無人機傳動軸故障診斷分析與排除方法

李海超

（西安愛生技術集團有限公司，陜西 西安 710065）

引言

無人機傳動軸的作用是為無人機飛行傳動能量，而無人機傳動軸的故障產生的原因主要有兩種情況，第一種情況是無人機傳動軸在制造和安裝時存在缺陷，即無人機傳動軸在制造生產時其質量就不達標，尺寸、外形可能存在尺寸誤差，但是由于機械制造技術工藝比較成熟，大部分無人機傳動軸制造都能達到質量標準，因此這種情況基本不存在；第二種情況是因為長時間的運行，無人機傳動軸受到外界因素的影響而出現斷裂、螺栓脫落、變形等故障，這也是目前無人機傳動軸故障發生的主要原因[1]。當無人機傳動軸發生故障時，會對無人機飛行情況造成一定的影響，容易導致飛行速度減慢、動力不足、停飛等情況發生，因此對無人機傳動軸故障診斷分析與排除是非常有必要的。但是現有的方法在應用過程中診斷精度較低，不能夠滿足無人機傳動軸故障診斷分析與排除的精度需求，為此對無人機傳動軸故障診斷分析與排除方法展開研究。

1 無人機傳動軸故障診斷分析與排除方法設計

1.1 無人機傳動軸故障數據采集

本文采用AIDD58D74A 型號的轉速無線傳感器對無人機傳動軸故障數據進行采集，因為無人機傳動軸故障發生時其最直觀的故障特征區別就在于無人機傳動軸的轉速。傳動軸主要包括外圈故障、內圈故障和傳動體故障，將轉速無線傳感器安裝在無人機傳動軸的軸承內側，將其電源線路與無人機電機串聯在一起，當無人機電機驅動傳動軸時也將自動開啟轉速無線傳感器開關[2]。根據實際情況設置傳感器信號采集頻率、周期、精度和范圍等技術參數，對無人機傳動軸轉動數據信號進行采集，并將采集到的數據通過網絡接口傳輸到計算機上，對數據進行存儲。

1.2 無人機傳動軸故障診斷分析

上文提到無人機傳動軸主要故障特征為傳動軸轉速發生改變，因此以該參數為無人機傳動軸故障診斷變量，利用差值分析函數對無人機傳動軸轉速誤差進行計算，其計算公式如下：

式（1）中：v 表示無人機傳動軸轉速誤差；t 表示無人機傳動軸運行時間；s 表示無故障情況下無人機傳動軸標準轉速；st表示t 時刻無人機傳動軸轉速[3]。利用上述公式計算出無人機傳動軸轉速誤差，根據實際情況設定一個無人機傳動軸故障診斷閾值，該閾值為無人機傳動軸最大允許誤差值，將差值分析函數計算值與閾值對比，如果大于閾值則判斷此時無人機傳動軸存在故障；如果小于閾值則判斷此時無人機傳動軸運行正常，以此完成無人機傳動軸故障診斷分析。

1.3 無人機傳動軸故障診斷排除

當判斷到無人機傳動軸存在故障時，利用特征差別法對無人機傳動軸故障進行排除，確定無人機傳動軸故障類型以及故障位置。上文分析到無人機傳動軸故障主要分為內圈故障、外圈故障和傳動體故障三種，這三種故障發生時其轉速具有不同表現特征，根據無人機傳動軸歷史運行數據，獲取到三種故障發生時傳動軸轉速特征，利用以下公式對故障進行診斷排除。

式（2）中，s*表示無人機傳動軸故障時轉動頻率[4]。通常情況下，無人機傳動軸轉動頻率不會在同一飛行過程中始終保持一致。因此以85%為標準，將無人機傳動軸轉動數據帶入到上述公式中，已知某種故障轉動軸轉動頻率s*，如果公式（2）成立則判定存在的故障為該故障[5]。如果上述公式不成立，則排除該故障，帶入下一種故障轉動軸轉動頻率參數，逐一排除，從而確定無人機傳動軸故障類型和故障位置，進而完成了無人機傳動軸故障診斷分析與排除。

2 實驗論證分析

實驗以某無人機傳動軸為實驗對象，該無人機傳動軸型號為3654ADS-ASD4，滾動體直徑大小為7.5 mm，接觸角為1.25°，傳動體12 個，傳動節徑大小為45.5 mm，實驗利用此次設計方法與傳統方法對該無人機傳動軸進行故障診斷分析與排除。實驗利用電火花在該無人機傳動軸的外圈、內圈、傳動體上分別加工出直徑為0.364 5 mm、0.482 6 mm、0.941 4 mm的凹槽來模擬出傳動軸故障。將無線傳感器的采集頻率設定為13.45 Hz，采集范圍設定為50～150 mm，采集周期設定為1.5 ns。利用無線傳感器分別在外圈故障、內圈故障、傳動體故障以及正常四種運行模式下，采集到無人機傳動軸轉速為150 0 r/min、170 0 r/min、190 0 r/min、210 0 r/min、230 0 r/min 時的數據，如表1 所示。

表1 無人機傳動軸轉動頻率數據

以表1 無人機傳動軸轉動頻率數據為基礎，采用本文方法與傳統方法，分別針對不同轉速下的無人機傳動軸轉動頻率來判斷傳動軸故障位置，以此來對比不同方法的診斷效果，如表2 所示。

從表2 中數據可以看出，本文設計方法對于無人機傳動軸故障數據的分析較為準確，與表1 實際故障判斷結果一致，說明本文設計方法的診斷效果較好，在5 種不同轉速下無人機傳動軸故障的診斷中，診斷精度為100%；而傳統方法在5 種不同轉速下無人機傳動軸故障的診斷中，在無人機傳動軸轉速為1 700 r/min 與1 900 r/min 情況下出現了診斷錯誤，診斷精度為60%。為了避免實驗結果出現隨機性，因此再一次進行相同的實驗，實驗結果如表3所示。

表2 兩種方法無人機傳動軸故障診斷效果對比

表3 兩種方法無人機傳動軸故障診斷效果第二次對比

從表3 中數據可以看出，本文設計方法對于無人機傳動軸故障數據的分析依舊較為準確，診斷精度依舊與上一次實驗相同，為100%；而傳統方法在實驗無人機傳動軸轉速為1 500 r/min 與1 900 r/min情況下出現了診斷錯誤，診斷精度依舊低于本文方法。

因此實驗證明了設計方法對于無人機傳動軸故障診斷分析與排除具有較高的精度，可以準確地識別無人機傳動軸故障，能夠實現無人機傳動軸故障特征以及故障位置的診斷。

3 結語

此次結合現有研究理論，針對無人機傳動軸故障診斷分析與排除存在的問題，引入無線傳感技術、差值分析函數以及特征差別法理論，設計了一種新的排除方法，有效降低了無人機傳動軸故障錯排率，實現了對傳統方法的優化與創新。