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摘要：随着直升机应用范围逐渐扩大，人们越来越关注直升机的运行安全。故障是影响直升机运行安全的主要因素，而传动系统作为直升机主要控制系统之一，其故障诊断与处理是需要重点研究的问题。研究直升机传动系统故障诊断的意义在于准确而迅速地查找出直升机传动系统故障并排除，缩短维修时间，提高保障能力，确保飞行时间，促进预定飞行任务的圆满完成。
关键词：直升机；传动系统；故障诊断
随着直升机技术的发展以及国防建设的需要，对直升机的性能要求也越来越高。特别是，如今直升机应用的新技术越来越多，结构和系统也越来越复杂，靠常规的观察、拆卸分解等维修方式来做完全维护检查，已经很难满足战时及可靠性的要求。因此，对直升机故障诊断方法的研究显得尤为重要。当前，直升机故障诊断与直升机维修和管理技术在军事航空和商业航空方面得到了广泛的应用。在成本效益日益重视，航空市场竞争持续激烈的情况下，增强直升机安全性，减少维护费用已成为日益重要的事情。
一、直升机传动系统故障诊断
传动系统是直升机的关键系统，同时也是涉及部件较广的一个系统，它负责将发动机动力按一定的比例传递到旋翼系统等部件，以驱动旋翼旋转。在系统中，传动系统故障诊断模块主要包括对传动轴、滚动轴承、齿轮箱三个部分的故障分析和诊断。其中传动轴主要包括动力传动轴和尾传动轴两部分，齿轮箱部分主要是对主减速器和尾减速器进行信号分析。
1、传动轴故障诊断。传动轴故障主要包括传动轴的不平衡、不对中、与静止件摩擦、支撑系统连接松动和横向裂纹等，主要从时域和频域两方面的分析判断传动轴故障。时域分析主要是将时域信号画于图上，观察时域波形、轴心轨迹以及进行阈值判定；频域分析主要是进行频谱和阶次分析。阶次是指参考轴每转内发生的循环振动次数，也即振动频率与轴频之比。阶次与频率的关系为：
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其中，E为阶次，n为参考轴转速(r/min)，f为信号的振动频率。对振动信号和转速信号进行等时间采样，通过等角度插值得到等角度的离散化的一维数组，然后进行FFT变换即得到阶次分析图。主要故障特征分析判定说明如下：
(1)传动轴的不平衡：计算旋转频率的1Ω，特征为1Ω振动大，振动随转速变化明显，轴心轨迹为椭圆。
(2)传动轴的不对中：计算旋转频率的1-3Ω，特征为2Ω振动大，同时伴有1Ω和3Ω振动随转速变化明显，轴心轨迹为双环椭圆。
(3)传动轴与静止件摩擦：时域波形存在严重削波，轴心轨迹为扩散或紊乱。(4)传动轴支承系统连接松动：计算旋转频率的1-3Ω，松动方向振动增大，轴心轨迹为紊乱。
(5)传动轴横向裂纹：计算半临界点的2Ω，轴心轨迹为双环椭圆或不规则，此算法应用于发动机启停过程。
2、滚动轴承故障诊断。当滚动轴承出现局部损伤时，在受载运转过程中，轴承的其他零件会周期性地撞击损伤点，产生的冲击力激励轴承座及其支撑结构，形成一系列由冲击激励产生的减幅振荡。滚动轴承的故障特征频率即是此减幅振荡产生的频率，也称为“通过频率”，它由轴承几何尺寸、轴的转速以及损伤点的位置（即是外圈故障还是内圈故障等）确定。根据故障特征频率，可以判断轴承是否出现故障并确定故障发生的位置。此外，由于轴承在无故障运转时，其幅值分布理论上应接近于正态分布。然而随着故障的发生，其信号幅值分布也会产生变化，使得其正态曲线出现偏斜或分散。其各项时域参数也会发生变化，超过其正常范围。因此，通过计算滚动轴承振动信号中的一些时域参数，并跟经验阈值相比较，也可以反映其故障情况。其系数计算方法如下：
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3、齿轮箱故障诊断。实际工程中是没有孤立的齿轮副，所有的齿轮副都需要安装到齿轮箱中或安装到特定的支架上，还需要配以轴承或轴瓦。因此，对齿轮的故障诊断实际上是对齿轮箱的故障诊断。齿轮箱的故障诊断综合了对转子（旋转机械）、滚动轴承和齿轮故障诊断内容。其常见故障主要有齿轮不同轴、齿轮偏心、局部异常（包括齿根部有大裂纹、局部齿面磨损、齿轮折断、局部齿形误差）、齿距误差和不平衡等。没有缺陷的正常齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。时域上，正常齿轮由于刚度的影响，其波形呈现周期性的衰减，其低频信号具有近似正弦波的啮合波形；频域上，正常齿轮的信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小，同时在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波。正常齿轮的低频振动波形以及频谱分别如图所示。
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齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。
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从图中可以看出，当齿轮出现不同轴时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。同时，在频域上，由于具有不同轴故障齿轮的振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频率nfc为中心，以故障齿轮的旋转频率fr为间隔的一阶边频族。并且，故障齿轮的旋转特征频率在频谱上也有一定反映。因此，对于齿轮箱的故障诊断，可通过趋势分析、时域平均、频谱分析以及小波分析等方法，将信号加以处理和分析，提取和观察特征频率，判断齿轮箱故障。
二、直升机传动系统故障诊断策略
1、加强故障诊断管理。所谓故障诊断管理，就是充分利用各种管理智能、技术手段优化组合人、技术以及信息等诸多因素，以实现设备系统最佳状态、高效率运行及维修目的。在加强直升机传动系统故障诊断管理的过程中，基于管理标准、技术标准、管理定额以及技术档案与传动系统资料，建立状态数据库、结构库以及知识库。通过所建立的数据库，对每次巡检测试的数据进行振动幅值、轴位移、温度等参数的趋势分析、频谱分析、特征对比以及类比分析，发现直升机传动系统运行过程中的异常现象，预测直升机传动系统故障，及时调整监测策略，为直升机传动系统故障维修提供信息。此外，吸收直升机传动系统运行信号，获得故障维修后的标准谱图，为运行期间的故障诊断提供依据，并运用数据采集器对直升机传动系统故障部分进行测试，归类存储故障频谱、轨迹等特征参数，并做故障测试分析报告。
2、严格落实故障诊断制度。直升机故障诊断制度是直升机传动系统故障诊断工作的重要保障。在严格落实直升机故障诊断制度的过程中，早期诊断直升机传动系统故障征兆及原因，及时报警，采取应急措施，以杜绝直升机传动系统运行事故的发生，减少直升机传动系统故障停机损失以及非计划停机维修；长期监测直升机传动系统运行状态、工作状况，基于此，安排直升机传动系统故障诊断计划，实现状态诊断，减少诊断次数，缩短诊断时间；诊断出飞机传动系统异常原因、缺陷部位，尽早确定诊断项目，做好超前准备，防止过剩诊断，减少诊断中的等待时间。
3、提高故障诊断人员综合素质。在提高直升机传动系统故障诊断人员综合素质的过程中，配置专职直升机传动系统故障诊断技术岗位，同时，做好技术岗位人员的福利保障工作；借助新媒体向直升机传动系统故障诊断人员普及直升机传动系统故障诊断知识，大力宣传直升机传动系统故障诊断的成果，从而形成勤思考、善诊断的工作气氛。此外，定期、不定期对直升机传动系统故障检测人员进行培训与考核，以提高其故障诊断能力。
综上所述，直升机传动系统应当具备生存能力强、功率重量比高、可靠性强、维护性好等特点。直升机传动系统常见故障包括主减速故障、主旋翼轴故障、尾传动轴故障以及尾减速器故障，这些故障的具体诊断方法应当根据实际传动系统运行情况而定，而不可盲目诊断并下结论。要提高直升机传动系统故障诊断的有效性，需要在故障诊断过程中应用虚拟仿真技术、加强故障诊断管理、严格执行故障诊断制度、提高故障诊断人员的综合素质。
参考文献
[1]李巍华，朱小勇.直升机动力传动系统故障诊断方法[J].失效分析与预防，2017（2）：77-81.
[2]罗慕成，李波，林雨生.某型直升机飞控系统故障诊断的研究[J].机械研究与应用，2018，31（2）：130-133，137.
[3]张伟瑞，徐伟，李志异.某型直升机自驾仪典型故障分析与排除[J].内燃机与配件，2018（13）：167-170.