孫曉哲 ，楊珍書(shū)，陳 棒，閻 芳

(1.中國(guó)民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué),天津 300300；3.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212134)

0 引 言

多電/全電飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)(EMA)逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機(jī)。波音787的水平安定面和擾流板采用了EMA，同時(shí)EMA也應(yīng)用到起落架和環(huán)境控制系統(tǒng)[1-2]，減輕了飛機(jī)的質(zhì)量，提高了飛機(jī)的可維護(hù)性。適航規(guī)章CCAR25.671明確要求不能影響飛機(jī)安全飛行和著陸，即單個(gè)失效不能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故發(fā)生[7]。因此，作動(dòng)系統(tǒng)作為飛行控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，必須明確飛控作動(dòng)系統(tǒng)的故障模式、機(jī)理及影響。飛控EMA的符合性一般通過(guò)分析、試驗(yàn)或兩者結(jié)合來(lái)證明[3-4]。

當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)展了一些針對(duì)EMA故障模式及其影響的研究，主要集中在對(duì)飛控EMA的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了可靠性。Moog公司對(duì)系統(tǒng)中傳感器的故障模式與影響進(jìn)行了研究[5]。NASA研制了高可靠性的四冗余EMA和用于運(yùn)輸機(jī)的高功率EMA，并通過(guò)F/A-18B測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了EMA的容錯(cuò)能力[6]。NASA建造了多個(gè)測(cè)試臺(tái)用來(lái)研究新電力技術(shù)帶來(lái)的適航性和飛行安全風(fēng)險(xiǎn)，如X-57 Maxwell和混合動(dòng)力電力系統(tǒng)(HEIST)等。Parker航天公司在EMA研發(fā)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，所開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的抗干擾和容錯(cuò)性能。EMA在現(xiàn)代新型民用飛機(jī)上的應(yīng)用逐漸成熟，已成為新型電動(dòng)執(zhí)行技術(shù)的發(fā)展方向。然而，EMA是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制復(fù)雜，容易受到各種非線(xiàn)性擾動(dòng)。而且故障模式與影響之間的關(guān)系復(fù)雜：一種故障模式可能導(dǎo)致多種故障表現(xiàn)，而一種故障表現(xiàn)可能由不同的故障模式引起[7]。因此，對(duì)飛行控制EMA的故障模式和故障影響的研究，有助于故障檢測(cè)的設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)為EMA的符合性驗(yàn)證和適航審定提供技術(shù)支持。

本文在分析系統(tǒng)架構(gòu)和故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)飛控EMA的典型故障模式進(jìn)行了分析和建模。研究故障注入與影響的仿真分析方法，通過(guò)對(duì)非線(xiàn)性因素和閉環(huán)控制系統(tǒng)故障的仿真，分析相關(guān)表征故障的參數(shù)變化，梳理故障特征與模式的聯(lián)系，為EMA的適航符合性驗(yàn)證和審定提供技術(shù)支持和審查關(guān)注點(diǎn)。

1 系統(tǒng)故障模式分析

1.1 系統(tǒng)描述

飛控EMA作為位置伺服控制系統(tǒng)，可分為直線(xiàn)式與旋轉(zhuǎn)式兩類(lèi)[8]。圖1為直線(xiàn)式飛控EMA的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由作動(dòng)器電子控制裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ACE)、齒輪減速裝置、無(wú)刷直流電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM)、滾珠絲杠、傳感器等部分組成。EMA采用BLDCM，齒輪減速裝置及滾珠絲杠將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)輸入力矩轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性輸出力，驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)[10]。此外，直線(xiàn)式飛控EMA結(jié)構(gòu)利用轉(zhuǎn)速傳感器、位置傳感器反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)和位置信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖1 直線(xiàn)式飛控EMA結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)典型故障模式

針對(duì)系統(tǒng)的主要組成部件，分析系統(tǒng)典型的故障模式及發(fā)生機(jī)理。

1)電機(jī)繞組短路

飛控EMA驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組短路故障是由機(jī)械摩擦、溫升過(guò)大等因素使絕緣保護(hù)損壞而導(dǎo)致的。這類(lèi)故障發(fā)生率較高，不僅造成磁場(chǎng)形變，還導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)載運(yùn)行、器件發(fā)熱嚴(yán)重。因此，此類(lèi)故障具有重要的研究意義。

2)軸承卡頓

軸承卡頓故障的起因一般為物理因素，如潤(rùn)滑油不足、不可避免的機(jī)械摩擦等，可導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不流暢甚至停滯。故障出現(xiàn)后，減速器角度輸出保持在故障發(fā)生時(shí)刻的位置，無(wú)法跟隨指令變化。該結(jié)構(gòu)故障導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)受到破壞，輸出軸懸空，EMA輸出不再受到指令的控制，而是隨著外界負(fù)載發(fā)生變化。

3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大造成位置控制精度下降、速度響應(yīng)遲滯。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)件在制造與安裝過(guò)程中不可避免的尺寸偏差，以及運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械損耗，都是導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大產(chǎn)生的原因。此類(lèi)故障在飛控EMA中可引起齒輪咬合誤差、聯(lián)軸節(jié)的扭轉(zhuǎn)間隙、滾珠絲杠與螺母工作時(shí)的軸向間隙。

4)載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

在飛控EMA的扭矩傳遞過(guò)程中，齒輪減速裝置將BLDCM的高轉(zhuǎn)速扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大扭矩，為實(shí)現(xiàn)此功能，齒輪減速裝置設(shè)計(jì)成逐級(jí)減速模式。齒輪減速裝置的結(jié)構(gòu)決定了其在制造及安裝中存在的物理偏差是不能避免的。這將導(dǎo)致齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中更易磨損，加速老化，出現(xiàn)斷齒、齒輪脫節(jié)等狀況。最終造成減速裝置不能運(yùn)轉(zhuǎn)，載荷路徑被切斷，舵面無(wú)法接收電機(jī)輸出載荷。

2 故障建模

飛控EMA的數(shù)學(xué)建模是系統(tǒng)故障仿真和影響分析的基礎(chǔ)。飛控EMA的系統(tǒng)仿真模型示于圖2，模型包括ACE、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和BLDCM、齒輪箱、滾珠絲杠以及傳感器。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)PWM波的占空比信號(hào)控制各開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷，為電機(jī)繞組供電。速度環(huán)和位置環(huán)采用經(jīng)典PI算法進(jìn)行控制律解算，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器按照指令動(dòng)作。通過(guò)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性。同時(shí)在故障仿真中也考慮了摩擦和間隙的非線(xiàn)性特性對(duì)結(jié)果的影響。

圖2 EMA系統(tǒng)仿真模型

2.1 繞組短路

圖3 繞組短路故障

這類(lèi)故障發(fā)生時(shí)，如圖3所示，電機(jī)三相不再對(duì)稱(chēng)，除了兩相正常繞組外，故障相繞組包括短路繞組和未短路繞組。此時(shí)，電機(jī)三相繞組電感及電阻都會(huì)發(fā)生不同程度的改變。故障后的電壓平衡方程：

式中：eA(t),e0(t),eB(t),eC(t)為短路繞組、未短路繞組、兩相正常繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；i0(t)為短路繞組電流；L0,M0,R0分別為故障相繞組自感、互感與電阻。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩：

繞組自感的變化與長(zhǎng)度Lm、線(xiàn)圈內(nèi)徑D、繞組匝數(shù)N以及材料自身有關(guān)。假設(shè)電機(jī)繞組處于理想狀態(tài)下，氣隙均勻，單位面積磁導(dǎo)為μm，不考慮繞組之間的漏感，則繞組的自感、互感分別如下：

式中：ψ為繞組間交鏈磁鏈。

由磁通連續(xù)性定理可知，當(dāng)任一相出現(xiàn)匝間短路，故障相短路部分電感變化：

故障相未短路部分繞組電感變化：

式中：k為繞組受到漏磁場(chǎng)影響系數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)； 0

根據(jù)上述可知，BLDCM出現(xiàn)任一相匝間短路時(shí)，由相關(guān)參數(shù)可建立L0,L1與L之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為了進(jìn)一步剖析繞組短路對(duì)系統(tǒng)的故障影響，據(jù)此數(shù)學(xué)關(guān)系，建立該種故障模型。

2.2 軸承卡頓

減速裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)受損時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的干擾轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大、轉(zhuǎn)速為0，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。只有當(dāng)電機(jī)輸出功率能夠克服干擾負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速才能逐漸恢復(fù)。假設(shè)在任意旋轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)軸承卡頓，電機(jī)軸承卡頓故障模型如圖4所示。

圖4 電機(jī)軸承卡頓故障模型

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大導(dǎo)致在某一段輸入范圍內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出為0，類(lèi)似于死區(qū)模型。因此本文將飛控EMA中的傳動(dòng)間隙近似簡(jiǎn)化為死區(qū)模型[9]，簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：θd為輸出端與負(fù)載端的相對(duì)轉(zhuǎn)角；DB為死區(qū)函數(shù)；Ba為單邊間隙。

2.4 載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

該故障的典型特點(diǎn)為突變型，即信號(hào)突然發(fā)生跳變，其故障模型可表示：

式中：f(t)為確定系統(tǒng)屬性變化與故障發(fā)生的時(shí)間變量；tch為確定故障發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)變量。

故障注入示意如圖5所示。

圖5 載荷路徑故障注入示意圖

3 故障仿真與分析

根據(jù)以上EMA典型故障模式建模方法的研究，仿真故障注入，分析故障影響。故障結(jié)果的影響分析考慮了系統(tǒng)中非線(xiàn)性因素(如摩擦、間隙)和不同設(shè)計(jì)對(duì)故障結(jié)果的影響。

3.1 繞組短路

1.5 s時(shí)，注入A、B兩相繞組短路故障，如圖6～圖8所示，無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩在故障注入時(shí)刻產(chǎn)生波動(dòng)。

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

圖6～圖8線(xiàn)性和非線(xiàn)性仿真結(jié)果表明，故障發(fā)生后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，由于輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)，其平均值減小，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩的平均幅值減小，而非線(xiàn)性摩擦導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩偏差增大，輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，幅值約為線(xiàn)性狀態(tài)的兩倍。從BLDCM角速度仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在故障注入時(shí)具有較大的干擾和嚴(yán)重的過(guò)沖現(xiàn)象。另外，根據(jù)線(xiàn)性閉環(huán)和開(kāi)環(huán)的仿真結(jié)果，控制器的閉環(huán)調(diào)節(jié)可以抑制由于故障引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，舵面輸出基本完成作動(dòng)任務(wù)。非線(xiàn)性摩擦對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速有嚴(yán)重干擾。因此，這種故障對(duì)系統(tǒng)的影響與系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)。在適航審查時(shí)，應(yīng)將故障注入到系統(tǒng)內(nèi)部，以分析此故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響。另外，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)方，應(yīng)考慮非線(xiàn)性摩擦對(duì)控制器的影響。

3.2 軸承卡頓

1.5 s時(shí)，在電機(jī)軸承輸出軸注入軸承卡頓故障，卡阻力矩為3.5 N·m，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

由圖9～圖11可得，軸承卡頓故障對(duì)舵面輸出的影響只與干擾轉(zhuǎn)矩的嚴(yán)重程度和位置有關(guān)，考慮非線(xiàn)性的故障影響與線(xiàn)性系統(tǒng)的故障影響基本相同。另外，通過(guò)開(kāi)環(huán)分析可知，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服產(chǎn)生卡死故障的干擾轉(zhuǎn)矩。軸承卡頓的故障位置和故障力矩對(duì)故障影響起決定性作用，非線(xiàn)性因素和控制器性能對(duì)軸承卡頓沒(méi)有影響。因此，這種故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響確定，適航審查過(guò)程中從系統(tǒng)級(jí)注入故障即可。

3.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大

在4 s時(shí)，在滾珠絲杠與螺母連接處注入10倍于正常值的機(jī)械傳動(dòng)間隙過(guò)大故障。在6 s時(shí)，在表面輸出交界處注入正常值的10倍。故障仿真結(jié)果如圖12～圖14所示。

由于該故障是間隙非線(xiàn)性的一種特殊表達(dá)形式，對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中故障的影響進(jìn)行了比較分析。

由于機(jī)構(gòu)間隙，滾珠絲杠輸出有一段空程差，導(dǎo)致舵面偏轉(zhuǎn)誤差增大。此時(shí)，控制器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以補(bǔ)償故障對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。無(wú)刷直流調(diào)速與系統(tǒng)輸出存在偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，系統(tǒng)性能較差。但是，該任務(wù)仍然可以完成，故障對(duì)系統(tǒng)的影響只有在電機(jī)切換回來(lái)，系統(tǒng)反向運(yùn)行時(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)。此外，控制器可以調(diào)整故障，使其在其余時(shí)間不影響系統(tǒng)。

(a) 非線(xiàn)性

(b) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 開(kāi)環(huán)

3.4 載荷路徑結(jié)構(gòu)故障

1.5 s時(shí)，在齒輪減速裝置中注入負(fù)載路徑結(jié)構(gòu)故障，負(fù)載路徑的結(jié)構(gòu)被破壞，如圖15～圖17所示。

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

(a) 非線(xiàn)性

(b) 線(xiàn)性

(c) 開(kāi)環(huán)

電機(jī)輸出不能傳遞，系統(tǒng)輸出停滯在故障位置。電機(jī)空載并繼續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)開(kāi)環(huán)分析可以看出，齒輪箱斷開(kāi)后系統(tǒng)輸出和滾珠絲杠位移在故障時(shí)停滯不前。在系統(tǒng)負(fù)載斷開(kāi)后，電機(jī)輸出功率不變，使電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間上升，穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速下。非線(xiàn)性因素的存在和系統(tǒng)的控制器不會(huì)改變故障的影響,故障只與故障時(shí)刻有關(guān)。

3.5 結(jié)果分析

在故障仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了這四種故障模式與系統(tǒng)非線(xiàn)性因素和系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 四種模式的故障影響分析總結(jié)

適航規(guī)章25部第25.671(c)款規(guī)定系統(tǒng)發(fā)生任何故障后飛機(jī)能夠避免或減輕故障影響，保證繼續(xù)安全操縱和飛行。針對(duì)25.671(c)的符合性驗(yàn)證時(shí)需要考慮的失效類(lèi)型，適航咨詢(xún)通告AC 25.671給出了舵面的故障類(lèi)型，包括舵面卡阻、失控、振蕩、控制受限、非指令偏轉(zhuǎn)、操縱困難等。本文研究的四種故障模式中軸承卡阻和載荷路徑結(jié)構(gòu)故障對(duì)系統(tǒng)(舵面級(jí))的影響特征確定，分別為舵面卡阻和失控。而另兩種故障模式對(duì)系統(tǒng)影響不確定，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致振蕩或非指令偏轉(zhuǎn)等系統(tǒng)級(jí)故障類(lèi)型。

在對(duì)進(jìn)行故障仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)的影響，將故障模式分為兩類(lèi)，第一類(lèi)只與故障模式有關(guān)(如軸承卡阻、載荷路徑結(jié)構(gòu)故障)，第二類(lèi)同時(shí)還與非線(xiàn)性因素和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)，即不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響不同(如電機(jī)繞組短路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大)?；谝陨辖Y(jié)果，對(duì)這兩種故障模式在進(jìn)行符合性驗(yàn)證和適航審定時(shí)關(guān)注不同，第一類(lèi)故障模式的影響只與該模式相關(guān)，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)故障特征確定，故障試驗(yàn)時(shí)只需要在系統(tǒng)級(jí)(舵面)注入故障即可；第二類(lèi)與非線(xiàn)性因素和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的故障模式導(dǎo)致的系統(tǒng)級(jí)影響不確定，此類(lèi)故障必須從系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行注入試驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析EMA架構(gòu)、工作原理和故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)典型故障模式進(jìn)行了分類(lèi)和建模。

通過(guò)故障建模方法研究，開(kāi)展故障模擬注入和影響仿真分析，考慮了系統(tǒng)非線(xiàn)性(如摩擦、間隙)和不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)故障結(jié)果的影響，將本文討論的設(shè)備部件級(jí)典型故障模式同適航規(guī)章 25.671的系統(tǒng)級(jí)故障類(lèi)型建立了關(guān)系，并進(jìn)行了劃類(lèi)。同時(shí)根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)影響結(jié)果的相關(guān)因素，將故障模式分為兩類(lèi)，在進(jìn)行故障注入符合性驗(yàn)證時(shí)，只與故障模式相關(guān)的第一類(lèi)，只需在舵面級(jí)注入故障，另一類(lèi)同時(shí)還與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)，則必須從內(nèi)部進(jìn)行故障注入試驗(yàn)。本文仿真結(jié)論為EMA故障注入的適航符合性驗(yàn)證和審定提供技術(shù)支持和關(guān)注要素。