直升機旋翼轉速指示異常故障簡析

鄒羽順 劉曉輝 馮佳陽

摘要：旋翼轉速指示異常是直升機較為常見的故障，本文針對兩起較為典型的旋翼轉速指示異常故障，從系統原理、故障現象、排除方法等多個方面進行分析并列出故障樹，為后續裝備保障提供參考。

關鍵詞：旋翼轉速；跳動；磁傳感器；主減速器

Keywords：rotor speed；vibration；magnetic sensor；main speed reducer

1 系統介紹

直升機的旋翼由主減速器帶動旋轉，旋翼的轉速也就是主減速器輸出軸的轉速，通過測量主減速器輸出軸的轉動速度即可知旋翼轉速的大小。直升機上一般包含兩套旋翼轉速測量系統：旋翼轉速第一測量系統和旋翼轉速第二測量系統。

旋翼轉速第一測量系統通過兩個旋翼轉速傳感器測量轉速信號，測量原理為：兩個旋翼轉速傳感器共軸串聯安裝在主減速器后面，由主減內部同時驅動轉速傳感器和右液壓泵的雙齒輪傳動機構帶動，產生三相交流電信號，該信號頻率與轉速成正比。其中一個傳感器直接輸出信號至旋翼轉速指示器的同步電機帶動白指針指示旋翼轉速，另一個傳感器輸出信號至轉速/槳距位置信號處理機，經運算、處理后轉換成數字信號，通過RS422A串行通信接口將轉換后的數字信號傳送至綜合顯示處理機顯示旋翼轉速NR2。

旋翼轉速第二測量系統通過一個旋翼轉速磁傳感器測量轉速信號，測量原理為：旋翼轉速磁傳感器內部有兩個具有磁性鐵心的感應線圈，正對著主減下端的音輪。當主減轉動時，音輪同時轉動，音輪齒牙依次通過磁傳感器兩個線圈的上方，由于磁路與音輪齒牙間隙周期改變，引起線圈內磁場周期變化，又由于兩個線圈所處的位置不同，故在線圈內產生兩個相位差為90°的交流電動勢，該交流電動勢的頻率與旋翼轉速成正比，即為兩個互成90°的單相交流轉速信號。該轉速信號經變換器進行單一三相變換和放大后，再經電阻盒降壓，此時三相交流電壓的頻率與單相交流轉速信號頻率相等，輸送給指示器內同步電機，帶動花指針指示旋翼轉速。另外，磁傳感器產生的兩路單相交流轉速信號，一路直接輸送至轉速/槳距位置信號處理機，經運算、處理后轉換成數字信號，通過RS422A串行通信接口將轉換后的數字信號傳送給綜合顯示處理機顯示旋翼轉速NR1，另一路作為備份。圖1、圖2是旋翼轉速指示器花指針指示原理和旋翼轉速磁傳感器作用原理圖。

正常情況下，旋翼轉速第一測量系統與旋翼轉速第二測量系統測量的轉速值應始終一致，即旋翼轉速指示器上的白指針和花指針應始終重合，綜合顯示器上的NR1和NR2數值應基本相同。實際使用過程中，旋翼轉速第一測量系統（白指針、NR2）因傳感器與主減速器是齒輪連接，產生的交流電動勢較穩定，旋翼轉速指示也較穩定，故障率低；旋翼轉速第二測量系統（花指針、NR1）主要通過音輪與磁傳感器之間切割磁力線產生的電動勢來指示旋翼轉速的大小，由于能對該信號產生干擾的因素較多，導致旋翼轉速指示不穩定的故障率較高。旋翼轉速故障屬于不可放行故障，對直升機的正常試飛有較大影響，因此需要盡快排除。

2 故障案例

以下介紹兩起曾經出現的旋翼轉速指示不穩定的故障。兩起故障的排除都耗時較長，但最終都確認了故障機理，找準了故障原因，對今后的排故工作具有較大的啟示意義。

2.1 旋翼轉速指示器花針下掉

一架某型直升機在試飛時，旋翼轉速指示器花針從207r/min突然下掉至50r/min，但此時直升機飛行姿態未發生改變，且旋翼轉速指示器內部白針指示仍為207r/min。因機上兩塊旋翼轉速指示器故障現象一樣，基本可以排除指示器的問題。按照排故程序更換了旋翼轉速磁傳感器。第二天，地面試車時旋翼轉速指示正常，飛行一個半小時左右指示仍正常，但一個半小時后旋翼指示器花針依然下掉到50r/min。更換變換器和電阻盒后再次飛行，故障仍然存在。

檢查系統線路，未發現異常。檢查旋翼轉速磁傳感器與音輪之間的間隙為1.3mm，技術文件上規定標準間隙為1.3±0.1mm。該間隙一方面是確保音輪在轉動的過程中不會與磁傳感器相碰，另一方面，該間隙的大小會直接影響磁傳感器感受到的磁力，進而影響磁傳感器產生的感應電壓，雖然直接影響轉速指示數值的是電壓頻率，但感應電壓的幅值是判別磁傳感器輸出信號是否為有效信號的依據。將磁傳感器與音輪的間隙調整為1.2mm后，故障消失。

針對旋翼轉速指示器花針下掉而白針正常的故障，單獨從附件及線路上查找較難排除。磁傳感器輸出的感應電壓幅值會隨著磁傳感器與音輪的間隙變化而變化，在同一轉速下，該間隙越小，輸出的感應電壓幅值越大。因此，為保證信號的有效性，在安裝磁傳感器時，應在保證磁傳感器與音輪不會觸碰的情況下盡可能減小其與音輪的間隙。

2.2 綜合顯示器上旋翼轉速NR1跳動

一架某型直升機在地面開車時，當發動機油門手柄由地慢推至空慢過程中，綜合顯示器上旋翼轉速NR1跳動較大。當旋翼轉速NR2指示110～180r/min，NR1最大波動到300r/min；當旋翼轉速NR2超過180r/min時，NR1基本可以和NR2保持一致；當油門達到空慢狀態時，NR1和NR2可以穩定在207r/min，但將總距提至10°左右時NR1會產生跳動，范圍在198～200r/min；空中飛行時，NR1偶爾也存在跳動現象，幅度在±20r/min左右。查看飛參，可以看到NR1的曲線與故障現象一致，如圖3所示。整個過程中，旋翼轉速指示器（機械表）上白指針和花指針指示均正常，且基本重合，無跳動。

因NR1與機械表上的花指針信號來源相同，都是磁傳感器提供，而花指針無跳動現象，所以考慮磁傳感器應無問題，更大可能是信號處理電路出了問題。NR1與花指針信號處理電路不同，前者是通過轉速/槳距位置信號處理機將磁傳感器輸出信號經運算、處理后轉換成數字信號，再傳輸給綜合顯示系統，后者是通過變換器、電阻盒將磁傳感器輸出信號經三相變換、放大、降壓后傳輸至機械表，所以首先串用了轉速/槳距位置信號處理機。第二天開車，故障現象仍然存在。

后續采取串換磁傳感器和音輪、多次調整磁傳感器與音輪的間隙、制作新電纜以及增加接地線等措施，故障仍未排除。通過采用示波器直接測量磁傳感器輸出至轉速/槳距位置信號處理機的信號，發現在推油門的過程中磁傳感器的輸出信號波形嚴重失真，如圖4所示（圖5為正常信號），該波形與NR1跳動現象吻合，可以判斷問題出在信號源。因磁傳感器及音輪已經串用過，且間隙也已多次調整，所以只可能是主減速器的原因。串用另一架直升機主減速器，再次開車后，故障消失。

主減速器內部由多個變速齒輪構成，主減速器旋翼軸直接由齒輪帶動，隨著工作時間增加，齒輪以及相關軸承會出現一定的磨損。當磨損達到一定程度后，會出現主減速器旋翼軸在旋轉時轉動不穩定、不在同一個平面的情況，致使音輪與磁傳感器之間的間隙一直在跳變，磁傳感器感受到的磁場信號不穩定，導致磁傳感器輸出信號波動。由于機械表反應較為遲鈍，指針式指示存在一定的滯后性，無法實時跟蹤旋翼轉速的變化，因此出現同一個信號源情況下數字式指示跳動而機械式指示正常的故障。

3 結束語

經過上述分析，總結出造成旋翼轉速指示異常的可能因素，如圖6所示。

旋翼轉速是衡量直升機飛行狀態是否正常的重要參數，旋翼轉速指示系統出現故障較普遍，大部分情況是系統本身附件或線路出了問題。本文介紹的兩起故障屬于比較罕見的案例，造成故障的原因較為特殊，一是由于磁傳感器的間隙引起，一是主減速器內部的旋翼轉軸引起，排查難度較大。通過對這兩起故障的分析和介紹，可幫助維修人員積累經驗，以縮短排故周期，及時保障裝備完好率。