多普勒天氣雷達在民航機場的使用故障案例分析及思考

李世瑾

（民航中南空管局氣象中心，廣東 廣州 510800）

1 研究背景

航班延誤一直是民眾關注的話題，而天氣原因又是造成航班延誤的重要原因，為降低天氣原因對航班造成的影響，需對中短期臨近天氣預報及預警提出更高的要求。多普勒天氣雷達作為高性能數字化雷達，是中短期臨近天氣預報及預警的重要檢測工具，它主要由雷達控制處理器（RCP）、雷達發射機（TX）、接收機（RX）、雷達信號處理器（RSP）、天線控制單元（ACU）、天饋系統、彩虹控制系統、雷達可視化監控系統等部分組成。由于多普勒天氣雷達長期處于運行狀態，各部件的運行時間較長，同時又受工作環境影響，該雷達一旦發生故障，將會對天氣監測及航班運行造成重大影響，所以為了使雷達能夠長期有效地運行，操作人員需要了解雷達各系統的工作原理，在日常維護上多下功夫，掌握其維護維修技巧，使其能夠穩定地提供氣象監測服務[1]。

2 俯仰伺服系統故障分析與處理

伺服系統的組成如圖1所示，其主要可能出現故障的部位有匯流環、旋轉變壓器、伺服控制板、伺服驅動和電機等，另外還要關注伺服電源的供電是否正常，電源、信號線纜是否因屏蔽不良受干擾等情況。

圖1 伺服系統組成

針對此類故障現象進行分析，初步定位故障原因大概分為以下方面。

（1）俯仰速率異常。天線的俯仰速率在某一時刻，可能是在半點校準的時候速率過快導致告警；也有可能是由于任務問題，在做zero check的時候時間太短，速率太快導致告警。為此觀察了幾個任務周期后，發現告警出現的俯仰角度沒有規律，速率也并沒有超限。后來嘗試調高俯仰速率的上限，仍出現告警，完全排除實際速率超限，可能是天線的EL Speed信號本身出現問題[2]。

（2）EL伺服控制板和伺服驅動故障。由于EL Speed Li m it告警由EL伺服驅動器送出，因此先對調了方位和俯仰的伺服驅動器核心板，仍出現告警；然后對調了俯仰和方位整個伺服驅動器，故障依舊；而且在測試中發現EL不動，僅是AZ轉動，且在不開高壓時，仍會出現EL Speed Limit的告警，因此這樣可以完全排除俯仰伺服驅動及伺服控制板的問題。

（3）EL伺服電機及減速箱故障。由于告警代碼主要是EL Speed Limit和EL Trailing distance，因此嘗試更換俯仰電機以及減速箱，并檢查更換下來的電機線路、外觀等，沒發現明顯問題，告警依舊。

（4）線纜及信號干擾。鑒于廠家手冊強調了EL的旋轉變壓器由8芯信號電纜傳輸，電纜屏蔽層必須接地。檢查中發現，該信號電纜屏蔽層的接地可以分為3點：EL伺服驅動器、匯流環、EL電機。其中EL伺服驅動器端接地采用壓緊方式，年代久了，出現了氧化，疑似接觸不良，因此拆開接頭，采用焊接方式加固了接地；檢查匯流環和EL電機端的接地，均正常。在明確俯仰速率確實沒有超限，懷疑故障是俯仰速率信號受到干擾引起的，如電源、其他線路信號或者是其他因素，根據相關理論，CAN線應遠離干擾源，必須遠離電流會劇烈變化的線纜，因此將俯仰箱內信號線、電源線全部整理分類，并且多次測試發現EL不動，只是AZ轉動，且在不開高壓時，也會出現告警，因此可排除線纜及信號干擾的問題。

（5）網絡傳輸和服務器故障。針對此ACU告警，懷疑故障是否為雷達網絡傳輸或服務器的問題導致。向廠家征求意見，廠家認為ACU告警與彩虹服務器或網絡傳輸無關。

（6）匯流環故障。鑒于以上所有測試情況，大家一致認為故障原因在匯流環上，同時廠家表示雷達運行10年以上時，各部件會有不同程度的磨損或老化，應該考慮及時更換。后續操作人員在匯流環故障排查過程中主要圍繞以下三個方面進行。一是匯流環接線，EL Speed信號是由伺服驅動器輸出4.7 kHz的余弦波，該余弦波通過匯流環的carrier+、carrier-送到EL旋轉變壓器，當電機轉動時，旋轉變壓器輸出的信號通過匯流環傳輸至EL伺服驅動，它包括8條信號線，4條用于測速的正余弦信號，兩條載波，兩條用于測試溫度。檢查匯流環上與俯仰速率有關接頭，發現線頭存在破損，于是重新制作了8組線頭。上述工作完成后，故障依舊。二是匯流環電刷：檢查匯流環上電刷與匯流環金屬槽的接觸情況，發現匯流環上存在磨損，在天線轉動時部分電刷針會偏離環道，在環體上留下刮痕，這也可能是天線大盤不水平導致的。同時在金屬槽上可以看到金屬粉末，可能是缺乏潤滑，導致電刷磨損。隨后拆開電刷，可明顯看到電刷上及板上沾有油污，而且天線大盤存在溢油問題。結合天線旋轉出現金屬異響，懷疑是天線水平出現了問題。方位異響，可能是由于天線水平度偏差造成傳動部件磨損引起的。三是油污污染：由于維護時加注的齒輪潤滑油較多，天線運轉時潤滑油少量溢出、揮發，從而吸附在匯流環表面，后來多次采用清潔劑清潔，仍發現大盤有溢油現象，推測可能為天線水平度有偏差，大盤密封性變差，導致潤滑油溢出。

針對上述情況，我們對匯流環及電刷表面上的油污進行了清理，多次使用醫用棉簽，配合酒精，徹底清潔所有軌道以及針腳，隨后調整了天線的水平度，并將電刷裝回，仔細檢查電刷是否與金屬槽一一對應，噴灑EML潤滑劑，故障情況有所改善。

3 思考總結

反思出現此類故障的原因，問題主要集中在匯流環上，匯流環、電刷磨損及油污污染為此ACU告警的直接原因，主要表現如下。

（1）天線平臺上可以明顯看到天線旁或者天線內部有很多油跡，大盤溢出的油吸附到電刷或匯流環上，油脂吸附灰塵銅屑，可能會影響電刷和匯流環接觸，從而引起旋轉變壓器傳回來的信號跳變，導致ACU告警。

（2）由于齒輪潤滑油較多，天線在運轉時潤滑油少量溢出、揮發，從而吸附在匯流環表面，后來多次采用清潔劑清潔，一段時間后仍發現大盤有溢油現象，推測可能為天線水平度有偏差，大盤密封性變差，導致潤滑油溢出。

（3）由于匯流環從2007年設備安裝至今，一直連續運轉，匯流環及電刷部件有不同程度的磨損，可能會影響電刷與匯流環接觸。即使所有的軌道和壓針，均看不出異常，但不排除，常年累月運行，軌道內被壓針進一步磨出了針槽，當方位轉動時，某些角度，壓針可能會跳出針槽，雖然還是在導軌內，但這種跳動可能造成信號跳變。

（4）天線大盤軸承磨損導致天線不水平，在某些角度會使電刷偏出，影響電刷與匯流環接觸。

為此在天氣雷達大修工程項目中，維護人員便對匯流環及電刷部件進行更換并調整好天線基座的水平方向，同時在此后的工作中也對天線基座固件保養及定期維護加以重視，主要涉及以下內容。

（1）更換齒輪潤滑油。在更換天線大盤齒輪潤滑油時，不僅要確定原機油油位高度，潤滑油量不能多也不能少。多了天線轉動的時候會溢出來，少了大盤齒輪潤滑不夠，會引起天線停轉、告警；在清潔機油過程中還必須非常小心，不能有任何一點的雜質溜進大盤齒輪，不然輕則留個大隱患，重則造成雷達機械故障。

（2）調整齒輪間隙。通過查詢手冊可知，天線大盤與減速箱之間的齒輪間隙，理論上應為0.05～0.075 mm，如圖2所示。調整要精細到0.05～0.075 mm。間隙大了，天線啟動、停止時的震動太大，影響雷達的安全運行；間隙小了，齒輪之間的磨損會加大，影響雷達的使用壽命。因此，在調整時要借助多種不同厚度的塞尺進行精確測量，隨時調整減速箱的緊固螺栓。

圖2 齒輪間隙

（3）定期檢查天線大盤水平方向各個螺栓的緊固情況。檢查俯仰箱內各個螺栓的緊固情況，檢查匯流環的固定螺栓緊固情況，若出現松動，進行緊固，統一緊固力度。

（4）定期檢測天線大盤軸承轉動情況。用振動檢測儀、音頻記錄儀等儀器設備，檢查天線轉動時的振動情況，記錄相應的振動數據以便進行分析、比對。

（5）年度維護時檢查、調整天線大盤水平度。采用激光水平尺、吊錘等多種手段檢測天線大盤的水平情況，檢測天線在俯仰90°情況下各主要方位角的水平情況，檢測天線在低仰角情況下各主要方位角的水平情況，根據檢測的水平情況，調整大盤基礎螺栓，適度修正大盤的水平度。

（6）必要時對大盤水平基礎空隙永久填充、水平修正。采用斜面鐵塊填充大盤下縫隙，充實空間，減少天線轉動導致的水平度變化，使天線轉動更加平穩。

4 結束語

隨著用戶對雷達產品的需求逐漸增加，為了能夠讓氣象雷達穩定地提供氣象監測服務，事實證明，通過對雷達的定期維護檢測，可以較為有效地避免雷達各部件出現故障，進而延長天氣雷達的使用壽命，因此在使用雷達工作過程中，認真做好日常維護，定期進行檢測將顯得格外重要，同時也對保障雷達的正常運行有著良好的效果?！?/p>