大、内漏增加、磨损寿命减小，缩短产品正常的使用寿命。如果液压助力器长期工作在9级（助力器正常工作规定值）以下的油液环境中，液压助力器操纵力增大及发生故障告警的概率会增加，跟随性降低导致液压助力器操纵品质降低，活动部位磨损导致产品正常使用寿命缩短。

2.1液压油污染对操纵系统及全机的影响分析根据上述分析可知，液压油污染对助力器的影响主要体现在3个方面。

（1）助力器的输出速度减小、跟随性降低。

（2）助力器阀操纵力增加。

（3）助力器磨损加剧、使用寿命缩短。其中，输出速度减小及阀操纵力增加对操纵系统乃至全机的操纵特性有影响，特别是阀操纵力增加所产生的影响更大。

2.1.1助力器输出速度减小的操纵影响分析

助力器输出速度减小将直接导致操纵系统的动态特性变差，即快速性及跟随性下降，从而导致快速操纵时助力器可能出现速度饱和，影响直升机的操纵性和机动性。

2.1.2助力器阀操纵力增加的操纵影响分析

助力器阀操纵力增加使飞行操纵系统的操纵装置启动力及操纵力变大，即需要的驾驶员操纵杆力幅值将比正常情况下大。由于助力器设计了主、副阀结构，即使主阀芯与主阀套（即副阀芯）之间完全卡死，副阀芯仍能在副阀套内完成分油，且有主阀卡死告警，此时副阀操纵力一般按传动比力值计算反映到操纵装置处，各通道纵向和横向操纵力、脚蹬操纵力均增加不大。而且，如果主阀芯与主阀套（即副阀芯）之间有卡滞但未完全卡死，操纵装置处的操纵力的增加程度将更小。操纵力的增加程度对飞行员在力的负担上并没有太大影响。但是，由于操纵力幅值的增加、配合以同样的操纵杆力梯度，则增加了飞行员过操纵的趋势，从而增加了驾驶员诱发振荡（PIO）的趋势。还可能存在另外一种情况，即操纵力可能瞬时变大或卡滞。由于污染颗粒瞬时附着在分配阀主阀与副阀之间的间隙内，导致助力器分配阀操纵启动力增加，分油活门打开后，污染颗粒可能会随着液压油的冲刷离开，导致分配阀操纵力恢复正常。因此，飞行员的操纵感觉就是操纵力会发生突变。该现象也会影响飞行员对操纵的感觉，容易产生瞬时过操纵，这也是引起驾驶员诱发振荡（PIO）的因素之一。助力器阀操纵力增加，促使助力器输出位移相对驾驶员操纵杆力的相位滞后更加严重，从而大大增加了驾驶员诱发振荡(PIO)的趋势。

结束语

直升机在设计和使用时，应加强直升机液压油清洁方面的设计，做好使用过程中液压油的定时检查和维护管理。

参考文献

[1]陈宇金.基于AMESinm的直升机液压助力器建模与仿真[J].直升机技术，2012（4）：45-51.

[2]施继增，王永熙，郭恩友，等.飞行操纵与增强系统[M].北京：国防工业出版社，2003.