潘永生， 汪智超

(1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)虛警故障研究

潘永生1， 汪智超2

(1.海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150066；2.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

主要論述了旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)的原理及其在使用過程中頻繁出現(xiàn)的輸出虛警信號(hào)故障，并對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析，給出了具體解決方案，從根本上解決了XJZ-6型旋翼最大最小轉(zhuǎn)速探測(cè)盒輸出虛警信號(hào)故障，保證旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)工作正常。

旋翼轉(zhuǎn)速；監(jiān)控；故障分析

0 引言

某型機(jī)在地面開車及空中試飛過程中，出現(xiàn)虛警現(xiàn)象(未到報(bào)警門限)，經(jīng)排查為旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)輸出虛警信號(hào)。旋翼轉(zhuǎn)速系統(tǒng)安全級(jí)別高，因此旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)虛警會(huì)對(duì)空勤造成心理負(fù)擔(dān)，誤導(dǎo)空勤操縱直升機(jī)，直接影響飛行安全。

1 旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)原理

當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定報(bào)警頻率范圍時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出高頻或低頻音調(diào)，提醒空勤立即采取措施[1-2]。通過安裝在主減速器機(jī)匣上的磁轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量主減速器旋翼支柱上的音輪轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速大小，磁傳感器輸出相應(yīng)頻率信號(hào)給XJZ-6最大最小轉(zhuǎn)速探測(cè)盒，后者根據(jù)頻率的大小判斷旋翼是否欠速和超速，如有，輸出給報(bào)警器發(fā)出告警聲音(圖1)。

圖1 旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)原理

告警范圍如表1所示。

表1 告警范圍

2 故障原因分析

2.1 初步確認(rèn)故障原因

1) 排除電磁干擾

由于XJZ-6探測(cè)盒安裝在機(jī)頭設(shè)備艙內(nèi)，而磁傳感器安裝在主減速器上，兩者之間的導(dǎo)線穿過了前機(jī)身電纜通道，如果傳輸導(dǎo)線經(jīng)過的電磁環(huán)境惡劣，可能會(huì)對(duì)旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)造成電磁干擾。通過對(duì)傳輸導(dǎo)線的屏蔽以及成品安裝搭接情況的測(cè)量檢查，屏蔽與搭接符合技術(shù)要求，并采用機(jī)艙內(nèi)單獨(dú)飛線的方法，經(jīng)過試飛，故障依舊，排除了由于線路電磁干擾而導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)虛警的可能。

2) 排除系統(tǒng)其它成品故障

將XJZ-6探測(cè)盒從機(jī)上拆下，更換為基本型XJZ-1探測(cè)盒，重新進(jìn)行地面開車檢查及空中試飛驗(yàn)證，故障現(xiàn)象消失，確認(rèn)旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)中的磁傳感器和報(bào)警器無故障。

通過上述分析，初步判定為XJZ-6探測(cè)盒問題導(dǎo)致虛警故障。

2.2 故障原因分析

XJZ-6探測(cè)盒與XJZ-1探測(cè)盒從外部接口和工作原理上講，二者沒有區(qū)別，但是內(nèi)部器件的選擇有不同，報(bào)警頻率范圍也有所不同。

1) XJZ-6與XJZ-1的控制原理

XJZ-6探測(cè)盒接收輸入的磁傳感器采集的脈沖正弦信號(hào)fin經(jīng)整形電路整形后輸出矩形波，然后輸入光電隔離電路，矩形波進(jìn)入單片機(jī)，矩形波的周期與時(shí)間基準(zhǔn)經(jīng)過濾波后，便得到一個(gè)與輸入脈沖信號(hào)的頻率成正比(即與旋翼轉(zhuǎn)速成正比)的直流電壓，由單片機(jī)計(jì)算分析后輸出一直流電平Vout，當(dāng)Vout輸出相應(yīng)高電平信號(hào)時(shí)，探測(cè)盒輸出低頻或高頻報(bào)警信號(hào)，如圖2所示。

圖2 XJZ-6原理圖

同理，XJZ-1探測(cè)盒接受輸入的正弦信號(hào)fin經(jīng)整形電路整形后輸出一矩形波，然后輸入脈寬調(diào)制電路，在時(shí)基電路標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)制下產(chǎn)生一個(gè)脈寬不變的矩形波，經(jīng)二階低通濾波器濾波后輸出一直流電壓Vout，當(dāng)Vout小于欠速報(bào)警比較器的基準(zhǔn)電壓VR時(shí)，比較器輸出一高電平信號(hào)，開關(guān)三極管導(dǎo)通，輸出低頻報(bào)警信號(hào)；當(dāng)Vout大于超速報(bào)警比較器的基準(zhǔn)電壓VR時(shí)，比較器輸出一高電平信號(hào)，輸出高頻報(bào)警信號(hào)。如圖3所示。

圖3 XJZ-1原理圖

2)信號(hào)比較電路對(duì)故障的影響

通過對(duì)故障現(xiàn)象的分析，我們?cè)谠囼?yàn)室通過連續(xù)改變輸入信號(hào)振幅，模擬傳感器在空中的工作狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)原理如圖4所示。

圖4中的旋翼最大最小轉(zhuǎn)速探測(cè)盒接上XJZ-6，將信號(hào)頻率固定在85Hz后改變其幅值，用示波器跟蹤整形電路的輸出波形時(shí)，發(fā)現(xiàn)在整形后的方波信號(hào)的上、下沿出現(xiàn)了振蕩脈沖(見圖5)。欠速指示燈時(shí)亮?xí)r滅。

按圖4換上XJZ-1時(shí)，欠速指示燈正常燃亮，符合要求。

通過接XJZ-6試驗(yàn)現(xiàn)象分析：如果傳感器輸出信號(hào)波形中引入了振蕩脈沖，單片計(jì)算機(jī)就會(huì)誤將該脈沖認(rèn)為是一個(gè)頻率比較高的信號(hào)，從而輸出報(bào)警信號(hào)。由于脈沖幅值的不穩(wěn)定性，小幅值的脈沖被光電隔離電路除掉了，而大幅值的脈沖通過光電隔離電路輸送給單片機(jī)，使得欠速指示燈時(shí)亮?xí)r滅。

XJZ-6和XJZ-1在試驗(yàn)中出現(xiàn)欠速指示燈產(chǎn)生不同燃亮狀態(tài)，這主要是由于兩個(gè)探測(cè)盒內(nèi)部處理頻率信號(hào)的方式是不一樣的，XJZ-1采用通用運(yùn)算放大器，而XJZ-6是采用電壓比較器。比較器工作在非線性區(qū)，強(qiáng)調(diào)快速翻轉(zhuǎn)。運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間大于比較器的響應(yīng)時(shí)間(F193比較器TR=1.3nS ；F007放大器TR=0.3μS)，比較器比運(yùn)算放大器更加靈敏，當(dāng)變化的輸入信號(hào)接近比較器門限電壓時(shí)，疊加在信號(hào)上面的干擾信號(hào)會(huì)使比較器產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)。

根據(jù)前面分析，我們把XJZ-6由比較器構(gòu)成的整形電路改為用運(yùn)算放大器組成整形電路，對(duì)2件XJZ-6實(shí)施了改進(jìn)，改進(jìn)后的產(chǎn)品按圖4進(jìn)行試驗(yàn)后，仍有1件產(chǎn)品仍存在不同程度的虛警。

3)振蕩脈沖對(duì)故障的影響

通過更改XJZ-6內(nèi)部比較電路后，并未真正地消除故障，從圖6中仍可以看出整形改進(jìn)后電路輸、出的方波信號(hào)仍帶有振蕩脈沖，我們分析認(rèn)為是傳感器輸出的信號(hào)疊加有干擾信號(hào)，從而使整形電路輸出信號(hào)也不理想。

為進(jìn)一步排查原因，在地面搭建了模擬機(jī)平臺(tái)，用磁傳感器(音輪與磁傳感器的安裝間隙為0.2mm)與XJZ-6進(jìn)行聯(lián)試，測(cè)試磁傳感器的輸出信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在過零點(diǎn)電壓處存在有較大的脈沖噪聲，聯(lián)試工作情況見表2。

根據(jù)分析和試驗(yàn)結(jié)果，我們嘗試用將比較參考點(diǎn)抬高0.7V的辦法來避開噪聲(如圖7)，改進(jìn)后的探測(cè)盒經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抑制噪聲的能力得到了較好的改善，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果見表3。但裝機(jī)試驗(yàn)卻并不理想，4件產(chǎn)品中有2件產(chǎn)品虛警，2件產(chǎn)品不工作。

表2 聯(lián)試工作情況表

表3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

指示轉(zhuǎn)速(170-345)r/min(345-380)r/min大于380r/min欠速指示燈亮滅滅超速指示燈滅滅亮

4)磁傳感器間隙對(duì)故障的影響

從可能導(dǎo)致產(chǎn)品工作不正常的多方面原因進(jìn)行技術(shù)分析，均未能解決XJZ-6虛警問題。通過機(jī)上排查傳感器，發(fā)現(xiàn)磁傳感器在直升機(jī)上與音輪間的安裝間隙為1.5mm(此數(shù)值固定，機(jī)上不可改變)。配套廠家在出廠試驗(yàn)前音輪與磁傳感器的安裝間隙為0.2mm，為比較差異，在機(jī)上對(duì)磁傳感器的輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)磁傳感器在正常工作時(shí)的輸出電壓極低，旋翼轉(zhuǎn)速在250r/min時(shí)，傳感器輸出的峰峰值電壓僅為800mV，旋翼轉(zhuǎn)速在300r/min時(shí)，傳感器輸出的峰峰值電壓僅為1000mV。為得到更詳實(shí)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)磁傳感器在不同間隙下的性能進(jìn)行了測(cè)試，其詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。從表4可以看出磁傳感器安裝間隙在0.2mm時(shí)，輸出電壓峰峰值大于間隙在0.8mm時(shí)的輸出電壓峰峰值，且磁傳感器與XJZ-6之間的傳輸導(dǎo)線長約為10m，通過傳輸導(dǎo)線后信號(hào)會(huì)有一定程度的衰減。

在磁傳感器輸出電壓極低的情況下，將比較參考點(diǎn)電壓抬高0.7V，XJZ-6就更難準(zhǔn)確采集比較后的電壓信號(hào)。

改變磁傳感器與音輪間隙，與XJZ-6進(jìn)行了聯(lián)試，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)磁傳感器在不同間隙下的性能測(cè)試結(jié)果

表5 聯(lián)試結(jié)果

3 解決措施

通過分析，要根本上解決XJZ-6虛警問題，須從提高整形電路克服噪聲和干擾的能力方面著手。

要使比較器克服噪聲和干擾就要改變比較器的遲滯寬度，使其噪聲和干擾在比較器的遲滯寬度內(nèi)。而遲滯寬度是運(yùn)算放大器上門限電壓和下門限電壓的差，提高器件工作電壓，可以有效加大遲滯寬度。

于是在將比較器改為運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上，將運(yùn)算放大器的工作電壓由原來的+5V改為±12V并調(diào)整相關(guān)電阻參數(shù)。按此方法改進(jìn)的產(chǎn)品在試驗(yàn)過程中，在將傳感器間隙從0.2mm到2.7mm的范圍進(jìn)行變化時(shí)，產(chǎn)品均能正常工作，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 傳感器間隙從0.2mm到2.7mm變化試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)XJZ-6改進(jìn)后試驗(yàn)的情況，在XJZ-6中貫徹了兩條措施：(一)將電壓比較器改為運(yùn)算放大器。因?yàn)楸容^器工作在非線性區(qū)，強(qiáng)調(diào)快速翻轉(zhuǎn)，比較器的響應(yīng)時(shí)間小于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間，比較器比運(yùn)算放大器更加靈敏，當(dāng)變化的輸入信號(hào)接近比較器門限電平時(shí)，疊加在信號(hào)上面的干擾信號(hào)會(huì)使比較器產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)。(二)將運(yùn)算放大器的工作電壓由+5V改為±12V。因?yàn)楸容^器克服噪聲和干擾就要改變比較器的遲滯寬度，使其噪聲和干擾在比較器的遲滯寬度內(nèi)。而遲滯寬度是運(yùn)算放大器上門限電壓和下門限電壓的差，提高器件工作電壓，可以有效加大遲滯寬度。

將XJZ-6旋翼最大最小轉(zhuǎn)速探測(cè)盒按以上兩條進(jìn)行改進(jìn)后，在直升機(jī)上進(jìn)行了多次地面開車檢查及空中試飛驗(yàn)證，均未出現(xiàn)虛警現(xiàn)象，確認(rèn)已完全排除故障。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)XJZ-6虛警故障的分析，找到了虛警故障原因。在保證原功能不受影響的前提下采取的兩條措施，從根本上解決了XJZ-6旋翼最大最小轉(zhuǎn)速探測(cè)盒輸出虛警信號(hào)故障，保證了旋翼轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)正常工作，后續(xù)的產(chǎn)品都得到貫徹落實(shí)，產(chǎn)品狀態(tài)良好。

[1] 陳顯平.傳感器技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2] 吳文明.傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2015.

Research on False Alarm Fault of Helicopter Blade Speed Monitoring System

PAN Yongsheng1， WANG Zhichao2

(1.Navy's Military Representative Office in Harbin, Harbin 150066, China;2.Navy's Military Representative Office in Jingdezhen, Jingdezhen 333000, China)

This paper mainly discussed the principle of helicopter blade speed monitoring system and false alarm signal fault of helicopter blade speed monitoring system, gave a detailed analysis of the cause of the malfunction and specific solutions. The solution guaranteed XJZ-6 helicopter blade maximum and minimum speed monitoring system working properly.

helicopter blade speed; monitoring; fault analysis

2016-09-19

潘永生 (1978-)， 男 ，碩士， 工程師，主要研究方向：直升機(jī)使用與維護(hù)。

1673-1220(2016)04-069-04

V241.4

A