無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除方法

李海超

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065）

引言

無人機(jī)傳動(dòng)軸的作用是為無人機(jī)飛行傳動(dòng)能量，而無人機(jī)傳動(dòng)軸的故障產(chǎn)生的原因主要有兩種情況，第一種情況是無人機(jī)傳動(dòng)軸在制造和安裝時(shí)存在缺陷，即無人機(jī)傳動(dòng)軸在制造生產(chǎn)時(shí)其質(zhì)量就不達(dá)標(biāo)，尺寸、外形可能存在尺寸誤差，但是由于機(jī)械制造技術(shù)工藝比較成熟，大部分無人機(jī)傳動(dòng)軸制造都能達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此這種情況基本不存在；第二種情況是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，無人機(jī)傳動(dòng)軸受到外界因素的影響而出現(xiàn)斷裂、螺栓脫落、變形等故障，這也是目前無人機(jī)傳動(dòng)軸故障發(fā)生的主要原因[1]。當(dāng)無人機(jī)傳動(dòng)軸發(fā)生故障時(shí)，會(huì)對(duì)無人機(jī)飛行情況造成一定的影響，容易導(dǎo)致飛行速度減慢、動(dòng)力不足、停飛等情況發(fā)生，因此對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除是非常有必要的。但是現(xiàn)有的方法在應(yīng)用過程中診斷精度較低，不能夠滿足無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除的精度需求，為此對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除方法展開研究。

1 無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除方法設(shè)計(jì)

1.1 無人機(jī)傳動(dòng)軸故障數(shù)據(jù)采集

本文采用AIDD58D74A 型號(hào)的轉(zhuǎn)速無線傳感器對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因?yàn)闊o人機(jī)傳動(dòng)軸故障發(fā)生時(shí)其最直觀的故障特征區(qū)別就在于無人機(jī)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。傳動(dòng)軸主要包括外圈故障、內(nèi)圈故障和傳動(dòng)體故障，將轉(zhuǎn)速無線傳感器安裝在無人機(jī)傳動(dòng)軸的軸承內(nèi)側(cè)，將其電源線路與無人機(jī)電機(jī)串聯(lián)在一起，當(dāng)無人機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸時(shí)也將自動(dòng)開啟轉(zhuǎn)速無線傳感器開關(guān)[2]。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置傳感器信號(hào)采集頻率、周期、精度和范圍等技術(shù)參數(shù)，對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2 無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析

上文提到無人機(jī)傳動(dòng)軸主要故障特征為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，因此以該參數(shù)為無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷變量，利用差值分析函數(shù)對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

式（1）中：v 表示無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速誤差；t 表示無人機(jī)傳動(dòng)軸運(yùn)行時(shí)間；s 表示無故障情況下無人機(jī)傳動(dòng)軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速；st表示t 時(shí)刻無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速[3]。利用上述公式計(jì)算出無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速誤差，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷閾值，該閾值為無人機(jī)傳動(dòng)軸最大允許誤差值，將差值分析函數(shù)計(jì)算值與閾值對(duì)比，如果大于閾值則判斷此時(shí)無人機(jī)傳動(dòng)軸存在故障；如果小于閾值則判斷此時(shí)無人機(jī)傳動(dòng)軸運(yùn)行正常，以此完成無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析。

1.3 無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷排除

當(dāng)判斷到無人機(jī)傳動(dòng)軸存在故障時(shí)，利用特征差別法對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障進(jìn)行排除，確定無人機(jī)傳動(dòng)軸故障類型以及故障位置。上文分析到無人機(jī)傳動(dòng)軸故障主要分為內(nèi)圈故障、外圈故障和傳動(dòng)體故障三種，這三種故障發(fā)生時(shí)其轉(zhuǎn)速具有不同表現(xiàn)特征，根據(jù)無人機(jī)傳動(dòng)軸歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，獲取到三種故障發(fā)生時(shí)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速特征，利用以下公式對(duì)故障進(jìn)行診斷排除。

式（2）中，s*表示無人機(jī)傳動(dòng)軸故障時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率[4]。通常情況下，無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不會(huì)在同一飛行過程中始終保持一致。因此以85%為標(biāo)準(zhǔn)，將無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)帶入到上述公式中，已知某種故障轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率s*，如果公式（2）成立則判定存在的故障為該故障[5]。如果上述公式不成立，則排除該故障，帶入下一種故障轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率參數(shù)，逐一排除，從而確定無人機(jī)傳動(dòng)軸故障類型和故障位置，進(jìn)而完成了無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某無人機(jī)傳動(dòng)軸為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該無人機(jī)傳動(dòng)軸型號(hào)為3654ADS-ASD4，滾動(dòng)體直徑大小為7.5 mm，接觸角為1.25°，傳動(dòng)體12 個(gè)，傳動(dòng)節(jié)徑大小為45.5 mm，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該無人機(jī)傳動(dòng)軸進(jìn)行故障診斷分析與排除。實(shí)驗(yàn)利用電火花在該無人機(jī)傳動(dòng)軸的外圈、內(nèi)圈、傳動(dòng)體上分別加工出直徑為0.364 5 mm、0.482 6 mm、0.941 4 mm的凹槽來模擬出傳動(dòng)軸故障。將無線傳感器的采集頻率設(shè)定為13.45 Hz，采集范圍設(shè)定為50～150 mm，采集周期設(shè)定為1.5 ns。利用無線傳感器分別在外圈故障、內(nèi)圈故障、傳動(dòng)體故障以及正常四種運(yùn)行模式下，采集到無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為150 0 r/min、170 0 r/min、190 0 r/min、210 0 r/min、230 0 r/min 時(shí)的數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率數(shù)據(jù)

以表1 無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用本文方法與傳統(tǒng)方法，分別針對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來判斷傳動(dòng)軸故障位置，以此來對(duì)比不同方法的診斷效果，如表2 所示。

從表2 中數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)方法對(duì)于無人機(jī)傳動(dòng)軸故障數(shù)據(jù)的分析較為準(zhǔn)確，與表1 實(shí)際故障判斷結(jié)果一致，說明本文設(shè)計(jì)方法的診斷效果較好，在5 種不同轉(zhuǎn)速下無人機(jī)傳動(dòng)軸故障的診斷中，診斷精度為100%；而傳統(tǒng)方法在5 種不同轉(zhuǎn)速下無人機(jī)傳動(dòng)軸故障的診斷中，在無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為1 700 r/min 與1 900 r/min 情況下出現(xiàn)了診斷錯(cuò)誤，診斷精度為60%。為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)隨機(jī)性，因此再一次進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 兩種方法無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷效果對(duì)比

表3 兩種方法無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷效果第二次對(duì)比

從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)方法對(duì)于無人機(jī)傳動(dòng)軸故障數(shù)據(jù)的分析依舊較為準(zhǔn)確，診斷精度依舊與上一次實(shí)驗(yàn)相同，為100%；而傳統(tǒng)方法在實(shí)驗(yàn)無人機(jī)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min 與1 900 r/min情況下出現(xiàn)了診斷錯(cuò)誤，診斷精度依舊低于本文方法。

因此實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法對(duì)于無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除具有較高的精度，可以準(zhǔn)確地識(shí)別無人機(jī)傳動(dòng)軸故障，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障特征以及故障位置的診斷。

3 結(jié)語

此次結(jié)合現(xiàn)有研究理論，針對(duì)無人機(jī)傳動(dòng)軸故障診斷分析與排除存在的問題，引入無線傳感技術(shù)、差值分析函數(shù)以及特征差別法理論，設(shè)計(jì)了一種新的排除方法，有效降低了無人機(jī)傳動(dòng)軸故障錯(cuò)排率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新。