某型飛機加輸油控制閥的優(yōu)化設計
燃油系統是飛機的一個(gè)龐大而且復雜的系統，針對某型飛機時(shí)常出現滿(mǎn)油和滿(mǎn)油告警燈亮的故障現象，該文從加輸油控制閥的故障現象、結構、工作原理入手，詳細分析了導致滿(mǎn)油故障的根本原因。在此基礎上，提出了一套具體的設計方案，給出了圓柱彈簧結構參數的優(yōu)化設計，并通過(guò)實(shí)際應用驗證了該方案的有效性和可靠性，為改進(jìn)和優(yōu)化燃油系統設計提供了新思路和方法。
引言
飛機上各組油箱燃油的消耗是按確定的順序進(jìn)行的，在各組油箱依次輸往主組油箱的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機供油泵將主組油箱的燃油統一供往發(fā)動(dòng)機使用。根據作戰需要，要求飛機必須優(yōu)先使用副油箱的燃油。副油箱組油箱是由兩個(gè)左右機翼副油箱和一個(gè)機身副油箱組成，其輸油順序為先機翼副油箱后機身副油箱，副油箱的燃油是靠增壓空氣為動(dòng)力經(jīng)加輸油控制活門(mén)控制協(xié)調后輸往主組油箱的。然而，該型飛機在安裝副油箱后進(jìn)行地面試車(chē)和空中飛行時(shí)， 時(shí)常發(fā)生滿(mǎn)油和滿(mǎn)油告警燈亮的故障。該故障呈多發(fā)性且難以排除，故障后會(huì )引起所有輸油泵停止工作并可能損壞輸油控制系統，已引起相關(guān)部門(mén)高度關(guān)注。
1、故障現象
某型飛機懸掛3 個(gè)副油箱加滿(mǎn)油后， 進(jìn)行地面試車(chē)檢查和飛行過(guò)程中， 在機翼副油箱輸油油盡信號燈亮時(shí)，發(fā)生主油箱滿(mǎn)油和滿(mǎn)油告警燈亮現象，部分燃油從安全活門(mén)和加油通氣活門(mén)處溢出， 當機身副油箱接替輸油時(shí)輸油控制系統恢復正常; 待到機身副油箱油盡時(shí)，機身、機翼副油箱油盡信號燈反復閃亮，此時(shí)又出現主油箱滿(mǎn)油和滿(mǎn)油告警燈亮的故障現象。
2、工作原理
2.1、組成與功用
加輸油控制活門(mén)是飛機控制副油箱加油和輸油的核心附件，全機共3 臺。機翼副油箱2 臺，機身副油箱1臺。圖1 為加輸油控制活門(mén)結構剖面圖，圖中下部為機械控制部分，上部為電氣控制部分，輸油入口處有一個(gè)比較靈敏的電容信號感應器1，遇燃油就接通電氣控制部分電路，遇壓縮空氣就斷開(kāi)電氣控制部分電路。其功用是通過(guò)活門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉， 實(shí)現對以增壓空氣為動(dòng)力的副油箱的壓力加油與輸油控制， 輸完油后關(guān)閉活門(mén)并且發(fā)出油盡信號。
2.2、工作原理
其原理是當壓力加油時(shí)，雙線(xiàn)圈加油電磁鐵11 通電，電磁活門(mén)9 打開(kāi)，燃油從加油入口直接作用在活門(mén)5 的外環(huán)，同時(shí)部分燃油通過(guò)加油引壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)7 進(jìn)入活門(mén)內腔，并經(jīng)過(guò)電磁活門(mén)9 和加油泄壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)10，泄到加油出口， 大活門(mén)5 在外環(huán)加油壓力作用下克服大活門(mén)彈簧13 的力向右移打開(kāi)，實(shí)現壓力加油。副油箱加滿(mǎn)油時(shí)，滿(mǎn)油信號器發(fā)出斷電信號，加油電磁鐵11斷電，大活門(mén)5 左移關(guān)閉，停止加油。
1-電容信號器2-輸油引壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)3-左殼體4-排氣單向活門(mén)5-大活門(mén)6-右殼體7-加油引壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)8-輸油泄壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)9-電磁活門(mén)10-加油泄壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)11-電磁閥12-電磁活門(mén)彈簧13-大活門(mén)彈簧
圖1 加輸油控制活門(mén)結構圖
增壓輸油時(shí)， 存留在輸油入口管路的氣體在增壓壓力作用下，由排氣單向活門(mén)4 排出，燃油從輸油入口端進(jìn)入加輸油控制活門(mén)并作用在大活門(mén)5 上， 電容信號器1 感受到燃油后，向雙線(xiàn)圈輸油電磁鐵11 發(fā)出通電信號，電磁活門(mén)9 通電打開(kāi)，燃油從輸油引壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)2 進(jìn)入活門(mén)腔的燃油經(jīng)過(guò)電磁活門(mén)9 推開(kāi)輸油泄壓?jiǎn)蜗蚧铋T(mén)8 流入輸油出口，活門(mén)腔泄壓。大活門(mén)5 在增壓的煤油壓力作用下克服活門(mén)大彈簧13 的力打開(kāi)，實(shí)現輸油。當輸油完畢后，增壓空氣進(jìn)入輸油口，電容信號器1 感受到空氣后， 發(fā)出油盡信號， 切斷電磁鐵11的電源，電磁活門(mén)9 關(guān)閉，活門(mén)腔建壓，大活門(mén)5 關(guān)閉，停止輸油，實(shí)現了油盡斷氣。
3、原因分析
根據飛機副油箱組加油控制正常、輸油控制出現功能失效的故障特點(diǎn)和加輸油控制活門(mén)工作原理，判斷副油箱輸油油盡時(shí)造成主組油箱滿(mǎn)油和滿(mǎn)油告警燈亮的故障部位， 應該在加輸油控制活門(mén)的輸油控制部分，而與加油控制部分無(wú)關(guān)。大活門(mén)5 是加輸油控制活門(mén)的執行機構， 加輸油控制活門(mén)的可靠性直接體現在大活門(mén)5 是否可靠打開(kāi)與關(guān)閉。因此，大活門(mén)5 的關(guān)門(mén)力的大小是副油箱輸油油盡時(shí)大活門(mén)能否及時(shí)關(guān)閉的關(guān)鍵。
忽略大活門(mén)的重量在中心軸線(xiàn)方向的分力和活門(mén)的摩擦力，大活門(mén)穩定全開(kāi)工作狀態(tài)時(shí)，其受力情況如圖2c 所示，關(guān)門(mén)力等于開(kāi)門(mén)力，大活門(mén)的力平衡方程為：
p進(jìn)A=p出A+T 彈=p出A+X(F1+F)
式中F1———大活門(mén)關(guān)閉時(shí)彈簧的預壓量;
X———大活門(mén)彈簧的倔強系數;
F———大活門(mén)全開(kāi)時(shí)活動(dòng)距離;
A———大活門(mén)的有效作用面積。
由于加輸油控制活門(mén)的結構尺寸是確定時(shí)，在p 出、p 進(jìn)相對穩定的條件下， 大活門(mén)關(guān)門(mén)力的大小主要取決于大活門(mén)關(guān)閉時(shí)大活門(mén)彈簧13 的預壓量F1和彈簧倔強系數X(或者全開(kāi)預壓量F2)。
在對活門(mén)分解后經(jīng)測量可知，活門(mén)大彈簧13 在大活門(mén)關(guān)閉狀態(tài)預壓力為0.48kgf， 全開(kāi)狀態(tài)彈簧力為0.82kgf。顯然，從活門(mén)關(guān)閉的可靠性方面考慮，該活門(mén)大彈簧的預壓力和剛度均偏小。這種設計會(huì )導致活門(mén)打開(kāi)容易、關(guān)閉難，作為執行機構的大活門(mén)在電容傳感器發(fā)出油盡電信號、電磁閥斷電后，大活門(mén)5 關(guān)閉的跟隨性較差，不能立即關(guān)閉，導致副油箱增壓空氣大量涌入主組油箱內， 使主組油箱出現滿(mǎn)油和告警燈亮的故障。這從現場(chǎng)試車(chē)人員的感覺(jué)上得到驗證，似乎加輸油控制活門(mén)沒(méi)有能夠及時(shí)關(guān)閉, 沒(méi)有發(fā)揮出輸油時(shí)遇油通、逢氣斷的功能。
因此導致飛機副油箱輸油油盡時(shí)主油箱滿(mǎn)油故障的直接原因是：由加輸油控制活門(mén)的執行機構大活門(mén)5不能及時(shí)關(guān)閉造成的。應重新對活門(mén)大彈簧13 進(jìn)行優(yōu)化設計。
4、結論與建議
綜上所述，飛機掛副油箱進(jìn)行地面試車(chē)或飛行時(shí)，主組油箱出現滿(mǎn)油和告警燈亮的根本原因是飛機加輸油系統的核心控制附件加輸油控制活門(mén)可靠性低造成的。在飛機燃油系統的結構和安裝形式不改變的前提下，減少和消除該故障，應從大活門(mén)彈簧的優(yōu)化設計方面入手給予解決。結論如下：在確保執行機構大活門(mén)5能正常打開(kāi)的前提下，增加大活門(mén)彈簧13 的預壓量和剛度，可提高大活門(mén)輸油油盡時(shí)關(guān)門(mén)力。
針對故障原因和實(shí)際驗證結果，建議如下：
(1)將大活門(mén)彈簧的預壓力增大到12N，活門(mén)全開(kāi)時(shí)的彈簧壓力確定為20N，這樣可明顯提高大活門(mén)5 關(guān)閉的可靠性，并有效減少活門(mén)關(guān)閉后的漏氣量;但活門(mén)彈簧改進(jìn)后，在相同工作條件下，燃油通過(guò)加輸油活門(mén)的阻力會(huì )同時(shí)增大，這是相關(guān)聯(lián)的，但這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有影響到燃油系統的正常輸油。
(2)對改進(jìn)后對大活門(mén)的開(kāi)關(guān)工作特性應在地面模擬臺上和飛機上進(jìn)行相關(guān)技術(shù)驗證與測試。對一定的工作條件下的燃油阻力， 即進(jìn)口壓力和流量一定時(shí)的活門(mén)進(jìn)出口的壓力差，進(jìn)行必要的修正，確定新的技術(shù)標準以適應改進(jìn)后出現的活門(mén)阻力偏大的問(wèn)題，確保加輸油控制活門(mén)能夠正常裝機使用。
