R44II型直升機(jī)機(jī)載電瓶延壽關(guān)鍵技術(shù)研究

劉璐++周彬

摘 要：本文首先介紹了R44II型直升機(jī)機(jī)型特點(diǎn)及其機(jī)載電瓶的基本參數(shù)和使用環(huán)境特點(diǎn)；之后介紹了新型的閥控式鉛酸電瓶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)鉛酸電瓶的差異；在闡述閥控式鉛酸電瓶基本原理的基礎(chǔ)上，分析了其可能存在的失效模式；結(jié)合R44II型直升機(jī)的實際運(yùn)行特點(diǎn)，提出電瓶延壽的可行方案。在實際運(yùn)行中，采用改進(jìn)的維護(hù)方案延長了R44II型直升機(jī)的電瓶使用壽命。

關(guān)鍵詞：R44II型直升機(jī) 閥控式鉛酸電瓶 延壽

中圖分類號：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0014-02

Abstract： Firstly， this paper introduces the characteristics of R44II helicopter and its basic parameters and environment characteristics. After that， the structure features of the new valve controlled lead-acid battery and the difference between the VRLA battery and the traditional lead-acid battery were introduced. On the basis of explaining the basic principle of VRLA battery， the possible failure modes are analyzed. Combined with the actual operation characteristics of R44II helicopter， a feasible scheme for battery life extension is put forward. In actual operation， the improved maintenance scheme prolongs the service life of R44II helicopter batteries.

Key Words： R44II helicopter； VRLA battery； life extension

隨著我國通用航空事業(yè)的快速發(fā)展，中國民航飛行學(xué)院在原有BELL206BIII及施瓦澤269C-1型直升機(jī)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了4架R44II型直升機(jī)作為訓(xùn)練用機(jī)。經(jīng)過三年多的運(yùn)行，機(jī)務(wù)維護(hù)工作中仍存在一些亟待解決的維護(hù)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。在電氣系統(tǒng)方面，電瓶的使用壽命過短成為一個重大的技術(shù)難題。依據(jù)電瓶生產(chǎn)廠家CONCORDE公司相關(guān)技術(shù)資料，R44II型直升機(jī)裝機(jī)的RG24-15型電瓶的使用壽命可達(dá)4年。實際使用過程中，多個電瓶在500飛行小時后即出現(xiàn)容量不足，無法修復(fù)的故障。

1 R44II型直升機(jī)機(jī)載電瓶工作環(huán)境

受限于緊湊的機(jī)身設(shè)計，R44II型直升機(jī)沒有獨(dú)立的電瓶艙，其機(jī)載電瓶安裝于發(fā)動機(jī)艙左側(cè)。ROBINSON廠家沒有為電瓶設(shè)計獨(dú)立的散熱通道，而采用了發(fā)動機(jī)后部的鼓風(fēng)輪引入外界冷卻空氣散熱。該冷卻空氣同時承擔(dān)了為發(fā)動機(jī)和電瓶散熱的功能。實際運(yùn)行過程中，R44II型直升機(jī)的電瓶工作溫度明顯高于其他機(jī)型。

2 RG24-15機(jī)載電瓶

2.1 電瓶參數(shù)概述

R44II型直升機(jī)選裝的主電瓶為CONCORDE公司生產(chǎn)的RG24-15。該電瓶為閥控式鉛酸密封電瓶，額定電壓為24V，額定容量為13.6AH，最大重量13.4kg。在出廠時，電瓶內(nèi)部已灌充了全部電解液，并完成了初始充電。用戶在接收到電瓶時，僅需視情完成補(bǔ)充充電即可裝機(jī)使用。

2.2 閥控式鉛酸電瓶結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

閥控式鉛酸電瓶英文名稱為Valve regulated lead-acid （VRLA） battery。其單體電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

單體電池的外殼一般由ABS或PP等材料構(gòu)成，起到保持電池結(jié)構(gòu)，容納電解液的作用。正極板為氧化鉛（PbO2），呈現(xiàn)紅棕色。負(fù)極板為金屬鉛（Pb），呈海綿狀。隔膜通常采用AGM或膠體，其主要功能為吸附硫酸水溶液。安全閥作為內(nèi)部氣體的溢出通道，保證反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體后，單體電池內(nèi)部不至于超壓。

相較于傳統(tǒng)的鉛酸電瓶，閥控式鉛酸電瓶主要有以下特點(diǎn)。

（1）電解液存在方式不同。傳統(tǒng)鉛酸電瓶內(nèi)部灌充了自由流動的硫酸液體，只能處于立放狀態(tài)。而閥控式鉛酸電瓶可采用玻璃纖維棉（AGM：Absorbed Glass Mat）作為隔膜，電解液吸附在各極板之間的AGM中。整個單體電池內(nèi)無流動的電解液，電瓶整體可立放工作也可臥放工作。

（2）維護(hù)方式不同。閥控式鉛酸電瓶采用密封結(jié)構(gòu)，不會有電解液漏出，免去了傳統(tǒng)鉛酸電瓶需要添加電解液或蒸餾水的維護(hù)工作。

（3）化學(xué)反應(yīng)存在差異。所有鉛酸電瓶的主反應(yīng)都相同，均為電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化。閥控式鉛酸電瓶與傳統(tǒng)鉛酸電瓶的主要區(qū)別在于副反應(yīng)原理不同。

2.3 電瓶失效模式簡介

閥控式鉛酸電瓶主要有以下四種失效模式：（1）電瓶干涸；（2）熱失控；（3）極板硫酸鹽化；（4）板柵腐蝕。

2.3.1 電瓶干涸

電瓶的單體電池向外析氫氣、氧氣、水蒸氣或酸液都是導(dǎo)致電瓶干涸的原因。由于無法添加電解液或蒸餾水，該種失效模式是閥控式鉛酸電瓶所特有的。

2.3.2 熱失控

電瓶作為化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換裝置，其工作過程伴隨熱量的產(chǎn)生。而閥控式電瓶由于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，發(fā)熱問題會較傳統(tǒng)鉛酸電瓶更加嚴(yán)重。熱失控嚴(yán)重的電瓶會出現(xiàn)殼體變形、漲裂等故障。endprint

2.3.3 極板硫酸鹽化

鉛酸電瓶在正常放電過程中都會在極板上形成PbSO4，而在充電過程中會被還原為活性物質(zhì)Pb和PbO2。如果電瓶使用或維護(hù)不當(dāng)，讓電瓶處于深度放電或長期虧電狀態(tài)，則PbSO4晶體會形成較大的塊狀顆粒。導(dǎo)致充電過程中，無法還原為活性物質(zhì)。

2.3.4 板柵腐蝕

鉛酸電瓶的板柵腐蝕集中在充電過程中正極板的副反應(yīng)。其反應(yīng)方程式如下：

該反應(yīng)不僅會導(dǎo)致正極板活性物質(zhì)Pb的消耗，同時會導(dǎo)致電瓶干涸的故障。

2.4 電瓶延壽關(guān)鍵技術(shù)

電瓶生產(chǎn)廠商Concorde公司在其發(fā)布的電瓶維護(hù)手冊中，對該電瓶的維護(hù)要求如下。

（1）首次測試在裝機(jī)后第12個月或1000飛行小時（先到為準(zhǔn)）進(jìn)行。

（2）如果測試容量高于90%，之后每12個月或1000飛行小時（先到為準(zhǔn)）進(jìn)行測試。

（3）如果測試容量在85%～90%之間，之后每6個月或500飛行小時（先到為準(zhǔn)）進(jìn)行測試。

（4）如果測試容量低于85%，電瓶報廢。

此維護(hù)要求體現(xiàn)了閥控式鉛酸電瓶相較于傳統(tǒng)鉛酸電瓶的優(yōu)勢，即大幅度減少了維護(hù)內(nèi)容。但對電瓶的維護(hù)內(nèi)容并未充分考慮其裝機(jī)使用環(huán)境及使用頻率。R44II型直升機(jī)作為中飛院現(xiàn)階段直升機(jī)培訓(xùn)的主訓(xùn)機(jī)型，日利用率可達(dá)到8h，開車次數(shù)可到達(dá)3次以上。頻繁的大電流輸出啟動發(fā)動機(jī)，加之飛行過程中處于高溫運(yùn)行狀態(tài)，R44II型直升機(jī)的機(jī)載電瓶使用壽命明顯低于CONCORDE公司標(biāo)稱的4年。為延長RG24-15電瓶的使用壽命，可從兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

第一，改善電瓶工作環(huán)境。電瓶安裝位置雖然在發(fā)動機(jī)艙，但其接近外部蒙皮?？蓞⒖计渌麢C(jī)型的電瓶散熱原理，增加獨(dú)立的通風(fēng)通道。

第二，修訂電瓶維護(hù)程序。有效避免極板的硫酸鹽化的方法可參考傳統(tǒng)鉛酸電瓶的維護(hù)程序，增加補(bǔ)充充電的維護(hù)工作。綜合考慮航材消耗成本和人力維護(hù)成本，在裝機(jī)3個月進(jìn)行一次補(bǔ)充充電為最佳選擇。

3 結(jié)語

本文簡要介紹了R44II型直升機(jī)的機(jī)載電瓶使用環(huán)境及特點(diǎn)，分析了電瓶的失效模式并提出可行的延壽方案。在采用本文論證的延壽方案后，實際運(yùn)行過程中，R44II型直升機(jī)的機(jī)載電瓶壽命明顯得到延長。故可見，在綜合考慮實際運(yùn)行特點(diǎn)和過往維護(hù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，超越廠商手冊的維護(hù)方式可運(yùn)用于航空器的實際保障工作，在確保安全的同時有利于提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國民航局.民航規(guī)章《正常類旋翼航空器適航規(guī)定》CCAR-27-R1[Z].2002.

[2] Robinson Helicopter Company.R44 Maintenance Manal and Insrructions for Continued Airworthiness[Z].2014.

[3] Concorde Battery Corporation. RG Series Main Aircraft Battery Component Maintenance Manual[Z].2012.

[4] Robinson Helicopter Company. R44II Pilots Operating Handbook[Z].2002.

[5] 周小漪.R44II型直升機(jī)培訓(xùn)教程[M].西安：西南交通大學(xué)出版社，2014.endprint