一種直升機發動機超轉停車故障分析

楊子超，羅海明，余榮良

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001）

0 概述

直升機在用戶飛行過程中，綜合顯示屏顯示“3發超轉、3發停車”，主告警板“3發停車”紅色警告燈亮，并有語音告警。同時機組檢查該發動機Ng、T4溫度、扭矩、滑油壓力急劇下降，1、2號發動機數據正常，判斷為3號發動機觸發了發動機超轉保護，引起發動機停車。現場人員進行數據分析后，初步判定為轉速限制放大器誤觸發，引起3號發動機超轉保護。

1 原理說明

轉速限制放大器原理框圖如圖1所示。

圖1 轉速限制放大器原理框圖

轉速限制放大器接收來自發動機轉速磁傳感器的正弦信號，首先通過濾波電路濾除噪聲干擾，然后再通過信號調理濾波電路濾除音頻等干擾信號并將有效的正弦信號轉化為方波頻率信號，F/V轉換將濾波后的方波頻率信號轉換為與其頻率成線性關系的直流電壓輸出。信號調理放大電路通過運算放大器完成信號的放大處理。MCU處理器完成A/D轉換，并通過軟件對轉速信號值進行采集、濾波、計算及超轉判斷處理，給出兩路控制信號驅動輸出雙通道繼電器動作。驅動繼電器接通后控制機上啟動箱過速繼電器及超轉指示燈，從而當發動機轉速超過規定數值時切斷燃油供給。同時，MCU處理器通過對工作狀態開關輸入信號的監控，判斷是工作狀態還是試驗狀態。轉速及BIT自檢信息由MCU處理器通過RS422輸出到機電管理計算機。

軟件主要功能分為4個模塊：正弦信號頻率采集模塊、超轉控制模塊、BIT自檢模塊及RS422通訊模塊。（1）正弦信號頻率采集模塊主要包塊AD采集和濾波兩個部分。AD采集通過12位ADC控制器將代表正弦信號頻率值的電壓信號轉換為數字信號。濾波方式為單次采集多組數據，進行冒泡排序，篩選求取平均值的方式進行處理，處理后的結果作為本次有效數據；（2）超轉控制模塊包括工作狀態判斷、超轉判斷以及控制信號輸出；（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、輸入工作狀態選擇功能是否故障。MCU故障主要通過簡單的運算結果判斷MCU是否故障，通過判斷四路AD采集值范圍確定電源是否故障，通過檢查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品的軟件版本、軟件版本時間、產品號、發動機轉速值、工作信息、故障字等內容。

轉速限制放大器軟件主要執行流程：對代表正弦波信號頻率的電壓信號在主循環進行周期AD采集，每次連續采集多個數據進行濾波處理，并送至超轉控制模塊和RS422通訊模塊。超轉控制模塊根據正弦信號頻率采集模塊的輸入值和工作狀態來判斷超轉控制狀態，從而輸出相應的控制信號。BIT自檢模塊在整個過程中進行周期性自檢，并將自檢結果傳送至RS422通訊模塊。RS422通訊模塊每個通訊周期以RS422數據形式發送軟件版本號、產品工作信息、發動機轉速值和故障字等。

2 故障分析

2.1 故障樹

針對該故障建立故障樹，如圖2所示。轉速限制放大器誤動作故障故障樹分為線路問題、軟件問題、電磁干擾問題、振動環境問題和硬件問題5個方面，共計15項故障分支。

圖2 故障樹

2.2 故障排查

地面機組人員對機上超轉保護系統線路、搭接情況、轉速限制放大器的接口進行了檢查，機上線路和接口均正常；因此排除X1：信號線路問題。

軟件問題排查。（1）若軟件正弦信號采集模塊故障，則會同時發生±15V、5V、3.3V等BIT監測電壓故障。因機上發生故障時，產品工作狀態正常，因此排除X2：正弦信號頻率采集模塊故障。（2）常溫性能測試、高溫性能測試、功能振動測試、濕熱試驗、可靠性測試等試驗過程中，進行超轉模塊功能測試，產品均工作正常無異常。因此排除X3：超轉控制模塊故障。（3）當產品軟件FLASH存儲的工作狀態高門限、工作狀態低門限、試驗狀態高門限、試驗狀態低門限的值為異常值時，軟件BIT電路會報出FLASH故障和超轉控制模塊不能準確進行控制。而機上故障發生時，產品未發生FLASH故障，因此可以排除X4：FLASH存儲值異常故障。

電磁干擾問題排查。(1)實驗室進行電磁兼容試驗，模擬機上產品屏蔽層連續的工作狀態，未出現轉速值參數跳變的情況，因此排除X5：輸入正弦信號受干擾問題。(2)產品的工作狀態有“試驗狀態”和“工作狀態”。產品設計時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。試驗時未出現工作狀態受干擾的情況，因此排除X6：工作狀態受干擾。排除X7：繼電器輸出受干擾。產品通過MCU的IO口GPIO1和GPIO2輸出控制信號，控制2個繼電器輸出，如圖3所示。

圖3 繼電器控制輸出原理框圖

振動環境問題排查。依據相關文件進行一個循環的可靠性摸底試驗。試驗過程中調節輸入轉速值為10700Hz，產品工作正常，輸出轉速值為100%±2%符合要求，未發生異常情況。在地面機組30min地面試車過程中，產品工作正常，未發生異常情況。因此，可以排除X8：振動環境問題。

硬件故障排查。(1)在發生3號發動機空中自動停車過程中，飛參數據以及綜合顯示系統均未報電源模塊故障；在現場試驗排查聯試過程中未發生電源模塊故障，因此排除X9：電源模塊故障。（2）濾波電路發生故障以及FV轉換電路失效，為不可逆故障，而產品在地面30min試車以及實驗室內部測試過程中均工作正常，因此排除X10:濾波電路故障、X11：FV電路故障。（3）對放大調理電路的詳細參數進行測量，測量結果表明，放大調理電路的參數指標符合設計要求，可以排除X12：放大調理電路故障。（4）當MCU故障時，產品不能正常工作，且RS422信號無輸出或輸出錯誤，同時綜合管理系統會報“轉速限制放大器通訊故障”，而機上發生故障時，產品工作正常，因此排除：X13：MCU電路故障。（5）在地面試車過程中，南航電子內部常溫性能測試、高溫性能測試、功能振動測試、濕熱試驗、可靠性測試等試驗過程中均未發生該故障現象，因此可以排除X14：繼電器控制電路故障。（6）轉速限制放大器產品根據BIT檢測電路對BIT測試項進行檢測，通常BIT檢測電路故障會導致產品誤發BIT故障。根據第二輪廠內試驗排查情況的試驗結果分析可知，用于檢測-15V電壓BIT的GF620S輸出信號異常，在1.25V和-0.7V之間跳變。GF620S在該故障模式下會使輸入單片機模數轉換模塊的-15V電源BIT電壓值在1.25V和-0.7V之間跳變，影響單片機模數轉換模塊的正常工作，使采集的轉速信號電壓跳變，轉速值計算值錯誤，最終發生轉速信號跳變和誤發超轉，因此故障原因為X15:BIT檢測電路故障。

2.3 故障小節

根據故障樹分析，3號發動機轉速限制放大器的-15V電源BIT 檢測電路中GF620S運放電路故障，使輸入單片機模數轉換模塊的-15V電源BIT電壓值在1.25V和-0.7V之間跳變，影響單片機模數轉換模塊的正常工作，使采集的轉速信號電壓跳變，轉速值計算值錯誤，最終發生轉速信號跳變和誤發超轉。X15：BIT檢測電路故障是導致“3號發動機空中自動停車故障”的原因。

根據可靠性試驗譜，復現了轉速值跳變和偶發誤報超轉信號的故障現象，經排查與分析，故障由-15V電源BIT檢測電路輸出電壓異常造成。在試驗過程中，斷開故障BIT檢測電路輸出，施加正常BIT檢測電壓，故障消失；恢復故障BIT檢測電路連接，產品在高溫、高濕、振動環境下出現了轉速值跳變和偶發誤報超轉信號的故障現象，因此問題可以復現。

3 機理分析

根據故障分析和問題定位，3號發動機空中自動停車問題原因是BIT檢測電路輸出電壓異常造成。其中-15V電源BIT檢測電路如下：

圖4 —15V電源BIT檢測電路圖

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-15V電源分壓得到-1.25V采樣電壓，儀表放大器GF620S構成反相電路，將-1.25V電壓轉變為1.25V電壓供單片機進行采樣。

經測試，該產品在高溫、高濕、振動環境下長時間工作后，儀表放大器GF620S的輸出電壓會在1.25V和-0.7V之間跳變。

單片機模數轉換模塊的電壓采樣范圍為0~2.5V，當輸入電壓為-0.7V時會導致模數轉換模塊工作異常。經仿真，當-15V電源BIT檢測管腳輸入-0.7V電壓時，在轉速電壓信號管腳所采集的電壓至為2.5V，大于轉速信號超轉狀態（13200Hz）下的轉換電壓閾值，當-0.7V電壓輸入時間超過3個轉速電壓信號采樣周期時，轉速限制放大器會發出錯誤超轉信號。同時，由于轉速電壓信號會隨著-15V電源BIT檢測管腳輸入的跳變而變化，因此由轉速電壓信號計算出的轉速值也會隨之發生跳變。

運放電路故障可能由GF620S芯片故障或者電路虛焊導致。當GF620S芯片故障時，其輸出電壓可能異常導致運放電路故障，經檢測與分析，GF620S運放芯片性能正常無故障。對該件-15V電源BIT檢測部分GF620S芯片進行管腳斷路試驗，分別對GF620S的2、3、5管腳斷路并測試輸出，斷開2管腳時，輸出為-0.8V，斷開3腳時，輸出為4.12V，斷開5腳時，輸出為400mV。其中2腳開路的情況和該故障件的故障情況相同，模擬2腳連接不良時斷時續的情況，可以復現誤發超轉的故障現象。

因此轉速限制放大器誤發超轉的故障現象是由-15V BIT檢測電路中GF620S芯片2管腳虛焊導致。

4 設計改進

對轉速限制放大器產品進行優化改進：

(1) -15V電源BIT檢測電路輸出設計增加電壓鉗位電路，可以將輸入單片機的電壓鉗位到0~3.3V，避免輸入單片機的電壓超過模數轉換模塊的最大值造成其工作異常。

(2)當-15V電源BIT檢測電路故障，輸出檢測電壓值持續不正確時，轉速限制放大器會報出-15V電源BIT故障。在故障狀態下，轉速限制放大器認為自身工作異常，不會對超轉信號進行判斷，同時也不會輸出超轉信號。

(3)轉速限制放大器在后續產品生產裝配前，對電裝工作人員做預防虛焊相關培訓，例如保持烙鐵頭的清潔(5分鐘清洗一次烙鐵頭)、檢查焊件和焊點的表面光亮、焊接時焊接溫度保持在350℃，焊接時間1~3秒、焊接完成后檢查焊點的連接情況等。

優化改進后的轉速限制放大器產品按照新的環境譜進行了兩個周期的可靠性試驗，試驗過程中轉速限制放大器工作正常，未出現故障現象。根據-15V電源BIT檢測電路故障現象，對優化改進后轉速限制放大器產品BIT模塊模擬注入相同故障，試驗過程中轉速限制放大器轉速值輸出穩定，未發生誤發超轉現象。

新環境譜的可靠性試驗和BIT檢測電路故障注入試驗的結果證明，優化改進后的轉速限制放大器產品，能夠解決因-15V電源BIT檢測電路輸出電壓異常導致的轉速值跳變和誤發超轉信號的故障。

5 結論

該直升機3號發動機超轉停車故障由3號發動機轉速限制放大器輸出虛假的超轉信號引起。經過對轉速限制放大器產品原理及故障樹分析，問題定位為轉速限制放大器BIT檢測電路故障，具體為運放芯片GF620S的2管腳虛焊。故障定位后，對電路設計進行了優化改進，并在后續生產中采取了預防虛焊的焊接改善措施。