一种直升机发动机超转停车故障分析

2022-04-12杨子超罗海明余荣良

电子制作 2022年7期

杨子超，罗海明，余荣良

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）

0 概述

直升机在用户飞行过程中，综合显示屏显示“3发超转、3发停车”，主告警板“3发停车”红色警告灯亮，并有语音告警。同时机组检查该发动机Ng、T4温度、扭矩、滑油压力急剧下降，1、2号发动机数据正常，判断为3号发动机触发了发动机超转保护，引起发动机停车。现场人员进行数据分析后，初步判定为转速限制放大器误触发，引起3号发动机超转保护。

1 原理说明

转速限制放大器原理框图如图1所示。

图1 转速限制放大器原理框图

转速限制放大器接收来自发动机转速磁传感器的正弦信号，首先通过滤波电路滤除噪声干扰，然后再通过信号调理滤波电路滤除音频等干扰信号并将有效的正弦信号转化为方波频率信号，F/V转换将滤波后的方波频率信号转换为与其频率成线性关系的直流电压输出。信号调理放大电路通过运算放大器完成信号的放大处理。MCU处理器完成A/D转换，并通过软件对转速信号值进行采集、滤波、计算及超转判断处理，给出两路控制信号驱动输出双通道继电器动作。驱动继电器接通后控制机上启动箱过速继电器及超转指示灯，从而当发动机转速超过规定数值时切断燃油供给。同时，MCU处理器通过对工作状态开关输入信号的监控，判断是工作状态还是试验状态。转速及BIT自检信息由MCU处理器通过RS422输出到机电管理计算机。

软件主要功能分为4个模块：正弦信号频率采集模块、超转控制模块、BIT自检模块及RS422通讯模块。（1）正弦信号频率采集模块主要包块AD采集和滤波两个部分。AD采集通过12位ADC控制器将代表正弦信号频率值的电压信号转换为数字信号。滤波方式为单次采集多组数据，进行冒泡排序，筛选求取平均值的方式进行处理，处理后的结果作为本次有效数据；（2）超转控制模块包括工作状态判断、超转判断以及控制信号输出；（3）BIT自检模块主要包括输入故障判断、输出故障判断和MCU故障判断。输入输出的故障判断主要判断控制输出继电器输出一致性和工作状态选择继电器的输入输出一致性，从而确定输出控制功能是否故障、输入工作状态选择功能是否故障。MCU故障主要通过简单的运算结果判断MCU是否故障，通过判断四路AD采集值范围确定电源是否故障，通过检查RS422输出判断串口是否故障等；（4）RS422通讯模块主要包括输出产品的软件版本、软件版本时间、产品号、发动机转速值、工作信息、故障字等内容。

转速限制放大器软件主要执行流程：对代表正弦波信号频率的电压信号在主循环进行周期AD采集，每次连续采集多个数据进行滤波处理，并送至超转控制模块和RS422通讯模块。超转控制模块根据正弦信号频率采集模块的输入值和工作状态来判断超转控制状态，从而输出相应的控制信号。BIT自检模块在整个过程中进行周期性自检，并将自检结果传送至RS422通讯模块。RS422通讯模块每个通讯周期以RS422数据形式发送软件版本号、产品工作信息、发动机转速值和故障字等。

2 故障分析

2.1 故障树

针对该故障建立故障树，如图2所示。转速限制放大器误动作故障故障树分为线路问题、软件问题、电磁干扰问题、振动环境问题和硬件问题5个方面，共计15项故障分支。

图2 故障树

2.2 故障排查

地面机组人员对机上超转保护系统线路、搭接情况、转速限制放大器的接口进行了检查，机上线路和接口均正常；因此排除X1：信号线路问题。

软件问题排查。（1）若软件正弦信号采集模块故障，则会同时发生±15V、5V、3.3V等BIT监测电压故障。因机上发生故障时，产品工作状态正常，因此排除X2：正弦信号频率采集模块故障。（2）常温性能测试、高温性能测试、功能振动测试、湿热试验、可靠性测试等试验过程中，进行超转模块功能测试，产品均工作正常无异常。因此排除X3：超转控制模块故障。（3）当产品软件FLASH存储的工作状态高门限、工作状态低门限、试验状态高门限、试验状态低门限的值为异常值时，软件BIT电路会报出FLASH故障和超转控制模块不能准确进行控制。而机上故障发生时，产品未发生FLASH故障，因此可以排除X4：FLASH存储值异常故障。

电磁干扰问题排查。(1)实验室进行电磁兼容试验，模拟机上产品屏蔽层连续的工作状态，未出现转速值参数跳变的情况，因此排除X5：输入正弦信号受干扰问题。(2)产品的工作状态有“试验状态”和“工作状态”。产品设计时采用双余度继电器及光耦隔离输入，且继电器本身不易受电磁干扰影响。试验时未出现工作状态受干扰的情况，因此排除X6：工作状态受干扰。排除X7：继电器输出受干扰。产品通过MCU的IO口GPIO1和GPIO2输出控制信号，控制2个继电器输出，如图3所示。

图3 继电器控制输出原理框图

振动环境问题排查。依据相关文件进行一个循环的可靠性摸底试验。试验过程中调节输入转速值为10700Hz，产品工作正常，输出转速值为100%±2%符合要求，未发生异常情况。在地面机组30min地面试车过程中，产品工作正常，未发生异常情况。因此，可以排除X8：振动环境问题。

硬件故障排查。(1)在发生3号发动机空中自动停车过程中，飞参数据以及综合显示系统均未报电源模块故障；在现场试验排查联试过程中未发生电源模块故障，因此排除X9：电源模块故障。（2）滤波电路发生故障以及FV转换电路失效，为不可逆故障，而产品在地面30min试车以及实验室内部测试过程中均工作正常，因此排除X10:滤波电路故障、X11：FV电路故障。（3）对放大调理电路的详细参数进行测量，测量结果表明，放大调理电路的参数指标符合设计要求，可以排除X12：放大调理电路故障。（4）当MCU故障时，产品不能正常工作，且RS422信号无输出或输出错误，同时综合管理系统会报“转速限制放大器通讯故障”，而机上发生故障时，产品工作正常，因此排除：X13：MCU电路故障。（5）在地面试车过程中，南航电子内部常温性能测试、高温性能测试、功能振动测试、湿热试验、可靠性测试等试验过程中均未发生该故障现象，因此可以排除X14：继电器控制电路故障。（6）转速限制放大器产品根据BIT检测电路对BIT测试项进行检测，通常BIT检测电路故障会导致产品误发BIT故障。根据第二轮厂内试验排查情况的试验结果分析可知，用于检测-15V电压BIT的GF620S输出信号异常，在1.25V和-0.7V之间跳变。GF620S在该故障模式下会使输入单片机模数转换模块的-15V电源BIT电压值在1.25V和-0.7V之间跳变，影响单片机模数转换模块的正常工作，使采集的转速信号电压跳变，转速值计算值错误，最终发生转速信号跳变和误发超转，因此故障原因为X15:BIT检测电路故障。

2.3 故障小节

根据故障树分析，3号发动机转速限制放大器的-15V电源BIT 检测电路中GF620S运放电路故障，使输入单片机模数转换模块的-15V电源BIT电压值在1.25V和-0.7V之间跳变，影响单片机模数转换模块的正常工作，使采集的转速信号电压跳变，转速值计算值错误，最终发生转速信号跳变和误发超转。X15：BIT检测电路故障是导致“3号发动机空中自动停车故障”的原因。

根据可靠性试验谱，复现了转速值跳变和偶发误报超转信号的故障现象，经排查与分析，故障由-15V电源BIT检测电路输出电压异常造成。在试验过程中，断开故障BIT检测电路输出，施加正常BIT检测电压，故障消失；恢复故障BIT检测电路连接，产品在高温、高湿、振动环境下出现了转速值跳变和偶发误报超转信号的故障现象，因此问题可以复现。

3 机理分析

根据故障分析和问题定位，3号发动机空中自动停车问题原因是BIT检测电路输出电压异常造成。其中-15V电源BIT检测电路如下：

图4 —15V电源BIT检测电路图

该电路由分压电路和仪表放大器GF620S组成，其中分压电路通过-15V电源分压得到-1.25V采样电压，仪表放大器GF620S构成反相电路，将-1.25V电压转变为1.25V电压供单片机进行采样。

经测试，该产品在高温、高湿、振动环境下长时间工作后，仪表放大器GF620S的输出电压会在1.25V和-0.7V之间跳变。

单片机模数转换模块的电压采样范围为0~2.5V，当输入电压为-0.7V时会导致模数转换模块工作异常。经仿真，当-15V电源BIT检测管脚输入-0.7V电压时，在转速电压信号管脚所采集的电压至为2.5V，大于转速信号超转状态（13200Hz）下的转换电压阈值，当-0.7V电压输入时间超过3个转速电压信号采样周期时，转速限制放大器会发出错误超转信号。同时，由于转速电压信号会随着-15V电源BIT检测管脚输入的跳变而变化，因此由转速电压信号计算出的转速值也会随之发生跳变。

运放电路故障可能由GF620S芯片故障或者电路虚焊导致。当GF620S芯片故障时，其输出电压可能异常导致运放电路故障，经检测与分析，GF620S运放芯片性能正常无故障。对该件-15V电源BIT检测部分GF620S芯片进行管脚断路试验，分别对GF620S的2、3、5管脚断路并测试输出，断开2管脚时，输出为-0.8V，断开3脚时，输出为4.12V，断开5脚时，输出为400mV。其中2脚开路的情况和该故障件的故障情况相同，模拟2脚连接不良时断时续的情况，可以复现误发超转的故障现象。

因此转速限制放大器误发超转的故障现象是由-15V BIT检测电路中GF620S芯片2管脚虚焊导致。