直升機旋翼轉(zhuǎn)速指示異常故障簡析

鄒羽順 劉曉輝 馮佳陽

摘要：旋翼轉(zhuǎn)速指示異常是直升機較為常見的故障，本文針對兩起較為典型的旋翼轉(zhuǎn)速指示異常故障，從系統(tǒng)原理、故障現(xiàn)象、排除方法等多個方面進行分析并列出故障樹，為后續(xù)裝備保障提供參考。

關(guān)鍵詞：旋翼轉(zhuǎn)速；跳動；磁傳感器；主減速器

Keywords：rotor speed；vibration；magnetic sensor；main speed reducer

1 系統(tǒng)介紹

直升機的旋翼由主減速器帶動旋轉(zhuǎn)，旋翼的轉(zhuǎn)速也就是主減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，通過測量主減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動速度即可知旋翼轉(zhuǎn)速的大小。直升機上一般包含兩套旋翼轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)：旋翼轉(zhuǎn)速第一測量系統(tǒng)和旋翼轉(zhuǎn)速第二測量系統(tǒng)。

旋翼轉(zhuǎn)速第一測量系統(tǒng)通過兩個旋翼轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速信號，測量原理為：兩個旋翼轉(zhuǎn)速傳感器共軸串聯(lián)安裝在主減速器后面，由主減內(nèi)部同時驅(qū)動轉(zhuǎn)速傳感器和右液壓泵的雙齒輪傳動機構(gòu)帶動，產(chǎn)生三相交流電信號，該信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比。其中一個傳感器直接輸出信號至旋翼轉(zhuǎn)速指示器的同步電機帶動白指針指示旋翼轉(zhuǎn)速，另一個傳感器輸出信號至轉(zhuǎn)速/槳距位置信號處理機，經(jīng)運算、處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS422A串行通信接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送至綜合顯示處理機顯示旋翼轉(zhuǎn)速NR2。

旋翼轉(zhuǎn)速第二測量系統(tǒng)通過一個旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器測量轉(zhuǎn)速信號，測量原理為：旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器內(nèi)部有兩個具有磁性鐵心的感應(yīng)線圈，正對著主減下端的音輪。當主減轉(zhuǎn)動時，音輪同時轉(zhuǎn)動，音輪齒牙依次通過磁傳感器兩個線圈的上方，由于磁路與音輪齒牙間隙周期改變，引起線圈內(nèi)磁場周期變化，又由于兩個線圈所處的位置不同，故在線圈內(nèi)產(chǎn)生兩個相位差為90°的交流電動勢，該交流電動勢的頻率與旋翼轉(zhuǎn)速成正比，即為兩個互成90°的單相交流轉(zhuǎn)速信號。該轉(zhuǎn)速信號經(jīng)變換器進行單一三相變換和放大后，再經(jīng)電阻盒降壓，此時三相交流電壓的頻率與單相交流轉(zhuǎn)速信號頻率相等，輸送給指示器內(nèi)同步電機，帶動花指針指示旋翼轉(zhuǎn)速。另外，磁傳感器產(chǎn)生的兩路單相交流轉(zhuǎn)速信號，一路直接輸送至轉(zhuǎn)速/槳距位置信號處理機，經(jīng)運算、處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過RS422A串行通信接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送給綜合顯示處理機顯示旋翼轉(zhuǎn)速NR1，另一路作為備份。圖1、圖2是旋翼轉(zhuǎn)速指示器花指針指示原理和旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器作用原理圖。

正常情況下，旋翼轉(zhuǎn)速第一測量系統(tǒng)與旋翼轉(zhuǎn)速第二測量系統(tǒng)測量的轉(zhuǎn)速值應(yīng)始終一致，即旋翼轉(zhuǎn)速指示器上的白指針和花指針應(yīng)始終重合，綜合顯示器上的NR1和NR2數(shù)值應(yīng)基本相同。實際使用過程中，旋翼轉(zhuǎn)速第一測量系統(tǒng)（白指針、NR2）因傳感器與主減速器是齒輪連接，產(chǎn)生的交流電動勢較穩(wěn)定，旋翼轉(zhuǎn)速指示也較穩(wěn)定，故障率低；旋翼轉(zhuǎn)速第二測量系統(tǒng)（花指針、NR1）主要通過音輪與磁傳感器之間切割磁力線產(chǎn)生的電動勢來指示旋翼轉(zhuǎn)速的大小，由于能對該信號產(chǎn)生干擾的因素較多，導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)速指示不穩(wěn)定的故障率較高。旋翼轉(zhuǎn)速故障屬于不可放行故障，對直升機的正常試飛有較大影響，因此需要盡快排除。

2 故障案例

以下介紹兩起曾經(jīng)出現(xiàn)的旋翼轉(zhuǎn)速指示不穩(wěn)定的故障。兩起故障的排除都耗時較長，但最終都確認了故障機理，找準了故障原因，對今后的排故工作具有較大的啟示意義。

2.1 旋翼轉(zhuǎn)速指示器花針下掉

一架某型直升機在試飛時，旋翼轉(zhuǎn)速指示器花針從207r/min突然下掉至50r/min，但此時直升機飛行姿態(tài)未發(fā)生改變，且旋翼轉(zhuǎn)速指示器內(nèi)部白針指示仍為207r/min。因機上兩塊旋翼轉(zhuǎn)速指示器故障現(xiàn)象一樣，基本可以排除指示器的問題。按照排故程序更換了旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器。第二天，地面試車時旋翼轉(zhuǎn)速指示正常，飛行一個半小時左右指示仍正常，但一個半小時后旋翼指示器花針依然下掉到50r/min。更換變換器和電阻盒后再次飛行，故障仍然存在。

檢查系統(tǒng)線路，未發(fā)現(xiàn)異常。檢查旋翼轉(zhuǎn)速磁傳感器與音輪之間的間隙為1.3mm，技術(shù)文件上規(guī)定標準間隙為1.3±0.1mm。該間隙一方面是確保音輪在轉(zhuǎn)動的過程中不會與磁傳感器相碰，另一方面，該間隙的大小會直接影響磁傳感器感受到的磁力，進而影響磁傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，雖然直接影響轉(zhuǎn)速指示數(shù)值的是電壓頻率，但感應(yīng)電壓的幅值是判別磁傳感器輸出信號是否為有效信號的依據(jù)。將磁傳感器與音輪的間隙調(diào)整為1.2mm后，故障消失。

針對旋翼轉(zhuǎn)速指示器花針下掉而白針正常的故障，單獨從附件及線路上查找較難排除。磁傳感器輸出的感應(yīng)電壓幅值會隨著磁傳感器與音輪的間隙變化而變化，在同一轉(zhuǎn)速下，該間隙越小，輸出的感應(yīng)電壓幅值越大。因此，為保證信號的有效性，在安裝磁傳感器時，應(yīng)在保證磁傳感器與音輪不會觸碰的情況下盡可能減小其與音輪的間隙。

2.2 綜合顯示器上旋翼轉(zhuǎn)速NR1跳動

一架某型直升機在地面開車時，當發(fā)動機油門手柄由地慢推至空慢過程中，綜合顯示器上旋翼轉(zhuǎn)速NR1跳動較大。當旋翼轉(zhuǎn)速NR2指示110～180r/min，NR1最大波動到300r/min；當旋翼轉(zhuǎn)速NR2超過180r/min時，NR1基本可以和NR2保持一致；當油門達到空慢狀態(tài)時，NR1和NR2可以穩(wěn)定在207r/min，但將總距提至10°左右時NR1會產(chǎn)生跳動，范圍在198～200r/min；空中飛行時，NR1偶爾也存在跳動現(xiàn)象，幅度在±20r/min左右。查看飛參，可以看到NR1的曲線與故障現(xiàn)象一致，如圖3所示。整個過程中，旋翼轉(zhuǎn)速指示器（機械表）上白指針和花指針指示均正常，且基本重合，無跳動。

因NR1與機械表上的花指針信號來源相同，都是磁傳感器提供，而花指針無跳動現(xiàn)象，所以考慮磁傳感器應(yīng)無問題，更大可能是信號處理電路出了問題。NR1與花指針信號處理電路不同，前者是通過轉(zhuǎn)速/槳距位置信號處理機將磁傳感器輸出信號經(jīng)運算、處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳輸給綜合顯示系統(tǒng)，后者是通過變換器、電阻盒將磁傳感器輸出信號經(jīng)三相變換、放大、降壓后傳輸至機械表，所以首先串用了轉(zhuǎn)速/槳距位置信號處理機。第二天開車，故障現(xiàn)象仍然存在。

后續(xù)采取串換磁傳感器和音輪、多次調(diào)整磁傳感器與音輪的間隙、制作新電纜以及增加接地線等措施，故障仍未排除。通過采用示波器直接測量磁傳感器輸出至轉(zhuǎn)速/槳距位置信號處理機的信號，發(fā)現(xiàn)在推油門的過程中磁傳感器的輸出信號波形嚴重失真，如圖4所示（圖5為正常信號），該波形與NR1跳動現(xiàn)象吻合，可以判斷問題出在信號源。因磁傳感器及音輪已經(jīng)串用過，且間隙也已多次調(diào)整，所以只可能是主減速器的原因。串用另一架直升機主減速器，再次開車后，故障消失。

主減速器內(nèi)部由多個變速齒輪構(gòu)成，主減速器旋翼軸直接由齒輪帶動，隨著工作時間增加，齒輪以及相關(guān)軸承會出現(xiàn)一定的磨損。當磨損達到一定程度后，會出現(xiàn)主減速器旋翼軸在旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定、不在同一個平面的情況，致使音輪與磁傳感器之間的間隙一直在跳變，磁傳感器感受到的磁場信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致磁傳感器輸出信號波動。由于機械表反應(yīng)較為遲鈍，指針式指示存在一定的滯后性，無法實時跟蹤旋翼轉(zhuǎn)速的變化，因此出現(xiàn)同一個信號源情況下數(shù)字式指示跳動而機械式指示正常的故障。

3 結(jié)束語

經(jīng)過上述分析，總結(jié)出造成旋翼轉(zhuǎn)速指示異常的可能因素，如圖6所示。

旋翼轉(zhuǎn)速是衡量直升機飛行狀態(tài)是否正常的重要參數(shù)，旋翼轉(zhuǎn)速指示系統(tǒng)出現(xiàn)故障較普遍，大部分情況是系統(tǒng)本身附件或線路出了問題。本文介紹的兩起故障屬于比較罕見的案例，造成故障的原因較為特殊，一是由于磁傳感器的間隙引起，一是主減速器內(nèi)部的旋翼轉(zhuǎn)軸引起，排查難度較大。通過對這兩起故障的分析和介紹，可幫助維修人員積累經(jīng)驗，以縮短排故周期，及時保障裝備完好率。