一種直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)停車故障分析

楊子超，羅海明，余榮良

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 概述

直升機(jī)在用戶飛行過(guò)程中，綜合顯示屏顯示“3發(fā)超轉(zhuǎn)、3發(fā)停車”，主告警板“3發(fā)停車”紅色警告燈亮，并有語(yǔ)音告警。同時(shí)機(jī)組檢查該發(fā)動(dòng)機(jī)Ng、T4溫度、扭矩、滑油壓力急劇下降，1、2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)正常，判斷為3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)觸發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)，引起發(fā)動(dòng)機(jī)停車?，F(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，初步判定為轉(zhuǎn)速限制放大器誤觸發(fā)，引起3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)保護(hù)。

1 原理說(shuō)明

轉(zhuǎn)速限制放大器原理框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速限制放大器原理框圖

轉(zhuǎn)速限制放大器接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速磁傳感器的正弦信號(hào)，首先通過(guò)濾波電路濾除噪聲干擾，然后再通過(guò)信號(hào)調(diào)理濾波電路濾除音頻等干擾信號(hào)并將有效的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波頻率信號(hào)，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換將濾波后的方波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其頻率成線性關(guān)系的直流電壓輸出。信號(hào)調(diào)理放大電路通過(guò)運(yùn)算放大器完成信號(hào)的放大處理。MCU處理器完成A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)軟件對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)值進(jìn)行采集、濾波、計(jì)算及超轉(zhuǎn)判斷處理，給出兩路控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出雙通道繼電器動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)繼電器接通后控制機(jī)上啟動(dòng)箱過(guò)速繼電器及超轉(zhuǎn)指示燈，從而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)規(guī)定數(shù)值時(shí)切斷燃油供給。同時(shí)，MCU處理器通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)的監(jiān)控，判斷是工作狀態(tài)還是試驗(yàn)狀態(tài)。轉(zhuǎn)速及BIT自檢信息由MCU處理器通過(guò)RS422輸出到機(jī)電管理計(jì)算機(jī)。

軟件主要功能分為4個(gè)模塊：正弦信號(hào)頻率采集模塊、超轉(zhuǎn)控制模塊、BIT自檢模塊及RS422通訊模塊。（1）正弦信號(hào)頻率采集模塊主要包塊AD采集和濾波兩個(gè)部分。AD采集通過(guò)12位ADC控制器將代表正弦信號(hào)頻率值的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。濾波方式為單次采集多組數(shù)據(jù)，進(jìn)行冒泡排序，篩選求取平均值的方式進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果作為本次有效數(shù)據(jù)；（2）超轉(zhuǎn)控制模塊包括工作狀態(tài)判斷、超轉(zhuǎn)判斷以及控制信號(hào)輸出；（3）BIT自檢模塊主要包括輸入故障判斷、輸出故障判斷和MCU故障判斷。輸入輸出的故障判斷主要判斷控制輸出繼電器輸出一致性和工作狀態(tài)選擇繼電器的輸入輸出一致性，從而確定輸出控制功能是否故障、輸入工作狀態(tài)選擇功能是否故障。MCU故障主要通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算結(jié)果判斷MCU是否故障，通過(guò)判斷四路AD采集值范圍確定電源是否故障，通過(guò)檢查RS422輸出判斷串口是否故障等；（4）RS422通訊模塊主要包括輸出產(chǎn)品的軟件版本、軟件版本時(shí)間、產(chǎn)品號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值、工作信息、故障字等內(nèi)容。

轉(zhuǎn)速限制放大器軟件主要執(zhí)行流程：對(duì)代表正弦波信號(hào)頻率的電壓信號(hào)在主循環(huán)進(jìn)行周期AD采集，每次連續(xù)采集多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并送至超轉(zhuǎn)控制模塊和RS422通訊模塊。超轉(zhuǎn)控制模塊根據(jù)正弦信號(hào)頻率采集模塊的輸入值和工作狀態(tài)來(lái)判斷超轉(zhuǎn)控制狀態(tài)，從而輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。BIT自檢模塊在整個(gè)過(guò)程中進(jìn)行周期性自檢，并將自檢結(jié)果傳送至RS422通訊模塊。RS422通訊模塊每個(gè)通訊周期以RS422數(shù)據(jù)形式發(fā)送軟件版本號(hào)、產(chǎn)品工作信息、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值和故障字等。

2 故障分析

2.1 故障樹(shù)

針對(duì)該故障建立故障樹(shù)，如圖2所示。轉(zhuǎn)速限制放大器誤動(dòng)作故障故障樹(shù)分為線路問(wèn)題、軟件問(wèn)題、電磁干擾問(wèn)題、振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題和硬件問(wèn)題5個(gè)方面，共計(jì)15項(xiàng)故障分支。

圖2 故障樹(shù)

2.2 故障排查

地面機(jī)組人員對(duì)機(jī)上超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)線路、搭接情況、轉(zhuǎn)速限制放大器的接口進(jìn)行了檢查，機(jī)上線路和接口均正常；因此排除X1：信號(hào)線路問(wèn)題。

軟件問(wèn)題排查。（1）若軟件正弦信號(hào)采集模塊故障，則會(huì)同時(shí)發(fā)生±15V、5V、3.3V等BIT監(jiān)測(cè)電壓故障。因機(jī)上發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)品工作狀態(tài)正常，因此排除X2：正弦信號(hào)頻率采集模塊故障。（2）常溫性能測(cè)試、高溫性能測(cè)試、功能振動(dòng)測(cè)試、濕熱試驗(yàn)、可靠性測(cè)試等試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行超轉(zhuǎn)模塊功能測(cè)試，產(chǎn)品均工作正常無(wú)異常。因此排除X3：超轉(zhuǎn)控制模塊故障。（3）當(dāng)產(chǎn)品軟件FLASH存儲(chǔ)的工作狀態(tài)高門限、工作狀態(tài)低門限、試驗(yàn)狀態(tài)高門限、試驗(yàn)狀態(tài)低門限的值為異常值時(shí)，軟件BIT電路會(huì)報(bào)出FLASH故障和超轉(zhuǎn)控制模塊不能準(zhǔn)確進(jìn)行控制。而機(jī)上故障發(fā)生時(shí)，產(chǎn)品未發(fā)生FLASH故障，因此可以排除X4：FLASH存儲(chǔ)值異常故障。

電磁干擾問(wèn)題排查。(1)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，模擬機(jī)上產(chǎn)品屏蔽層連續(xù)的工作狀態(tài)，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速值參數(shù)跳變的情況，因此排除X5：輸入正弦信號(hào)受干擾問(wèn)題。(2)產(chǎn)品的工作狀態(tài)有“試驗(yàn)狀態(tài)”和“工作狀態(tài)”。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用雙余度繼電器及光耦隔離輸入，且繼電器本身不易受電磁干擾影響。試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)工作狀態(tài)受干擾的情況，因此排除X6：工作狀態(tài)受干擾。排除X7：繼電器輸出受干擾。產(chǎn)品通過(guò)MCU的IO口GPIO1和GPIO2輸出控制信號(hào)，控制2個(gè)繼電器輸出，如圖3所示。

圖3 繼電器控制輸出原理框圖

振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題排查。依據(jù)相關(guān)文件進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的可靠性摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)輸入轉(zhuǎn)速值為10700Hz，產(chǎn)品工作正常，輸出轉(zhuǎn)速值為100%±2%符合要求，未發(fā)生異常情況。在地面機(jī)組30min地面試車過(guò)程中，產(chǎn)品工作正常，未發(fā)生異常情況。因此，可以排除X8：振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題。

硬件故障排查。(1)在發(fā)生3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)空中自動(dòng)停車過(guò)程中，飛參數(shù)據(jù)以及綜合顯示系統(tǒng)均未報(bào)電源模塊故障；在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)排查聯(lián)試過(guò)程中未發(fā)生電源模塊故障，因此排除X9：電源模塊故障。（2）濾波電路發(fā)生故障以及FV轉(zhuǎn)換電路失效，為不可逆故障，而產(chǎn)品在地面30min試車以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部測(cè)試過(guò)程中均工作正常，因此排除X10:濾波電路故障、X11：FV電路故障。（3）對(duì)放大調(diào)理電路的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明，放大調(diào)理電路的參數(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，可以排除X12：放大調(diào)理電路故障。（4）當(dāng)MCU故障時(shí)，產(chǎn)品不能正常工作，且RS422信號(hào)無(wú)輸出或輸出錯(cuò)誤，同時(shí)綜合管理系統(tǒng)會(huì)報(bào)“轉(zhuǎn)速限制放大器通訊故障”，而機(jī)上發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)品工作正常，因此排除：X13：MCU電路故障。（5）在地面試車過(guò)程中，南航電子內(nèi)部常溫性能測(cè)試、高溫性能測(cè)試、功能振動(dòng)測(cè)試、濕熱試驗(yàn)、可靠性測(cè)試等試驗(yàn)過(guò)程中均未發(fā)生該故障現(xiàn)象，因此可以排除X14：繼電器控制電路故障。（6）轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品根據(jù)BIT檢測(cè)電路對(duì)BIT測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)，通常BIT檢測(cè)電路故障會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品誤發(fā)BIT故障。根據(jù)第二輪廠內(nèi)試驗(yàn)排查情況的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，用于檢測(cè)-15V電壓BIT的GF620S輸出信號(hào)異常，在1.25V和-0.7V之間跳變。GF620S在該故障模式下會(huì)使輸入單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的-15V電源BIT電壓值在1.25V和-0.7V之間跳變，影響單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的正常工作，使采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓跳變，轉(zhuǎn)速值計(jì)算值錯(cuò)誤，最終發(fā)生轉(zhuǎn)速信號(hào)跳變和誤發(fā)超轉(zhuǎn)，因此故障原因?yàn)閄15:BIT檢測(cè)電路故障。

2.3 故障小節(jié)

根據(jù)故障樹(shù)分析，3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制放大器的-15V電源BIT 檢測(cè)電路中GF620S運(yùn)放電路故障，使輸入單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的-15V電源BIT電壓值在1.25V和-0.7V之間跳變，影響單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的正常工作，使采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓跳變，轉(zhuǎn)速值計(jì)算值錯(cuò)誤，最終發(fā)生轉(zhuǎn)速信號(hào)跳變和誤發(fā)超轉(zhuǎn)。X15：BIT檢測(cè)電路故障是導(dǎo)致“3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)空中自動(dòng)停車故障”的原因。

根據(jù)可靠性試驗(yàn)譜，復(fù)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速值跳變和偶發(fā)誤報(bào)超轉(zhuǎn)信號(hào)的故障現(xiàn)象，經(jīng)排查與分析，故障由-15V電源BIT檢測(cè)電路輸出電壓異常造成。在試驗(yàn)過(guò)程中，斷開(kāi)故障BIT檢測(cè)電路輸出，施加正常BIT檢測(cè)電壓，故障消失；恢復(fù)故障BIT檢測(cè)電路連接，產(chǎn)品在高溫、高濕、振動(dòng)環(huán)境下出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速值跳變和偶發(fā)誤報(bào)超轉(zhuǎn)信號(hào)的故障現(xiàn)象，因此問(wèn)題可以復(fù)現(xiàn)。

3 機(jī)理分析

根據(jù)故障分析和問(wèn)題定位，3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)空中自動(dòng)停車問(wèn)題原因是BIT檢測(cè)電路輸出電壓異常造成。其中-15V電源BIT檢測(cè)電路如下：

圖4 —15V電源BIT檢測(cè)電路圖

該電路由分壓電路和儀表放大器GF620S組成，其中分壓電路通過(guò)-15V電源分壓得到-1.25V采樣電壓，儀表放大器GF620S構(gòu)成反相電路，將-1.25V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.25V電壓供單片機(jī)進(jìn)行采樣。

經(jīng)測(cè)試，該產(chǎn)品在高溫、高濕、振動(dòng)環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作后，儀表放大器GF620S的輸出電壓會(huì)在1.25V和-0.7V之間跳變。

單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電壓采樣范圍為0~2.5V，當(dāng)輸入電壓為-0.7V時(shí)會(huì)導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊工作異常。經(jīng)仿真，當(dāng)-15V電源BIT檢測(cè)管腳輸入-0.7V電壓時(shí)，在轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)管腳所采集的電壓至為2.5V，大于轉(zhuǎn)速信號(hào)超轉(zhuǎn)狀態(tài)（13200Hz）下的轉(zhuǎn)換電壓閾值，當(dāng)-0.7V電壓輸入時(shí)間超過(guò)3個(gè)轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)采樣周期時(shí)，轉(zhuǎn)速限制放大器會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤超轉(zhuǎn)信號(hào)。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)會(huì)隨著-15V電源BIT檢測(cè)管腳輸入的跳變而變化，因此由轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速值也會(huì)隨之發(fā)生跳變。

運(yùn)放電路故障可能由GF620S芯片故障或者電路虛焊導(dǎo)致。當(dāng)GF620S芯片故障時(shí)，其輸出電壓可能異常導(dǎo)致運(yùn)放電路故障，經(jīng)檢測(cè)與分析，GF620S運(yùn)放芯片性能正常無(wú)故障。對(duì)該件-15V電源BIT檢測(cè)部分GF620S芯片進(jìn)行管腳斷路試驗(yàn)，分別對(duì)GF620S的2、3、5管腳斷路并測(cè)試輸出，斷開(kāi)2管腳時(shí)，輸出為-0.8V，斷開(kāi)3腳時(shí)，輸出為4.12V，斷開(kāi)5腳時(shí)，輸出為400mV。其中2腳開(kāi)路的情況和該故障件的故障情況相同，模擬2腳連接不良時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況，可以復(fù)現(xiàn)誤發(fā)超轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象。

因此轉(zhuǎn)速限制放大器誤發(fā)超轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象是由-15V BIT檢測(cè)電路中GF620S芯片2管腳虛焊導(dǎo)致。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)

對(duì)轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

(1) -15V電源BIT檢測(cè)電路輸出設(shè)計(jì)增加電壓鉗位電路，可以將輸入單片機(jī)的電壓鉗位到0~3.3V，避免輸入單片機(jī)的電壓超過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的最大值造成其工作異常。

(2)當(dāng)-15V電源BIT檢測(cè)電路故障，輸出檢測(cè)電壓值持續(xù)不正確時(shí)，轉(zhuǎn)速限制放大器會(huì)報(bào)出-15V電源BIT故障。在故障狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速限制放大器認(rèn)為自身工作異常，不會(huì)對(duì)超轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行判斷，同時(shí)也不會(huì)輸出超轉(zhuǎn)信號(hào)。

(3)轉(zhuǎn)速限制放大器在后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)裝配前，對(duì)電裝工作人員做預(yù)防虛焊相關(guān)培訓(xùn)，例如保持烙鐵頭的清潔(5分鐘清洗一次烙鐵頭)、檢查焊件和焊點(diǎn)的表面光亮、焊接時(shí)焊接溫度保持在350℃，焊接時(shí)間1~3秒、焊接完成后檢查焊點(diǎn)的連接情況等。

優(yōu)化改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品按照新的環(huán)境譜進(jìn)行了兩個(gè)周期的可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速限制放大器工作正常，未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。根據(jù)-15V電源BIT檢測(cè)電路故障現(xiàn)象，對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品BIT模塊模擬注入相同故障，試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速限制放大器轉(zhuǎn)速值輸出穩(wěn)定，未發(fā)生誤發(fā)超轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

新環(huán)境譜的可靠性試驗(yàn)和BIT檢測(cè)電路故障注入試驗(yàn)的結(jié)果證明，優(yōu)化改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品，能夠解決因-15V電源BIT檢測(cè)電路輸出電壓異常導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速值跳變和誤發(fā)超轉(zhuǎn)信號(hào)的故障。

5 結(jié)論

該直升機(jī)3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)超轉(zhuǎn)停車故障由3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制放大器輸出虛假的超轉(zhuǎn)信號(hào)引起。經(jīng)過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速限制放大器產(chǎn)品原理及故障樹(shù)分析，問(wèn)題定位為轉(zhuǎn)速限制放大器BIT檢測(cè)電路故障，具體為運(yùn)放芯片GF620S的2管腳虛焊。故障定位后，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并在后續(xù)生產(chǎn)中采取了預(yù)防虛焊的焊接改善措施。