電動恒速變距螺旋槳故障分析

羅曉清

本文根據(jù)無人機電動恒速變距螺旋槳的使用實例，對設(shè)計缺陷、人為因素、電子元器件、控制軟件等因素造成的故障進行深入分析，找出故障原因并提出解決方案。

電動恒速變距螺旋槳已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大中型無人機動力系統(tǒng)。相較定距螺旋槳，它可以更顯著地提高發(fā)動機的燃油效率和螺旋槳的氣動效率。然而，電動恒速變距螺旋槳系統(tǒng)為無人機提供先進技術(shù)的同時，也面臨一些問題。因此，我們應(yīng)高度關(guān)注無人機電動恒速變距螺旋槳在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和故障，防止變距槳故障造成不必要的損失。

本文以某型號電動恒速變距螺旋槳為例，對多種型號固定翼無人機使用該型變距槳過程中出現(xiàn)的各類故障進行分析，并找出原因，保證無人機飛行安全，提高無人機的生存力，并為相關(guān)部門和人員提供參考。

故障原因分析

安裝變距螺旋槳系統(tǒng)的無人機經(jīng)歷長時間的實際飛行后，人們不斷積累經(jīng)驗、改進和完善產(chǎn)品性能，才能研制出一款高質(zhì)量的變距螺旋槳系統(tǒng)。例如，國際知名螺旋槳制造商哈澤（Hartzell）、MT、麥考利（McCAULEY）等公司已積累上百年的生產(chǎn)經(jīng)驗和實際飛行經(jīng)驗，其產(chǎn)品技術(shù)成熟，故障率很低。然而，歐美國家對華實施出口限制，國內(nèi)某些型號無人機無法使用這些知名廠家的變距螺旋槳。于是，國內(nèi)有些無人機制造商開始自研或選用較差質(zhì)量的變距螺旋槳，而這些制造商在產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)實力、生產(chǎn)和售后等方面與大品牌廠家存在一定差距，所設(shè)計的變距螺旋槳往往存在不同程度的隱性缺陷，短時間不易被發(fā)現(xiàn)，一旦振動、超載等外部條件觸發(fā)設(shè)計缺陷的邊界值，就會引發(fā)故障，最終導(dǎo)致變距螺旋槳系統(tǒng)無法正常工作，甚至造成嚴重事故。

設(shè)計缺陷

變距螺旋槳設(shè)計缺陷主要包括三個方面。

（1）在設(shè)計變距螺旋槳系統(tǒng)時，未考慮無人機在長航時工況下的零部件結(jié)構(gòu)強度。

如果槳根固定套環(huán)螺母的上緊孔徑設(shè)計過大，將造成結(jié)構(gòu)強度缺陷。某型變距槳系統(tǒng)在初始運行時并不會出現(xiàn)問題。但是，一旦變距槳系統(tǒng)長時間工作，螺母的上緊孔就會出現(xiàn)細小的疲勞裂紋。在變距槳系統(tǒng)返廠維修保養(yǎng)時，目視檢查后發(fā)現(xiàn)四處有疲勞裂紋（見圖2），經(jīng)滲透探傷檢查，也證明有裂紋存在。如果在例行檢查中忽略這一缺陷，將造成嚴重的飛行事故。所以，后期應(yīng)對孔徑加以改進，解決設(shè)計缺陷，保證無人機飛行安全。

圖2 套環(huán)螺母上緊孔出現(xiàn)的裂紋。

（2）變距絲杠螺距設(shè)計缺陷

如果絲杠螺距設(shè)計偏大，當(dāng)發(fā)動機工作時，在一定風(fēng)門情況下，槳葉氣動旋轉(zhuǎn)扭力將造成變距滑塊的位移，從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，這種情況只在手動模式下才會發(fā)生。經(jīng)分析，初步認為在手動模式下，操作員不調(diào)節(jié)槳距時，電機處于不通電的自由狀態(tài)，因此沒有鎖死力。而變距絲杠螺距過大，導(dǎo)致螺紋斜率偏大，在槳葉氣動旋轉(zhuǎn)扭力作用下，變距滑塊逐步移動，造成槳葉角的變化，從而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。雖然絲杠螺距大可以帶來螺旋槳反應(yīng)速度快的好處，但是會引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，得不償失。與德國MT公司變距槳系統(tǒng)的絲杠螺距對比后發(fā)現(xiàn)，某型號變距槳的絲杠螺距很大，前者約1.7mm，而后者約2.4mm，詳見圖3、圖4。

圖3 MT公司的變距絲杠。

圖4 某型變距絲杠。

如何解決因絲杠螺距設(shè)計缺陷造成的發(fā)動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定？筆者認為，一是減小絲杠螺紋的斜率即減小螺距，增大變距滑塊對螺紋的阻力；二是在變距過程中，對移動和旋轉(zhuǎn)部件進行定位鎖死設(shè)計，保證發(fā)動機穩(wěn)定工作。

（3）變距螺旋槳安裝和固定方式存在缺陷

變距槳系統(tǒng)的總體設(shè)計應(yīng)考慮無人機頻繁飛行和長航時飛行的特點。雖然可拆裝槳葉具有運輸方便的優(yōu)點，但是也會引發(fā)一些問題。

第一，可拆裝槳葉的定位固定軸承在反復(fù)安裝于槳轂軸承座的過程中，每次拆裝必然造成一次磨損，導(dǎo)致配合間隙增大，尤其是在長時間的工作中，振動會造成軸承孔逐漸磨損和增大，帶來的直接隱患是，整個無人機系統(tǒng)的振動量變大。

第二，槳葉拆裝對操作人員有嚴格的要求。一旦操作人員出現(xiàn)安裝錯誤，就會造成事故隱患。而固定式槳葉的變距槳系統(tǒng)，一次安裝完成后從不拆卸（除了大修），保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

第三，反復(fù)拆裝槳葉將造成槳根固定套環(huán)螺母和槳轂螺紋磨損，極大影響了槳轂和槳根部件的使用壽命。

下面介紹哈澤公司產(chǎn)品和某型號變距槳系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

第一，哈澤公司產(chǎn)品的槳根部件直接固定在槳轂殼體上，如圖5所示。優(yōu)點是無須拆卸、固定牢靠、不易松動、系統(tǒng)穩(wěn)定性高。缺點是運輸包裝尺寸大，安裝不方便。

圖5 固定式槳跟部件。

第二，某型號產(chǎn)品槳根組件可拆卸，詳見圖6。優(yōu)點是拆卸后運輸包裝尺寸小，運輸方便。缺點是組裝拆卸時對操作人員要求高，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較差。

圖6 拆裝式槳跟組件。

人為因素導(dǎo)致的故障

與許多飛行事故征候和事故一樣，一系列人為因素也將導(dǎo)致變距槳系統(tǒng)出現(xiàn)故障。為避免管理、使用、維護等過程中出現(xiàn)差錯，應(yīng)建立有效的預(yù)防措施，加強人員管理，嚴格執(zhí)行操作規(guī)范，防止故障發(fā)生。在變距槳系統(tǒng)的實際使用中，減少人為因素造成的故障最為關(guān)鍵。

（1）故障案例一

某型無人機在地面試車過程中，變距槳系統(tǒng)突然整體脫出，造成槳葉及系統(tǒng)損壞。經(jīng)現(xiàn)場事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于操作人員沒有嚴格遵守變距螺旋槳安裝使用手冊的規(guī)定，在變距槳系統(tǒng)安裝于發(fā)動機的過程中，使用同一套“洛帝牢”（Nord-Lock）防松墊片的次數(shù)達10次以上，而手冊中明確規(guī)定，“洛帝牢”防松墊片最多重復(fù)使用一次。此操作造成法蘭螺栓松動脫落，最終導(dǎo)致變距槳系統(tǒng)整體脫落，螺旋槳折斷，詳見圖7、圖8。

圖7 螺旋槳折斷。

圖8 法蘭螺栓松脫。

（2）故障案例二

由于操作人員沒有按照要求操作，未將固定螺旋槳槳葉的套環(huán)螺母上緊到位。在工作一段時間后，軸承外環(huán)和軸承座出現(xiàn)摩擦痕跡，螺紋和螺母間的潤滑脂在短時間內(nèi)發(fā)生變黑。檢查發(fā)現(xiàn)槳葉已松動。幸虧是短時間飛行，如果無人機長時間飛行，將造成重大飛行事故。

圖9 軸承外環(huán)摩擦痕跡。

（3）故障案例三

當(dāng)操作人員在地面調(diào)整某型無人機螺旋槳的槳葉角時，由于操作不當(dāng)，用力過大，調(diào)節(jié)桿端頭被防松螺母擠壓變形。在系統(tǒng)運行時，由于調(diào)節(jié)桿變形端與導(dǎo)向孔產(chǎn)生嚴重摩擦，導(dǎo)致變距電機電流過大的故障。

電子元器件故障

在電動恒速變距螺旋槳使用中，電子元器件時常發(fā)生故障。故障原因多種多樣，一方面，電子元器件廠家研制產(chǎn)品時，未考慮無人機長航時飛行工況和復(fù)雜環(huán)境條件；另一方面，平時維護不到位。

某型號電動恒速變距螺旋槳是針對輕型飛機而設(shè)計的一種產(chǎn)品，雖然符合國際輕型飛機的適航標準，但是應(yīng)用于無人機并面對長航時飛行工況，高海拔、高濕、高鹽霧環(huán)境時，某些性能指標不一定能達到標準要求，從而引發(fā)故障。

（1）故障案例一

圖10 調(diào)節(jié)桿端頭被螺母擠壓。

當(dāng)某型無人機執(zhí)行高空飛行任務(wù)時，變距系統(tǒng)的控制器發(fā)生通信中斷故障，無法操控。然而當(dāng)無人機下降到一定高度后，控制器恢復(fù)通信聯(lián)系，可正常工作。由控制軟件的數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃時，變距槳系統(tǒng)控制器的電子元器件無法工作，如果溫度上升到合適的數(shù)值，控制器可恢復(fù)正常工作。嚴格的高低溫試驗證實，該型號控制器的確存在低溫失效的情況。后來按照新標準更換控制器的電子元器件后，解決了上述問題。

（2）故障案例二

某型無人機在長時間飛行過程中，系統(tǒng)電路的電流偶爾出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。經(jīng)分析認為，可能是碳刷和滑環(huán)在工作時產(chǎn)生磨損，磨損形成具有粘性的碳粉，這些碳粉在碳刷和滑環(huán)之間不斷積累，便形成環(huán)間電阻，致使回路電流增大。

遇到這種情況，須要經(jīng)常檢查碳刷和滑環(huán)的結(jié)合面，隨時清理積碳并讓滑環(huán)表面保持干凈。

（3）故障案例三

當(dāng)某型無人機長時間飛行時，曾出現(xiàn)短暫開路故障。分析其原因，可能是變距槳系統(tǒng)控制器的接插件屬于普通矩形接插件（見圖11）。在振動環(huán)境中，接插件可能接觸不良。如果采用專用接插件，開路故障將被減少。

圖1 套環(huán)螺母。

圖11 普通矩形接插件。

上述問題的出現(xiàn)，反映了電子元器件初期可靠性設(shè)計和產(chǎn)品最終環(huán)境試驗的重要性。

控制軟件引發(fā)故障

為體現(xiàn)電動恒速變距螺旋槳的優(yōu)越性，其控制過程非常重要。一種好的控制軟件，能夠準確無誤地執(zhí)行下達的控制指令。由于某型號變距槳系統(tǒng)的控制軟件是針對輕型飛機專門開發(fā)的一種軟件，如果用于無人機，必須重新編程。不同無人機的飛行包線不同，實際飛行要求和工況也不同，因此要不斷對軟件進行升級和更新，這一過程難免出現(xiàn)錯誤。

例如，某型無人機在飛行過程中，其變距槳控制器頻繁報狀態(tài)數(shù)字6（6表示已達到大螺距限制值）和狀態(tài)數(shù)字9（9表示正在接近大螺距限制值）。根據(jù)提供的日志文件分析可知，出現(xiàn)這種情況是因為軟件問題。日志文件顯示，此控制器軟件是舊版本，該版本軟件在槳葉角大小限制方面有錯誤，當(dāng)使用新版本軟件后，問題得以解決。

總結(jié)

電動恒速變距螺旋槳集成了電子、機械、控制等多種技術(shù)。在生產(chǎn)、制造、試驗、檢測、終檢等諸多過程中，廠家通常按適航標準完成工作。只要操作人員嚴格遵守操作規(guī)范，按標準實施檢查和維護程序，發(fā)生飛行事故的概率會很小。■