郝世勇,戰(zhàn)祥新
(海軍航空大學青島校區(qū),山東青島,266041)
2021 年8 月,某單位一架無人機飛行過程中出現(xiàn)電壓跌落又重新恢復故障。通過飛參數據判讀具體故障過程:無人機飛行近5 小時后,在27min 內主電源發(fā)電機電壓由29.4V 緩慢降低到27.5V,此過程發(fā)動機轉速約4700r/min,負載電流約51A;之后主電源電壓突然下降到8V 左右,按照既定工作邏輯發(fā)電機控制器翻轉為副勵磁狀態(tài),蓄電池應急并網供電(蓄電池并網瞬間使發(fā)電機電壓曲線短暫顯示恢復正常值,蓄電池并網后使關鍵匯流條電壓曲線顯示恢復正常值),約7min 后發(fā)電機供電恢復到29V 左右正常值,此后至無人機著陸,直流電源系統(tǒng)供電一直正常。
飛機著陸后,進行地面聯(lián)試約20min,發(fā)電機與發(fā)電機控制器均工作正常,未出現(xiàn)飛行過程中的掉電故障現(xiàn)象。根據要求,隨后在飛機上進行模擬發(fā)電機電刷卡滯故障復現(xiàn)試驗。將發(fā)電機F+接線柱與對應接線片斷開,中間用約5米導線及開關連接,并將發(fā)電機勵磁控制開關引至飛機外部以便于操作。試驗用發(fā)電機為飛機出現(xiàn)故障時發(fā)電機。發(fā)動機轉速約3500r/min,負載電流約35A,發(fā)電機并網輸出電壓正常工作幾分鐘后,手動斷開外部的發(fā)電機勵磁開關同時手動發(fā)電機撤網(由于是手動操作,發(fā)電機撤網會滯后于發(fā)電機勵磁開關斷開的操作),蓄電池(或地面電源)并網。模擬故障復現(xiàn)試驗時發(fā)現(xiàn),帶載時斷開發(fā)電機勵磁開關,發(fā)電機控制器會由于外部發(fā)電機欠壓而翻轉為副勵磁工作狀態(tài),且?guī)лd測試時發(fā)電機輸出電壓會跌落到0V,飛參與該機空中掉電故障時飛參對比可以吻合。
該無人機供電系統(tǒng)由交流發(fā)電機和配套的發(fā)電機控制器組成。供電系統(tǒng)電氣原理圖如圖1 所示。交流發(fā)電機為爪極式同步發(fā)電機,轉子為磁極,轉子內有勵磁繞組,勵磁繞組正負引出線分別焊接于轉子軸上的兩個滑環(huán)上,通過電刷與滑環(huán)的滑動接觸實現(xiàn)勵磁回路導通,控制器通過控制勵磁電流調節(jié)發(fā)電機輸出電壓。定子為兩套相同的三相繞組,這兩套定子繞組發(fā)出的交流電經整流器整流后并聯(lián),變成直流電輸出。由控制器向發(fā)電機轉子勵磁繞組提供直流電,并根據輸出電壓的變化調節(jié)勵磁電流的大小,保證發(fā)電機輸出的直流電穩(wěn)定在28.5V±1.5V 向電網供電[1,2]。
圖1 供電系統(tǒng)電氣原理圖
發(fā)電機控制器是整個供電系統(tǒng)的核心控制設備??罩械綦婏w參曲線顯示發(fā)電機電壓掉至8V 左右,通過故障時飛參波形曲線分析如下:空中掉電時,發(fā)電機控制器由于外部發(fā)電機輸出電壓發(fā)生欠壓異常而翻轉為副勵磁(振蕩調壓工作狀態(tài)),這表明發(fā)電機控制器的轉換功能正常。發(fā)電機控制器振蕩調壓電路如圖2 所示,其中外加勵磁控制開關是用于模擬發(fā)電機電刷卡滯故障。發(fā)電機輸出電壓經電阻和電位器分壓后與穩(wěn)壓管D7相連,如果發(fā)電機輸出電壓偏低,電阻R18和電位器的合計分壓值小于基準電壓值,三極管V4截止,達林頓三極管V7飽和導通,這樣流過發(fā)電機激磁繞組的激磁電流增大,發(fā)電機輸出電壓增大;反之如果發(fā)電機輸出電壓偏高,三極管V4飽和導通,達林頓三極管V7截止,這樣流過發(fā)電機激磁繞組的激磁電流減小,發(fā)電機輸出電壓減小,也能夠使發(fā)電機輸出穩(wěn)定的28.5V 左右電壓,從而達到調壓功能。
圖2 發(fā)電機控制器調壓原理圖
通過飛參數據看出,2021 年8 月該無人機空中掉電蓄電池并網前瞬間,負載電流約僅約為10A。這說明蓄電池并網前瞬間機上負載的等效電阻較大,發(fā)電機電刷卡滯相當于勵磁控制開關斷開,理論上發(fā)電機電壓會迅速降至0V。但由于機上14V 輔助激磁電源的作用,其路徑為:14V 輔助激磁電源→51Ω 電阻→二極管D26→達林頓三極管V7的EB 間PN 結→二極管D9→發(fā)電機電壓→機上負載→地。發(fā)電機電壓會由于14V 輔助激磁電源的作用仍存在少量分壓,負載電流越大(等效電阻越小)則分壓越低,負載電流越小(等效電阻越大)則分壓越高。電壓跌落瞬間若外部并網控制信號能迅速使發(fā)電機撤網(相當于接觸器開關斷開,由帶載變?yōu)榭蛰d),由于發(fā)電機控制器內部發(fā)電機電壓信號與地之間阻抗很大(近1kΩ),則發(fā)電機電壓分壓達到8V 左右。
發(fā)電機控制器的發(fā)電機電壓信號轉換電路見圖3 所示。飛參中采集的28V 發(fā)電機電壓曲線是圖3 中的運放1 腳輸出的發(fā)電機電壓信號,再經過配電管理機轉換而得到的28V 發(fā)電機電壓曲線。由于運放8 腳工作電源的分散性,當空中掉電使發(fā)電機電壓過低時,運放會由于工作電源不足而無輸出,這樣飛參中采集的28V 發(fā)電機電壓曲線會顯示為0V,這屬于發(fā)電機電壓信號轉換電路的正常特性。
圖3 發(fā)電機電壓信號轉換電路
另外如果發(fā)電機空中掉電時發(fā)電機電壓降為很低,雖然發(fā)電機控制器轉為振蕩調壓工作狀態(tài)(副勵磁),但由于此時發(fā)電機電壓很低,發(fā)電機控制器的勵磁狀態(tài)信號無法輸出8V以上高電平(只有勵磁狀態(tài)信號輸出8V 以上高電平飛參才會顯示為副勵磁),所以此時飛參默認顯示電源系統(tǒng)為主勵磁工作狀態(tài)(實際發(fā)電機控制器為副勵磁工作狀態(tài)),只有當發(fā)電機電壓又恢復正常時(27V 以上),飛參才能顯示電源系統(tǒng)為主勵磁工作狀態(tài)。這屬于發(fā)電機控制器的正常特性。
結合系統(tǒng)工作原理,以供電系統(tǒng)電壓輸出異常作為頂事件,建立故障樹如圖4 所示。對照故障樹,逐點進行故障樹排查[3,4]。
圖4 供電異常故障樹
①控制器故障
與發(fā)電機配套的控制器在外場進行聯(lián)試,未發(fā)生異常。發(fā)電機配套控制器在外場聯(lián)試也未發(fā)生異常,廠內連續(xù)5小時發(fā)電試驗未發(fā)生異常,入廠復試數據合格。對控制器進行開蓋檢查經檢查發(fā)現(xiàn)無燒蝕、異味,印制板、元器件及內部線路均無異常。底事件1 可以排除。
②電氣連接故障
飛機返航后對機上連接電纜及插頭進行了檢查未發(fā)生異常,且地面聯(lián)試未發(fā)生異常。因此底事件2 可以排除。
③傳動失效
蓄電池并網,發(fā)電機撤網,控制器轉為副勵磁供電,持續(xù)1min 后,發(fā)電機恢復并網,供電正常;地面聯(lián)試也未發(fā)生異常;返廠后復試數據合格;目視檢查發(fā)電機花鍵,無異常磨損。因此底事件3 可以排除。
④整流橋組件故障
發(fā)電機返廠后復試數據合格,對發(fā)電機進行分解,并對兩組整流橋(12 個二極管)進行檢查,連接無異常,未發(fā)現(xiàn)短路或斷路現(xiàn)象。用萬用表測量所有二極管的管壓降,均在0.7V 以下,見表1 所示,未發(fā)現(xiàn)任何異常。因此底事件4 可以排除。
表1 二極管管壓降測量值
⑤定子繞組故障
發(fā)電機返廠后,對其進行分解后,目視檢查定子組件外觀,定子線圈無過熱痕跡,更換電刷架組件后,試驗數據合格。因此底事件5 可以排除。
⑥勵磁繞組斷路
發(fā)電機返廠后,對其進行分解,檢查轉子組件,目視外觀正常,勵磁繞組無過熱痕跡,更換電刷架組件后試驗數據合格。因此底事件6 可以排除。
⑦滑環(huán)斷路開裂
發(fā)電機返廠對電機進行分解,對滑環(huán)進行目視檢查,兩個滑環(huán)均表面光滑,無斷裂;對發(fā)電機滑環(huán)處跳動量及滑環(huán)間隙測量:測量值0.012mm,要求值小于0.015 mm;滑環(huán)間隙測量值為2.02mm,要求值為2 ~2.1mm,符合設計要求。因此底事件7 可以排除。
⑧電刷刷辮焊點脫開
拆下電刷架組件,檢查電刷刷辮焊接處,焊點完好,未脫開。因此底事件8 可以排除。
以電刷卡滯為頂事件建立故障樹如圖5 所示。
圖5 電刷卡滯故障樹
⑨電刷架尺寸超差
發(fā)電機返廠后將電刷架組件拆出,用手按動內側電刷存在卡滯現(xiàn)象,外側電刷活動靈活,電刷卡滯如圖6 所示。
圖6 發(fā)電機內側電刷卡滯圖
由于電刷架內側已在外場切開,其尺寸會發(fā)生形變,因此測量其尺寸已無意義。電刷架外側電刷靈活不卡滯,但使用塞規(guī)測量電刷架外側尺寸時,發(fā)現(xiàn)過端無法通到刷握底部,電刷架尺寸超差。對生產電刷架的模具進行復查,測量尺寸如下表2 所示。
表2 電刷架模具測量尺寸
從表2 可見,電刷卡滯的內外側電刷架模具孔底比要求尺寸小,電刷架成型工藝為鑄塑工藝,出模后零件實際尺寸會比模具尺寸小,因此電刷架模具的尺寸超差,導致電刷架尺寸超差。因此底事件9電刷架尺寸超差不能排除。
⑩電刷尺寸超差
分解電刷架組件后,電刷尺寸測量值見表3,均符合設計要求。
表3 電刷測量尺寸
因此底事件10 可以排除。
分解電刷架組件后套管完好,無磨損。電刷刷辮未斷開,無松散。因此底事件11 可以排除。
分解電刷架組件,發(fā)電機的彈簧自然狀態(tài)下未變形,彈簧彈力測量值見表4,彈簧壓力值符合設計要求。
表4 電刷彈簧彈力值測量
因此底事件12 可以排除。
分解電刷架組件目視檢查刷握內表面光滑,不存在異物。因此底事件13 可以排除。
通過上述故障排查情況分析,該無人機空中供電輸出異常故障定位如下:
發(fā)電機電刷卡滯,造成電刷與滑環(huán)的接觸異常,(此時電刷與滑環(huán)處于接觸狀態(tài)),電刷與滑環(huán)間接觸電阻變大,造成勵磁回路的電阻變大,使勵磁電流減小,發(fā)電機輸出電壓減小,其電壓大致在27.5V,控制器檢測到輸出電壓較低,所以控制激磁占空比調節(jié)輸出電壓,使輸出電壓升高,表現(xiàn)為升至29V(正常情況下電壓在29V 左右),由于電刷與滑環(huán)依舊存在接觸異常,輸出電壓仍然會降低,由29.4V 緩慢降低到27.5V。且隨著電刷與滑環(huán)的斷開,電機勵磁電流回路斷開,發(fā)電機勵磁電流接近0A,最終造成發(fā)電機電壓輸出異常;約7min 后碳刷不再卡滯,發(fā)電機輸出電壓又恢復到正常值范圍。
機上電源系統(tǒng)輸出電壓顯示僅為控制器回路輔助勵磁電源所產生電壓,約為8V 左右。對應機上現(xiàn)象輸出電壓突降為8V??刂破鞯墓δ苁请S著輸出電壓下降,當輸出電壓低于24V 時,控制器由主勵磁翻轉為副勵磁狀態(tài)。
電刷卡滯造成電刷與滑環(huán)間接觸電阻增大的變化很難復現(xiàn),可以通過在勵磁回路中串聯(lián)電阻模擬接觸電阻的增大,以及通過串聯(lián)開關模擬電刷與滑環(huán)的斷開。因此做兩項模擬試驗,進行故障復現(xiàn)。
試驗一:勵磁回路串聯(lián)電阻進行模擬飛行試驗,驗證勵磁回路接觸電阻大是否與故障現(xiàn)象有關。試驗過程:模擬故障時飛行試驗工況,在發(fā)電機建壓后,調節(jié)發(fā)電機轉速為5000r/min,同時加50A 電流的負載,調節(jié)滑動變阻器阻值Rp,記錄系統(tǒng)輸出電壓U0變化情況。試驗結果:當Rp=0時,U0=29.2V,隨著阻值加大,輸出電壓一直在降低,當Rp=20.9Ω 時,U0=27.3V;Rp阻值進一步增加后,輸出電壓急劇降低,控制器立即由主勵磁建壓轉為備用勵磁建壓,最后電壓穩(wěn)定在7.3V。
試驗二:斷開發(fā)電機勵磁回路,驗證故障現(xiàn)象8V 電壓是否是由于12V 輔助勵磁供電所得(此電源一直處于連通狀態(tài))。試驗過程:在發(fā)電機建壓后,空載,調節(jié)發(fā)電機轉速為5000r/min,斷開勵磁回路,記錄系統(tǒng)輸出電壓值;兩分鐘后閉合勵磁回路,記錄系統(tǒng)輸出電壓值;再次斷開勵磁回路,記錄系統(tǒng)輸出電壓值,將12V 輔助勵磁電壓調節(jié)為0,記錄系統(tǒng)輸出電壓值。試驗結果:在斷開勵磁回路、12V 輔助勵磁供電的條件下,系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在7.3V,兩分鐘后,恢復發(fā)電機勵磁,系統(tǒng)輸出電壓恢復至28.6V。再次斷開勵磁回路,系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在7.3V,將12V 輔助勵磁電壓降為0 后,系統(tǒng)輸出電壓為2.2V。可以確認發(fā)電機剩磁產生電壓為2.2V,7.3V 為控制器回路12V 輔助勵磁電源所產生電壓。
飛機上12V 輔助勵磁實際供電電壓為14.3V,再次試驗,將試驗12V 輔助勵磁電壓調節(jié)為14.3V,斷開勵磁回路,此時系統(tǒng)輸出電壓為8V左右,與故障現(xiàn)象一致,實現(xiàn)故障復現(xiàn)。
由于電刷架模具尺寸超差,導致電刷架尺寸超差。且在使用塞規(guī)檢測電刷孔尺寸時,只檢查孔口處至1/3 處,不會通到孔底,導致不合格電刷架被放行。因此一方面要依據設計的電刷架尺寸,重新定制模具;二是細化電刷架尺寸檢驗工序,明確方孔塞規(guī)的使用方法,用塞規(guī)檢驗電刷架刷握尺寸時,一定要將塞規(guī)塞進刷握的底部,保證電刷尺寸符合設計要求。