關(guān)于飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)典型故障模式影響的研究

徐堅(jiān)

摘要：在民航客機(jī)控制領(lǐng)域，機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。但這個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度較高，容易在各種因素的影響下出現(xiàn)故障，且故障模式及影響較為復(fù)雜，故提高了故障處理的難度。本文對(duì)飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)典型故障模式影響進(jìn)行研究，首先闡述了飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后以驅(qū)動(dòng)器故障、執(zhí)行機(jī)故障、位置傳感器故障和控制器故障作為切入點(diǎn)，分析機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)典型故障模式，最后研究故障診斷方法，希望為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng);典型故障;驅(qū)動(dòng)器

0 ?引言

安全和高效是現(xiàn)代民航客機(jī)發(fā)展的方向，為達(dá)成這一目標(biāo)，各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用于飛機(jī)制造之中，其目的在于控制飛機(jī)的重量，使其運(yùn)行效率得到提升。以A380客機(jī)為例，該客機(jī)的在運(yùn)用電靜液作動(dòng)系統(tǒng)后，整個(gè)飛機(jī)的重量減少了1500kg。播音787飛機(jī)也同樣如此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)行維護(hù)成本的有效控制。由此可見(jiàn)，在民航客機(jī)中應(yīng)用機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)，已經(jīng)成為了現(xiàn)代民航客機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。但值得注意的是，飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)故障及影響具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，如何診斷和解決故障，成為了民航領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。

1 ?機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)包括兩大類型，分別為旋轉(zhuǎn)式機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)和直線式機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)。直線式機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)是本文研究的重點(diǎn)。這種系統(tǒng)多被用于民航客機(jī)，所起到的作用為輔助舵面作動(dòng)，具有不可逆的特點(diǎn)。系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：①驅(qū)動(dòng)機(jī);②執(zhí)行機(jī);③位置傳感器;④控制器。其在工作過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)組件，系統(tǒng)中的滾珠絲杠螺旋桿會(huì)在力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并向外輸送線性力，螺母在受力后會(huì)做上下運(yùn)動(dòng)，與之相連的舵面也會(huì)做相同的動(dòng)作，從而滿足指令的需求[1]。

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在短時(shí)間內(nèi)完成了對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的取代。該電機(jī)除了具備傳統(tǒng)電機(jī)的功能外，還可以調(diào)節(jié)速度，并對(duì)飛控直流作動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造了有利的條件。

2 ?機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)典型故障模式影響

飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，在這一特點(diǎn)的影響下，系統(tǒng)故障模式較為多樣，其產(chǎn)生的影響也難以估量。故本文對(duì)幾種典型的故障模式及影響進(jìn)行分析，如下所述：

2.1 驅(qū)動(dòng)器故障及影響

驅(qū)動(dòng)器是飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊的主要設(shè)備，在接收控制器指令信號(hào)之后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。過(guò)電流、過(guò)電壓、高溫、沖擊振動(dòng)是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器故障的主要原因，具體表現(xiàn)為功率管和驅(qū)動(dòng)元件短路等電子元件在上述因素的影響下而損壞，致使驅(qū)動(dòng)器無(wú)法正常運(yùn)行。如果僅強(qiáng)調(diào)驅(qū)動(dòng)器的故障輸出，我們可以將驅(qū)動(dòng)器故障模式總結(jié)為電路短路和斷路。此類故障屬于常見(jiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)在故障的影響下超負(fù)荷運(yùn)行，其內(nèi)部器件也會(huì)因此而燒毀。

2.2 執(zhí)行機(jī)故障及影響

通過(guò)查閱資料得知，無(wú)刷直流電機(jī)的零部件多為金屬材質(zhì)，很少發(fā)生故障。機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)軸承和電機(jī)繞組故障成為了主要的故障模式。如下所述：

①電機(jī)繞組開(kāi)路：此類故障的成因包括焊點(diǎn)處裂開(kāi)，導(dǎo)線斷裂、熱脹冷縮應(yīng)力[2]。

故障影響：開(kāi)路繞組無(wú)法發(fā)揮作用，電機(jī)輸出性能會(huì)降低。

②電機(jī)繞組短路：此類故障產(chǎn)生的原因?yàn)榫€路斷裂。

故障影響：三相繞組與磁場(chǎng)變化無(wú)法協(xié)調(diào)，導(dǎo)致電機(jī)輸出性能顯著降低。

③電機(jī)軸承卡阻：此類故障的成因?yàn)檩S承摩擦力矩過(guò)高。

故障影響：損毀軸承，機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行也會(huì)因此受到影響。

④齒輪傳動(dòng)鏈卡阻：此類故障產(chǎn)生的原因?yàn)槟p、振動(dòng)和沖擊。

故障影響：力矩的正常傳遞受到影響。

⑤齒輪脫落：此類故障產(chǎn)生的原因?yàn)檠b配不合理、沖擊振動(dòng)和磨損。

故障影響：力矩?zé)o法正常傳遞。

⑥載荷路徑結(jié)構(gòu)故障：裝配不合理和異物干擾是導(dǎo)致此類故障的原因。

故障影響：輸出與指定不相匹配。

⑦載荷路徑自鎖機(jī)構(gòu)故障：裝配不合理是此類故障的成因。

故障影響：舵偏輸出的準(zhǔn)確性無(wú)法得到保證[3]。

通過(guò)上述分析可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障模式具有多樣性的特點(diǎn)，發(fā)生故障的具體位置為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、載荷路徑和傳動(dòng)裝置。在眾多故障中，電機(jī)繞組故障較為常見(jiàn)，其影響也十分嚴(yán)重。主要表現(xiàn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，由于電機(jī)內(nèi)部較為狹小，故熱量難以散發(fā)，導(dǎo)致絕緣受損，為短路故障的出現(xiàn)埋下了伏筆。因此，加強(qiáng)對(duì)此類故障的研究十分重要。

潤(rùn)滑油干涸和軸承磨損是導(dǎo)致軸承故障出現(xiàn)的原因，在故障的影響下，電機(jī)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，電機(jī)母線電流也會(huì)因此受到阻礙。

2.3 位置傳感器故障及影響

傳感器的作用為轉(zhuǎn)化信號(hào)和傳遞信號(hào)，轉(zhuǎn)化的對(duì)象為位移信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，在將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，會(huì)向控制器傳遞信號(hào)?？刂破髟诮邮招盘?hào)后，即可發(fā)出指令，對(duì)整個(gè)機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，由此可見(jiàn)，傳感器發(fā)出信號(hào)的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效果。傳感器故障模式及影響如下所述：

①傳感器發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)：電磁干擾和工作環(huán)境變化是此類故障的成因。

故障影響：控制器在接收信號(hào)后，會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的指令，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

②傳感器無(wú)輸出：電子元件和敏感元件失去應(yīng)有的作用是故障成因。

故障影響：控制器無(wú)法接收信號(hào)，系統(tǒng)無(wú)法保持正常作動(dòng)[4]。

通過(guò)上述分析可知，傳感器故障模式可以總結(jié)為兩點(diǎn)，分別為輸出信號(hào)錯(cuò)誤和輸出信號(hào)無(wú)輸出，這兩種故障均會(huì)影響系統(tǒng)的正常作用。

2.4 控制器故障及影響

計(jì)算反饋偏移量和控制量，是控制器的主要作用，其由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件主要是指運(yùn)算放大器，其常見(jiàn)故障模式及影響如下所述：

①信號(hào)解算器故障：導(dǎo)致此類故障模式的原因?yàn)檫^(guò)電流和電壓，對(duì)電子元器件造成了沖擊，致使功率管損壞，無(wú)法繼續(xù)發(fā)揮作用。

故障影響：無(wú)法保證解算信號(hào)和輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性，飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

②控制器邏輯故障：此類故障產(chǎn)生的原因與信號(hào)解算故障相同，故不再做過(guò)多贅述。

故障影響：監(jiān)控出錯(cuò)、解算和輸出指令信號(hào)的準(zhǔn)確性無(wú)法得到保證，飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

③行程限制功能失效：原因與上述故障相同。

故障影響：控制器行程限制功能失效，如果故障長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)導(dǎo)致機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到損傷。

④接收指令信號(hào)錯(cuò)誤：線路板在沖擊和振動(dòng)力的影響下，出現(xiàn)接觸不良和松動(dòng)等現(xiàn)象。

故障影響：控制器對(duì)指令進(jìn)行無(wú)效放大，同時(shí)輸出不正確的信號(hào)，最終導(dǎo)致機(jī)電作動(dòng)無(wú)法正常工作。

通過(guò)上述分析可知，控制器故障模式較多，影響也十分嚴(yán)重。如果僅強(qiáng)調(diào)故障輸出，我們可以將控制器故障總結(jié)為無(wú)輸出、輸出超限和信號(hào)錯(cuò)誤等模式。

3 ?故障診斷方法

3.1 故障現(xiàn)象分類

飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)故障現(xiàn)象可以分為四個(gè)類型，如下所述：

①電機(jī)繞組短路。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量無(wú)法及時(shí)排出，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫度不斷升高，從而損壞絕緣保護(hù)，致使設(shè)備出現(xiàn)繞組短路故障。這種故障屬于常見(jiàn)故障，且影響嚴(yán)重，需要工作人員予以強(qiáng)調(diào)。

②軸承卡頓。物理因素是此類故障的成因，比如：機(jī)械摩擦、潤(rùn)滑油不足均會(huì)導(dǎo)致軸承卡頓。減速器也會(huì)因?yàn)楣收隙潭ǎ瑹o(wú)法對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)。長(zhǎng)期以往，機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)損壞。

③傳動(dòng)機(jī)間隙過(guò)大。此類故障會(huì)影響位置控制的準(zhǔn)確性，設(shè)備的指令響應(yīng)能力也會(huì)隨之減弱。導(dǎo)致此類故障的原因?yàn)榘惭b不合理、零部件精度不足以及磨損。

④載荷路徑結(jié)構(gòu)故障。減速裝置在飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，能夠降低高轉(zhuǎn)速扭矩的速度，使其性質(zhì)發(fā)生改變。為保證其作用的充分發(fā)揮，裝置的減速模式被優(yōu)化，變?yōu)榱酥饾u減速，但這種減速模式卻導(dǎo)致裝置在加工和安裝階段出現(xiàn)物理偏差，且難以規(guī)避。

3.2 故障診斷方法

飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)故障模式診斷方法為仿真分析方法，分析的重點(diǎn)對(duì)象為上述幾種典型的故障模式。主要表現(xiàn)在以下方面：

①繞組電路。假設(shè)鐵磁材料具有不飽和的磁性，同時(shí)不對(duì)磁滯影響進(jìn)行考慮，那么無(wú)刷直流電機(jī)的三相電流滿足公式：iA+iB+iC=0，同時(shí)，三相繞組也滿足公式：LA+LB+LC=L，簡(jiǎn)言之，就是不同相之間具有相同的互感。在此類故障發(fā)生之后，短路閉環(huán)會(huì)隨之產(chǎn)生。

故障產(chǎn)生后有如下表現(xiàn)：電機(jī)三相無(wú)法保持對(duì)稱的狀態(tài)，其中一路繞組電路不正常，同時(shí)存在短路和不短路繞組的現(xiàn)象。電機(jī)電感和電阻均會(huì)在故障影響下發(fā)生改變。工作人員可以在此基礎(chǔ)上，對(duì)故障影響和成因加以界定和分析。

②軸承卡頓。通過(guò)上述分析可知，軸承卡頓故障出現(xiàn)的原因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)在異物的干擾下受損，故無(wú)法起到應(yīng)有的作用。在故障的影響下，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)逐漸下降，直至為零。而解決故障的方法為加大輸出功率。我們可以基于故障模式特點(diǎn)，通過(guò)建立故障模型的方式診斷故障。模型如圖1所示。

③傳動(dòng)機(jī)間隙過(guò)大。我們可以通過(guò)死區(qū)模型的建立，診斷此類故障。數(shù)學(xué)模型如下：

在上述公式中，輸出端與負(fù)載端的相對(duì)轉(zhuǎn)角由？茲d表示，而死區(qū)函數(shù)由DB表示，單邊間隙由Ba表示。

④載荷路徑結(jié)構(gòu)故障。突變型是此類故障最顯著的特征，簡(jiǎn)言之，就是信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變，我們可以用下述模型對(duì)其進(jìn)行診斷。

在上述公式中，時(shí)間變量由f（t）表示，而隨機(jī)變量由tch表示。

在將故障錄入到上述模型后，可以得到如圖2所示的結(jié)果。

4 ?結(jié)論

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，飛控機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于民航客機(jī)的控制系統(tǒng)之中，其應(yīng)用保障了民航客機(jī)的安全性。但值得注意的是，由于這種系統(tǒng)較為復(fù)雜，其故障也呈現(xiàn)出多元化的特點(diǎn)。其中典型的故障形式包括繞組電路、軸承卡頓、傳動(dòng)機(jī)間隙過(guò)大和載荷路徑結(jié)構(gòu)故障。這些故障分別發(fā)生于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)位置器和傳感器之中，對(duì)設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行造成了不利的影響。故通過(guò)構(gòu)建仿真模型，對(duì)其故障成因及影響進(jìn)行分析，具有十分重要的意義。

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