飛控機電作動系統(tǒng)典型故障模式影響分析

孫曉哲 ，楊珍書，陳 棒，閻 芳

(1.中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室,天津 300300；2.中國民航大學(xué),天津 300300；3.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212134)

0 引 言

多電/全電飛機技術(shù)的發(fā)展使得機電作動系統(tǒng)(EMA)逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機。波音787的水平安定面和擾流板采用了EMA，同時EMA也應(yīng)用到起落架和環(huán)境控制系統(tǒng)[1-2]，減輕了飛機的質(zhì)量，提高了飛機的可維護性。適航規(guī)章CCAR25.671明確要求不能影響飛機安全飛行和著陸，即單個失效不能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故發(fā)生[7]。因此，作動系統(tǒng)作為飛行控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，必須明確飛控作動系統(tǒng)的故障模式、機理及影響。飛控EMA的符合性一般通過分析、試驗或兩者結(jié)合來證明[3-4]。

當前已經(jīng)開展了一些針對EMA故障模式及其影響的研究，主要集中在對飛控EMA的結(jié)構(gòu)進行改進，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了可靠性。Moog公司對系統(tǒng)中傳感器的故障模式與影響進行了研究[5]。NASA研制了高可靠性的四冗余EMA和用于運輸機的高功率EMA，并通過F/A-18B測試平臺驗證了EMA的容錯能力[6]。NASA建造了多個測試臺用來研究新電力技術(shù)帶來的適航性和飛行安全風(fēng)險，如X-57 Maxwell和混合動力電力系統(tǒng)(HEIST)等。Parker航天公司在EMA研發(fā)方面有著豐富的經(jīng)驗，所開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的抗干擾和容錯性能。EMA在現(xiàn)代新型民用飛機上的應(yīng)用逐漸成熟，已成為新型電動執(zhí)行技術(shù)的發(fā)展方向。然而，EMA是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，其驅(qū)動機制復(fù)雜，容易受到各種非線性擾動。而且故障模式與影響之間的關(guān)系復(fù)雜：一種故障模式可能導(dǎo)致多種故障表現(xiàn)，而一種故障表現(xiàn)可能由不同的故障模式引起[7]。因此，對飛行控制EMA的故障模式和故障影響的研究，有助于故障檢測的設(shè)計和提高系統(tǒng)可靠性，同時為EMA的符合性驗證和適航審定提供技術(shù)支持。

本文在分析系統(tǒng)架構(gòu)和故障機理的基礎(chǔ)上，對飛控EMA的典型故障模式進行了分析和建模。研究故障注入與影響的仿真分析方法，通過對非線性因素和閉環(huán)控制系統(tǒng)故障的仿真，分析相關(guān)表征故障的參數(shù)變化，梳理故障特征與模式的聯(lián)系，為EMA的適航符合性驗證和審定提供技術(shù)支持和審查關(guān)注點。

1 系統(tǒng)故障模式分析

1.1 系統(tǒng)描述

飛控EMA作為位置伺服控制系統(tǒng)，可分為直線式與旋轉(zhuǎn)式兩類[8]。圖1為直線式飛控EMA的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由作動器電子控制裝置(以下簡稱ACE)、齒輪減速裝置、無刷直流電機(以下簡稱BLDCM)、滾珠絲杠、傳感器等部分組成。EMA采用BLDCM，齒輪減速裝置及滾珠絲杠將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)輸入力矩轉(zhuǎn)化為線性輸出力，驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)[10]。此外，直線式飛控EMA結(jié)構(gòu)利用轉(zhuǎn)速傳感器、位置傳感器反饋轉(zhuǎn)速信號和位置信號，以此實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖1 直線式飛控EMA結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)典型故障模式

針對系統(tǒng)的主要組成部件，分析系統(tǒng)典型的故障模式及發(fā)生機理。

1)電機繞組短路

飛控EMA驅(qū)動電機繞組短路故障是由機械摩擦、溫升過大等因素使絕緣保護損壞而導(dǎo)致的。這類故障發(fā)生率較高，不僅造成磁場形變，還導(dǎo)致系統(tǒng)過載運行、器件發(fā)熱嚴重。因此，此類故障具有重要的研究意義。

2)軸承卡頓

軸承卡頓故障的起因一般為物理因素，如潤滑油不足、不可避免的機械摩擦等，可導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)不流暢甚至停滯。故障出現(xiàn)后，減速器角度輸出保持在故障發(fā)生時刻的位置，無法跟隨指令變化。該結(jié)構(gòu)故障導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)受到破壞，輸出軸懸空，EMA輸出不再受到指令的控制，而是隨著外界負載發(fā)生變化。

3)傳動機構(gòu)間隙過大

傳動機構(gòu)間隙過大造成位置控制精度下降、速度響應(yīng)遲滯。傳動機構(gòu)件在制造與安裝過程中不可避免的尺寸偏差，以及運行過程中的機械損耗，都是導(dǎo)致傳動機構(gòu)間隙過大產(chǎn)生的原因。此類故障在飛控EMA中可引起齒輪咬合誤差、聯(lián)軸節(jié)的扭轉(zhuǎn)間隙、滾珠絲杠與螺母工作時的軸向間隙。

4)載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

在飛控EMA的扭矩傳遞過程中，齒輪減速裝置將BLDCM的高轉(zhuǎn)速扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大扭矩，為實現(xiàn)此功能，齒輪減速裝置設(shè)計成逐級減速模式。齒輪減速裝置的結(jié)構(gòu)決定了其在制造及安裝中存在的物理偏差是不能避免的。這將導(dǎo)致齒輪運轉(zhuǎn)過程中更易磨損，加速老化，出現(xiàn)斷齒、齒輪脫節(jié)等狀況。最終造成減速裝置不能運轉(zhuǎn)，載荷路徑被切斷，舵面無法接收電機輸出載荷。

2 故障建模

飛控EMA的數(shù)學(xué)建模是系統(tǒng)故障仿真和影響分析的基礎(chǔ)。飛控EMA的系統(tǒng)仿真模型示于圖2，模型包括ACE、電機驅(qū)動和BLDCM、齒輪箱、滾珠絲杠以及傳感器。驅(qū)動器根據(jù)PWM波的占空比信號控制各開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷，為電機繞組供電。速度環(huán)和位置環(huán)采用經(jīng)典PI算法進行控制律解算，驅(qū)動作動器按照指令動作。通過文獻中的實驗數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)模型的正確性。同時在故障仿真中也考慮了摩擦和間隙的非線性特性對結(jié)果的影響。

圖2 EMA系統(tǒng)仿真模型

2.1 繞組短路

圖3 繞組短路故障

這類故障發(fā)生時，如圖3所示，電機三相不再對稱，除了兩相正常繞組外，故障相繞組包括短路繞組和未短路繞組。此時，電機三相繞組電感及電阻都會發(fā)生不同程度的改變。故障后的電壓平衡方程：

式中：eA(t),e0(t),eB(t),eC(t)為短路繞組、未短路繞組、兩相正常繞組的感應(yīng)電動勢；i0(t)為短路繞組電流；L0,M0,R0分別為故障相繞組自感、互感與電阻。電機輸出轉(zhuǎn)矩：

繞組自感的變化與長度Lm、線圈內(nèi)徑D、繞組匝數(shù)N以及材料自身有關(guān)。假設(shè)電機繞組處于理想狀態(tài)下，氣隙均勻，單位面積磁導(dǎo)為μm，不考慮繞組之間的漏感，則繞組的自感、互感分別如下：

式中：ψ為繞組間交鏈磁鏈。

由磁通連續(xù)性定理可知，當任一相出現(xiàn)匝間短路，故障相短路部分電感變化：

故障相未短路部分繞組電感變化：

式中：k為繞組受到漏磁場影響系數(shù)；p為電機極對數(shù)； 0

根據(jù)上述可知，BLDCM出現(xiàn)任一相匝間短路時，由相關(guān)參數(shù)可建立L0,L1與L之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為了進一步剖析繞組短路對系統(tǒng)的故障影響，據(jù)此數(shù)學(xué)關(guān)系，建立該種故障模型。

2.2 軸承卡頓

減速裝置機械結(jié)構(gòu)受損時，會產(chǎn)生較大的干擾轉(zhuǎn)矩，造成電機負載過大、轉(zhuǎn)速為0，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。只有當電機輸出功率能夠克服干擾負載時，轉(zhuǎn)速才能逐漸恢復(fù)。假設(shè)在任意旋轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)軸承卡頓，電機軸承卡頓故障模型如圖4所示。

圖4 電機軸承卡頓故障模型

2.3 傳動機構(gòu)間隙過大

傳動機構(gòu)間隙過大導(dǎo)致在某一段輸入范圍內(nèi)傳動機構(gòu)輸出為0，類似于死區(qū)模型。因此本文將飛控EMA中的傳動間隙近似簡化為死區(qū)模型[9]，簡化后的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：θd為輸出端與負載端的相對轉(zhuǎn)角；DB為死區(qū)函數(shù)；Ba為單邊間隙。

2.4 載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

該故障的典型特點為突變型，即信號突然發(fā)生跳變，其故障模型可表示：

式中：f(t)為確定系統(tǒng)屬性變化與故障發(fā)生的時間變量；tch為確定故障發(fā)生時間的隨機變量。

故障注入示意如圖5所示。

圖5 載荷路徑故障注入示意圖

3 故障仿真與分析

根據(jù)以上EMA典型故障模式建模方法的研究，仿真故障注入，分析故障影響。故障結(jié)果的影響分析考慮了系統(tǒng)中非線性因素(如摩擦、間隙)和不同設(shè)計對故障結(jié)果的影響。

3.1 繞組短路

1.5 s時，注入A、B兩相繞組短路故障，如圖6～圖8所示，無刷直流電機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩在故障注入時刻產(chǎn)生波動。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

圖6～圖8線性和非線性仿真結(jié)果表明，故障發(fā)生后轉(zhuǎn)矩波動，由于輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動，其平均值減小，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的平均幅值減小，而非線性摩擦導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩偏差增大，輸出轉(zhuǎn)矩波動，幅值約為線性狀態(tài)的兩倍。從BLDCM角速度仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在故障注入時具有較大的干擾和嚴重的過沖現(xiàn)象。另外，根據(jù)線性閉環(huán)和開環(huán)的仿真結(jié)果，控制器的閉環(huán)調(diào)節(jié)可以抑制由于故障引起的轉(zhuǎn)矩波動，舵面輸出基本完成作動任務(wù)。非線性摩擦對系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速有嚴重干擾。因此，這種故障對系統(tǒng)的影響與系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)。在適航審查時，應(yīng)將故障注入到系統(tǒng)內(nèi)部，以分析此故障模式對系統(tǒng)的影響。另外，對于工業(yè)設(shè)計方，應(yīng)考慮非線性摩擦對控制器的影響。

3.2 軸承卡頓

1.5 s時，在電機軸承輸出軸注入軸承卡頓故障，卡阻力矩為3.5 N·m，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

由圖9～圖11可得，軸承卡頓故障對舵面輸出的影響只與干擾轉(zhuǎn)矩的嚴重程度和位置有關(guān)，考慮非線性的故障影響與線性系統(tǒng)的故障影響基本相同。另外，通過開環(huán)分析可知，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服產(chǎn)生卡死故障的干擾轉(zhuǎn)矩。軸承卡頓的故障位置和故障力矩對故障影響起決定性作用，非線性因素和控制器性能對軸承卡頓沒有影響。因此，這種故障模式對系統(tǒng)的影響確定，適航審查過程中從系統(tǒng)級注入故障即可。

3.3 傳動機構(gòu)間隙過大

在4 s時，在滾珠絲杠與螺母連接處注入10倍于正常值的機械傳動間隙過大故障。在6 s時，在表面輸出交界處注入正常值的10倍。故障仿真結(jié)果如圖12～圖14所示。

由于該故障是間隙非線性的一種特殊表達形式，對非線性系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中故障的影響進行了比較分析。

由于機構(gòu)間隙，滾珠絲杠輸出有一段空程差，導(dǎo)致舵面偏轉(zhuǎn)誤差增大。此時，控制器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以補償故障對系統(tǒng)輸出的影響。無刷直流調(diào)速與系統(tǒng)輸出存在偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，系統(tǒng)性能較差。但是，該任務(wù)仍然可以完成，故障對系統(tǒng)的影響只有在電機切換回來，系統(tǒng)反向運行時才能體現(xiàn)出來。此外，控制器可以調(diào)整故障，使其在其余時間不影響系統(tǒng)。

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

3.4 載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

1.5 s時，在齒輪減速裝置中注入負載路徑結(jié)構(gòu)故障，負載路徑的結(jié)構(gòu)被破壞，如圖15～圖17所示。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

電機輸出不能傳遞，系統(tǒng)輸出停滯在故障位置。電機空載并繼續(xù)高速運轉(zhuǎn)。通過開環(huán)分析可以看出，齒輪箱斷開后系統(tǒng)輸出和滾珠絲杠位移在故障時停滯不前。在系統(tǒng)負載斷開后，電機輸出功率不變，使電機轉(zhuǎn)速瞬間上升，穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速下。非線性因素的存在和系統(tǒng)的控制器不會改變故障的影響,故障只與故障時刻有關(guān)。

3.5 結(jié)果分析

在故障仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了這四種故障模式與系統(tǒng)非線性因素和系統(tǒng)設(shè)計之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 四種模式的故障影響分析總結(jié)

適航規(guī)章25部第25.671(c)款規(guī)定系統(tǒng)發(fā)生任何故障后飛機能夠避免或減輕故障影響，保證繼續(xù)安全操縱和飛行。針對25.671(c)的符合性驗證時需要考慮的失效類型，適航咨詢通告AC 25.671給出了舵面的故障類型，包括舵面卡阻、失控、振蕩、控制受限、非指令偏轉(zhuǎn)、操縱困難等。本文研究的四種故障模式中軸承卡阻和載荷路徑結(jié)構(gòu)故障對系統(tǒng)(舵面級)的影響特征確定，分別為舵面卡阻和失控。而另兩種故障模式對系統(tǒng)影響不確定，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計可能會導(dǎo)致振蕩或非指令偏轉(zhuǎn)等系統(tǒng)級故障類型。

在對進行故障仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障對系統(tǒng)的影響，將故障模式分為兩類，第一類只與故障模式有關(guān)(如軸承卡阻、載荷路徑結(jié)構(gòu)故障)，第二類同時還與非線性因素和系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)，即不同的系統(tǒng)設(shè)計影響不同(如電機繞組短路、傳動機構(gòu)間隙過大)?；谝陨辖Y(jié)果，對這兩種故障模式在進行符合性驗證和適航審定時關(guān)注不同，第一類故障模式的影響只與該模式相關(guān)，導(dǎo)致系統(tǒng)級故障特征確定，故障試驗時只需要在系統(tǒng)級(舵面)注入故障即可；第二類與非線性因素和系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的故障模式導(dǎo)致的系統(tǒng)級影響不確定，此類故障必須從系統(tǒng)內(nèi)部進行注入試驗。

4 結(jié) 語

本文在分析EMA架構(gòu)、工作原理和故障機理的基礎(chǔ)上，對典型故障模式進行了分類和建模。

通過故障建模方法研究，開展故障模擬注入和影響仿真分析，考慮了系統(tǒng)非線性(如摩擦、間隙)和不同系統(tǒng)設(shè)計對故障結(jié)果的影響，將本文討論的設(shè)備部件級典型故障模式同適航規(guī)章 25.671的系統(tǒng)級故障類型建立了關(guān)系，并進行了劃類。同時根據(jù)故障對系統(tǒng)影響結(jié)果的相關(guān)因素，將故障模式分為兩類，在進行故障注入符合性驗證時，只與故障模式相關(guān)的第一類，只需在舵面級注入故障，另一類同時還與系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)，則必須從內(nèi)部進行故障注入試驗。本文仿真結(jié)論為EMA故障注入的適航符合性驗證和審定提供技術(shù)支持和關(guān)注要素。