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(guān)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?qū)桨嘣斐傻挠绊?，需?duì)中短期臨近天氣預(yù)報(bào)及預(yù)警提出更高的要求。多普勒天氣雷達(dá)作為高性能數(shù)字化雷達(dá)，是中短期臨近天氣預(yù)報(bào)及預(yù)警的重要檢測(cè)工具，它主要由雷達(dá)控制處理器（RCP）、雷達(dá)發(fā)射機(jī)（TX）、接收機(jī)（RX）、雷達(dá)信號(hào)處理器（RSP）、天線控制單元（ACU）、天饋系統(tǒng)、彩虹控制系統(tǒng)、雷達(dá)可視化監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。由于多普勒天氣雷達(dá)長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)，各部件的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)又受工作環(huán)境影響，該雷達(dá)一旦發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)天氣監(jiān)測(cè)及航班運(yùn)行造成重大影響，所以為了使雷達(dá)能夠長(zhǎng)期有效地運(yùn)行，操作人員需要了解雷達(dá)各系統(tǒng)的工作原理，在日常維護(hù)上多下功夫，掌握其維護(hù)維修技巧，使其能夠穩(wěn)定地提供氣象監(jiān)測(cè)服務(wù)[1]。

2 俯仰伺服系統(tǒng)故障分析與處理

伺服系統(tǒng)的組成如圖1所示，其主要可能出現(xiàn)故障的部位有匯流環(huán)、旋轉(zhuǎn)變壓器、伺服控制板、伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)等，另外還要關(guān)注伺服電源的供電是否正常，電源、信號(hào)線纜是否因屏蔽不良受干擾等情況。

圖1 伺服系統(tǒng)組成

針對(duì)此類故障現(xiàn)象進(jìn)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(shí)刻，可能是在半點(diǎn)校準(zhǔn)的時(shí)候速率過快導(dǎo)致告警；也有可能是由于任務(wù)問題，在做zero check的時(shí)候時(shí)間太短，速率太快導(dǎo)致告警。為此觀察了幾個(gè)任務(wù)周期后，發(fā)現(xiàn)告警出現(xiàn)的俯仰角度沒有規(guī)律，速率也并沒有超限。后來嘗試調(diào)高俯仰速率的上限，仍出現(xiàn)告警，完全排除實(shí)際速率超限，可能是天線的EL Speed信號(hào)本身出現(xiàn)問題[2]。

（2）EL伺服控制板和伺服驅(qū)動(dòng)故障。由于EL Speed Li m it告警由EL伺服驅(qū)動(dòng)器送出，因此先對(duì)調(diào)了方位和俯仰的伺服驅(qū)動(dòng)器核心板，仍出現(xiàn)告警；然后對(duì)調(diào)了俯仰和方位整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，故障依舊；而且在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)EL不動(dòng)，僅是AZ轉(zhuǎn)動(dòng)，且在不開高壓時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)EL Speed Limit的告警，因此這樣可以完全排除俯仰伺服驅(qū)動(dòng)及伺服控制板的問題。

（3）EL伺服電機(jī)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(jī)以及減速箱，并檢查更換下來的電機(jī)線路、外觀等，沒發(fā)現(xiàn)明顯問題，告警依舊。

（4）線纜及信號(hào)干擾。鑒于廠家手冊(cè)強(qiáng)調(diào)了EL的旋轉(zhuǎn)變壓器由8芯信號(hào)電纜傳輸，電纜屏蔽層必須接地。檢查中發(fā)現(xiàn)，該信號(hào)電纜屏蔽層的接地可以分為3點(diǎn)：EL伺服驅(qū)動(dòng)器、匯流環(huán)、EL電機(jī)。其中EL伺服驅(qū)動(dòng)器端接地采用壓緊方式，年代久了，出現(xiàn)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(huán)和EL電機(jī)端的接地，均正常。在明確俯仰速率確實(shí)沒有超限，懷疑故障是俯仰速率信號(hào)受到干擾引起的，如電源、其他線路信號(hào)或者是其他因素，根據(jù)相關(guān)理論，CAN線應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源，必須遠(yuǎn)離電流會(huì)劇烈變化的線纜，因此將俯仰箱內(nèi)信號(hào)線、電源線全部整理分類，并且多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)EL不動(dòng)，只是AZ轉(zhuǎn)動(dòng)，且在不開高壓時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)告警，因此可排除線纜及信號(hào)干擾的問題。

（5）網(wǎng)絡(luò)傳輸和服務(wù)器故障。針對(duì)此ACU告警，懷疑故障是否為雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)傳輸或服務(wù)器的問題導(dǎo)致。向廠家征求意見，廠家認(rèn)為ACU告警與彩虹服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)傳輸無關(guān)。

（6）匯流環(huán)故障。鑒于以上所有測(cè)試情況，大家一致認(rèn)為故障原因在匯流環(huán)上，同時(shí)廠家表示雷達(dá)運(yùn)行10年以上時(shí)，各部件會(huì)有不同程度的磨損或老化，應(yīng)該考慮及時(shí)更換。后續(xù)操作人員在匯流環(huán)故障排查過程中主要圍繞以下三個(gè)方面進(jìn)行。一是匯流環(huán)接線，EL Speed信號(hào)是由伺服驅(qū)動(dòng)器輸出4.7 kHz的余弦波，該余弦波通過匯流環(huán)的carrier+、carrier-送到EL旋轉(zhuǎn)變壓器，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)通過匯流環(huán)傳輸至EL伺服驅(qū)動(dòng)，它包括8條信號(hào)線，4條用于測(cè)速的正余弦信號(hào)，兩條載波，兩條用于測(cè)試溫度。檢查匯流環(huán)上與俯仰速率有關(guān)接頭，發(fā)現(xiàn)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(huán)電刷：檢查匯流環(huán)上電刷與匯流環(huán)金屬槽的接觸情況，發(fā)現(xiàn)匯流環(huán)上存在磨損，在天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)部分電刷針會(huì)偏離環(huán)道，在環(huán)體上留下刮痕，這也可能是天線大盤不水平導(dǎo)致的。同時(shí)在金屬槽上可以看到金屬粉末，可能是缺乏潤(rùn)滑，導(dǎo)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(jié)合天線旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)金屬異響，懷疑是天線水平出現(xiàn)了問題。方位異響，可能是由于天線水平度偏差造成傳動(dòng)部件磨損引起的。三是油污污染：由于維護(hù)時(shí)加注的齒輪潤(rùn)滑油較多，天線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑油少量溢出、揮發(fā)，從而吸附在匯流環(huán)表面，后來多次采用清潔劑清潔，仍發(fā)現(xiàn)大盤有溢油現(xiàn)象，推測(cè)可能為天線水平度有偏差，大盤密封性變差，導(dǎo)致潤(rùn)滑油溢出。

針對(duì)上述情況，我們對(duì)匯流環(huán)及電刷表面上的油污進(jìn)行了清理，多次使用醫(yī)用棉簽，配合酒精，徹底清潔所有軌道以及針腳，隨后調(diào)整了天線的水平度，并將電刷裝回，仔細(xì)檢查電刷是否與金屬槽一一對(duì)應(yīng)，噴灑EML潤(rùn)滑劑，故障情況有所改善。

3 思考總結(jié)

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

（1）天線平臺(tái)上可以明顯看到天線旁或者天線內(nèi)部有很多油跡，大盤溢出的油吸附到電刷或匯流環(huán)上，油脂吸附灰塵銅屑，可能會(huì)影響電刷和匯流環(huán)接觸，從而引起旋轉(zhuǎn)變壓器傳回來的信號(hào)跳變，導(dǎo)致ACU告警。

（2）由于齒輪潤(rùn)滑油較多，天線在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)潤(rùn)滑油少量溢出、揮發(fā)，從而吸附在匯流環(huán)表面，后來多次采用清潔劑清潔，一段時(shí)間后仍發(fā)現(xiàn)大盤有溢油現(xiàn)象，推測(cè)可能為天線水平度有偏差，大盤密封性變差，導(dǎo)致潤(rùn)滑油溢出。

（3）由于匯流環(huán)從2007年設(shè)備安裝至今，一直連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，匯流環(huán)及電刷部件有不同程度的磨損，可能會(huì)影響電刷與匯流環(huán)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(yùn)行，軌道內(nèi)被壓針進(jìn)一步磨出了針槽，當(dāng)方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，某些角度，壓針可能會(huì)跳出針槽，雖然還是在導(dǎo)軌內(nèi)，但這種跳動(dòng)可能造成信號(hào)跳變。

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

為此在天氣雷達(dá)大修工程項(xiàng)目中，維護(hù)人員便對(duì)匯流環(huán)及電刷部件進(jìn)行更換并調(diào)整好天線基座的水平方向，同時(shí)在此后的工作中也對(duì)天線基座固件保養(yǎng)及定期維護(hù)加以重視，主要涉及以下內(nèi)容。

（1）更換齒輪潤(rùn)滑油。在更換天線大盤齒輪潤(rùn)滑油時(shí)，不僅要確定原機(jī)油油位高度，潤(rùn)滑油量不能多也不能少。多了天線轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)溢出來，少了大盤齒輪潤(rùn)滑不夠，會(huì)引起天線停轉(zhuǎn)、告警；在清潔機(jī)油過程中還必須非常小心，不能有任何一點(diǎn)的雜質(zhì)溜進(jìn)大盤齒輪，不然輕則留個(gè)大隱患，重則造成雷達(dá)機(jī)械故障。

（2）調(diào)整齒輪間隙。通過查詢手冊(cè)可知，天線大盤與減速箱之間的齒輪間隙，理論上應(yīng)為0.05～0.075 mm，如圖2所示。調(diào)整要精細(xì)到0.05～0.075 mm。間隙大了，天線啟動(dòng)、停止時(shí)的震動(dòng)太大，影響雷達(dá)的安全運(yùn)行；間隙小了，齒輪之間的磨損會(huì)加大，影響雷達(dá)的使用壽命。因此，在調(diào)整時(shí)要借助多種不同厚度的塞尺進(jìn)行精確測(cè)量，隨時(shí)調(diào)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(gè)螺栓的緊固情況。檢查俯仰箱內(nèi)各個(gè)螺栓的緊固情況，檢查匯流環(huán)的固定螺栓緊固情況，若出現(xiàn)松動(dòng)，進(jìn)行緊固，統(tǒng)一緊固力度。

（4）定期檢測(cè)天線大盤軸承轉(zhuǎn)動(dòng)情況。用振動(dòng)檢測(cè)儀、音頻記錄儀等儀器設(shè)備，檢查天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)情況，記錄相應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析、比對(duì)。

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

（6）必要時(shí)對(duì)大盤水平基礎(chǔ)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(shí)空間，減少天線轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的水平度變化，使天線轉(zhuǎn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

隨著用戶對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的需求逐漸增加，為了能夠讓氣象雷達(dá)穩(wěn)定地提供氣象監(jiān)測(cè)服務(wù)，事實(shí)證明，通過對(duì)雷達(dá)的定期維護(hù)檢測(cè)，可以較為有效地避免雷達(dá)各部件出現(xiàn)故障，進(jìn)而延長(zhǎng)天氣雷達(dá)的使用壽命，因此在使用雷達(dá)工作過程中，認(rèn)真做好日常維護(hù)，定期進(jìn)行檢測(cè)將顯得格外重要，同時(shí)也對(duì)保障雷達(dá)的正常運(yùn)行有著良好的效果。■