電動恒速變距螺旋槳故障分析

羅曉清

本文根據無人機電動恒速變距螺旋槳的使用實例，對設計缺陷、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廣泛應用于大中型無人機動力系統。相較定距螺旋槳，它可以更顯著地提高發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為無人機提供先進技術的同時，也面臨一些問題。因此，我們應高度關注無人機電動恒速變距螺旋槳在應用過程中出現的問題和故障，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，并為相關部門和人員提供參考。

故障原因分析

安裝變距螺旋槳系統的無人機經歷長時間的實際飛行后，人們不斷積累經驗、改進和完善產品性能，才能研制出一款高質量的變距螺旋槳系統。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經驗和實際飛行經驗，其產品技術成熟，故障率很低。然而，歐美國家對華實施出口限制，國內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，國內有些無人機制造商開始自研或選用較差質量的變距螺旋槳，而這些制造商在產品設計、技術實力、生產和售后等方面與大品牌廠家存在一定差距，所設計的變距螺旋槳往往存在不同程度的隱性缺陷，短時間不易被發現，一旦振動、超載等外部條件觸發設計缺陷的邊界值，就會引發故障，最終導致變距螺旋槳系統無法正常工作，甚至造成嚴重事故。

設計缺陷

變距螺旋槳設計缺陷主要包括三個方面。

（1）在設計變距螺旋槳系統時，未考慮無人機在長航時工況下的零部件結構強度。

如果槳根固定套環螺母的上緊孔徑設計過大，將造成結構強度缺陷。某型變距槳系統在初始運行時并不會出現問題。但是，一旦變距槳系統長時間工作，螺母的上緊孔就會出現細小的疲勞裂紋。在變距槳系統返廠維修保養時，目視檢查后發現四處有疲勞裂紋（見圖2），經滲透探傷檢查，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，后期應對孔徑加以改進，解決設計缺陷，保證無人機飛行安全。

圖2 套環螺母上緊孔出現的裂紋。

（2）變距絲杠螺距設計缺陷

如果絲杠螺距設計偏大，當發動機工作時，在一定風門情況下，槳葉氣動旋轉扭力將造成變距滑塊的位移，從而導致發動機轉速不穩定，這種情況只在手動模式下才會發生。經分析，初步認為在手動模式下，操作員不調節槳距時，電機處于不通電的自由狀態，因此沒有鎖死力。而變距絲杠螺距過大，導致螺紋斜率偏大，在槳葉氣動旋轉扭力作用下，變距滑塊逐步移動，造成槳葉角的變化，從而導致發動機轉速發生變化。雖然絲杠螺距大可以帶來螺旋槳反應速度快的好處，但是會引起發動機轉速不穩定，得不償失。與德國MT公司變距槳系統的絲杠螺距對比后發現，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計缺陷造成的發動機轉速不穩定？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，對移動和旋轉部件進行定位鎖死設計，保證發動機穩定工作。

（3）變距螺旋槳安裝和固定方式存在缺陷

變距槳系統的總體設計應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點，但是也會引發一些問題。

第一，可拆裝槳葉的定位固定軸承在反復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。一旦操作人員出現安裝錯誤，就會造成事故隱患。而固定式槳葉的變距槳系統，一次安裝完成后從不拆卸（除了大修），保證了系統的穩定性和安全性。

第三，反復拆裝槳葉將造成槳根固定套環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品和某型號變距槳系統的優缺點。

第一，哈澤公司產品的槳根部件直接固定在槳轂殼體上，如圖5所示。優點是無須拆卸、固定牢靠、不易松動、系統穩定性高。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，某型號產品槳根組件可拆卸，詳見圖6。優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，系統穩定性相對較差。

圖6 拆裝式槳跟組件。

人為因素導致的故障

與許多飛行事故征候和事故一樣，一系列人為因素也將導致變距槳系統出現故障。為避免管理、使用、維護等過程中出現差錯，應建立有效的預防措施，加強人員管理，嚴格執行操作規范，防止故障發生。在變距槳系統的實際使用中，減少人為因素造成的故障最為關鍵。

（1）故障案例一

某型無人機在地面試車過程中，變距槳系統突然整體脫出，造成槳葉及系統損壞。經現場事故調查發現，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定，在變距槳系統安裝于發動機的過程中，使用同一套“洛帝牢”（Nord-Lock）防松墊片的次數達10次以上，而手冊中明確規定，“洛帝牢”防松墊片最多重復使用一次。此操作造成法蘭螺栓松動脫落，最終導致變距槳系統整體脫落，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螺母上緊到位。在工作一段時間后，軸承外環和軸承座出現摩擦痕跡，螺紋和螺母間的潤滑脂在短時間內發生變黑。檢查發現槳葉已松動。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 軸承外環摩擦痕跡。

（3）故障案例三

當操作人員在地面調整某型無人機螺旋槳的槳葉角時，由于操作不當，用力過大，調節桿端頭被防松螺母擠壓變形。在系統運行時，由于調節桿變形端與導向孔產生嚴重摩擦，導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，電子元器件時常發生故障。故障原因多種多樣，一方面，電子元器件廠家研制產品時，未考慮無人機長航時飛行工況和復雜環境條件；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計的一種產品，雖然符合國際輕型飛機的適航標準，但是應用于無人機并面對長航時飛行工況，高海拔、高濕、高鹽霧環境時，某些性能指標不一定能達到標準要求，從而引發故障。

（1）故障案例一

圖10 調節桿端頭被螺母擠壓。

當某型無人機執行高空飛行任務時，變距系統的控制器發生通信中斷故障，無法操控。然而當無人機下降到一定高度后，控制器恢復通信聯系，可正常工作。由控制軟件的數據分析可知，當環境溫度低于-40℃時，變距槳系統控制器的電子元器件無法工作，如果溫度上升到合適的數值，控制器可恢復正常工作。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，系統電路的電流偶爾出現增大的現象。經分析認為，可能是碳刷和滑環在工作時產生磨損，磨損形成具有粘性的碳粉，這些碳粉在碳刷和滑環之間不斷積累，便形成環間電阻，致使回路電流增大。

遇到這種情況，須要經常檢查碳刷和滑環的結合面，隨時清理積碳并讓滑環表面保持干凈。

（3）故障案例三

當某型無人機長時間飛行時，曾出現短暫開路故障。分析其原因，可能是變距槳系統控制器的接插件屬于普通矩形接插件（見圖11）。在振動環境中，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 套環螺母。

圖11 普通矩形接插件。

上述問題的出現，反映了電子元器件初期可靠性設計和產品最終環境試驗的重要性。

控制軟件引發故障

為體現電動恒速變距螺旋槳的優越性，其控制過程非常重要。一種好的控制軟件，能夠準確無誤地執行下達的控制指令。由于某型號變距槳系統的控制軟件是針對輕型飛機專門開發的一種軟件，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數字6（6表示已達到大螺距限制值）和狀態數字9（9表示正在接近大螺距限制值）。根據提供的日志文件分析可知，出現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，當使用新版本軟件后，問題得以解決。

總結

電動恒速變距螺旋槳集成了電子、機械、控制等多種技術。在生產、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范，按標準實施檢查和維護程序，發生飛行事故的概率會很小。■