电动恒速变距螺旋桨故障分析

罗晓清

本文根据无人机电动恒速变距螺旋桨的使用实例，对设计缺陷、人为因素、电子元器件、控制软件等因素造成的故障进行深入分析，找出故障原因并提出解决方案。

电动恒速变距螺旋桨已经广泛应用于大中型无人机动力系统。相较定距螺旋桨，它可以更显著地提高发动机的燃油效率和螺旋桨的气动效率。然而，电动恒速变距螺旋桨系统为无人机提供先进技术的同时，也面临一些问题。因此，我们应高度关注无人机电动恒速变距螺旋桨在应用过程中出现的问题和故障，防止变距桨故障造成不必要的损失。

本文以某型号电动恒速变距螺旋桨为例，对多种型号固定翼无人机使用该型变距桨过程中出现的各类故障进行分析，并找出原因，保证无人机飞行安全，提高无人机的生存力，并为相关部门和人员提供参考。

故障原因分析

安装变距螺旋桨系统的无人机经历长时间的实际飞行后，人们不断积累经验、改进和完善产品性能，才能研制出一款高质量的变距螺旋桨系统。例如，国际知名螺旋桨制造商哈泽（Hartzell）、MT、麦考利（McCAULEY）等公司已积累上百年的生产经验和实际飞行经验，其产品技术成熟，故障率很低。然而，欧美国家对华实施出口限制，国内某些型号无人机无法使用这些知名厂家的变距螺旋桨。于是，国内有些无人机制造商开始自研或选用较差质量的变距螺旋桨，而这些制造商在产品设计、技术实力、生产和售后等方面与大品牌厂家存在一定差距，所设计的变距螺旋桨往往存在不同程度的隐性缺陷，短时间不易被发现，一旦振动、超载等外部条件触发设计缺陷的边界值，就会引发故障，最终导致变距螺旋桨系统无法正常工作，甚至造成严重事故。

设计缺陷

变距螺旋桨设计缺陷主要包括三个方面。

（1）在设计变距螺旋桨系统时，未考虑无人机在长航时工况下的零部件结构强度。

如果桨根固定套环螺母的上紧孔径设计过大，将造成结构强度缺陷。某型变距桨系统在初始运行时并不会出现问题。但是，一旦变距桨系统长时间工作，螺母的上紧孔就会出现细小的疲劳裂纹。在变距桨系统返厂维修保养时，目视检查后发现四处有疲劳裂纹（见图2），经渗透探伤检查，也证明有裂纹存在。如果在例行检查中忽略这一缺陷，将造成严重的飞行事故。所以，后期应对孔径加以改进，解决设计缺陷，保证无人机飞行安全。

图2 套环螺母上紧孔出现的裂纹。

（2）变距丝杠螺距设计缺陷

如果丝杠螺距设计偏大，当发动机工作时，在一定风门情况下，桨叶气动旋转扭力将造成变距滑块的位移，从而导致发动机转速不稳定，这种情况只在手动模式下才会发生。经分析，初步认为在手动模式下，操作员不调节桨距时，电机处于不通电的自由状态，因此没有锁死力。而变距丝杠螺距过大，导致螺纹斜率偏大，在桨叶气动旋转扭力作用下，变距滑块逐步移动，造成桨叶角的变化，从而导致发动机转速发生变化。虽然丝杠螺距大可以带来螺旋桨反应速度快的好处，但是会引起发动机转速不稳定，得不偿失。与德国MT公司变距桨系统的丝杠螺距对比后发现，某型号变距桨的丝杠螺距很大，前者约1.7mm，而后者约2.4mm，详见图3、图4。

图3 MT公司的变距丝杠。

图4 某型变距丝杠。

如何解决因丝杠螺距设计缺陷造成的发动机转速不稳定？笔者认为，一是减小丝杠螺纹的斜率即减小螺距，增大变距滑块对螺纹的阻力；二是在变距过程中，对移动和旋转部件进行定位锁死设计，保证发动机稳定工作。

（3）变距螺旋桨安装和固定方式存在缺陷

变距桨系统的总体设计应考虑无人机频繁飞行和长航时飞行的特点。虽然可拆装桨叶具有运输方便的优点，但是也会引发一些问题。

第一，可拆装桨叶的定位固定轴承在反复安装于桨毂轴承座的过程中，每次拆装必然造成一次磨损，导致配合间隙增大，尤其是在长时间的工作中，振动会造成轴承孔逐渐磨损和增大，带来的直接隐患是，整个无人机系统的振动量变大。

第二，桨叶拆装对操作人员有严格的要求。一旦操作人员出现安装错误，就会造成事故隐患。而固定式桨叶的变距桨系统，一次安装完成后从不拆卸（除了大修），保证了系统的稳定性和安全性。

第三，反复拆装桨叶将造成桨根固定套环螺母和桨毂螺纹磨损，极大影响了桨毂和桨根部件的使用寿命。

下面介绍哈泽公司产品和某型号变距桨系统的优缺点。

第一，哈泽公司产品的桨根部件直接固定在桨毂壳体上，如图5所示。优点是无须拆卸、固定牢靠、不易松动、系统稳定性高。缺点是运输包装尺寸大，安装不方便。

图5 固定式桨跟部件。

第二，某型号产品桨根组件可拆卸，详见图6。优点是拆卸后运输包装尺寸小，运输方便。缺点是组装拆卸时对操作人员要求高，系统稳定性相对较差。

图6 拆装式桨跟组件。

人为因素导致的故障

与许多飞行事故征候和事故一样，一系列人为因素也将导致变距桨系统出现故障。为避免管理、使用、维护等过程中出现差错，应建立有效的预防措施，加强人员管理，严格执行操作规范，防止故障发生。在变距桨系统的实际使用中，减少人为因素造成的故障最为关键。

（1）故障案例一

某型无人机在地面试车过程中，变距桨系统突然整体脱出，造成桨叶及系统损坏。经现场事故调查发现，由于操作人员没有严格遵守变距螺旋桨安装使用手册的规定，在变距桨系统安装于发动机的过程中，使用同一套“洛帝牢”（Nord-Lock）防松垫片的次数达10次以上，而手册中明确规定，“洛帝牢”防松垫片最多重复使用一次。此操作造成法兰螺栓松动脱落，最终导致变距桨系统整体脱落，螺旋桨折断，详见图7、图8。

图7 螺旋桨折断。

图8 法兰螺栓松脱。

（2）故障案例二

由于操作人员没有按照要求操作，未将固定螺旋桨桨叶的套环螺母上紧到位。在工作一段时间后，轴承外环和轴承座出现摩擦痕迹，螺纹和螺母间的润滑脂在短时间内发生变黑。检查发现桨叶已松动。幸亏是短时间飞行，如果无人机长时间飞行，将造成重大飞行事故。

图9 轴承外环摩擦痕迹。

（3）故障案例三

当操作人员在地面调整某型无人机螺旋桨的桨叶角时，由于操作不当，用力过大，调节杆端头被防松螺母挤压变形。在系统运行时，由于调节杆变形端与导向孔产生严重摩擦，导致变距电机电流过大的故障。

电子元器件故障

在电动恒速变距螺旋桨使用中，电子元器件时常发生故障。故障原因多种多样，一方面，电子元器件厂家研制产品时，未考虑无人机长航时飞行工况和复杂环境条件；另一方面，平时维护不到位。

某型号电动恒速变距螺旋桨是针对轻型飞机而设计的一种产品，虽然符合国际轻型飞机的适航标准，但是应用于无人机并面对长航时飞行工况，高海拔、高湿、高盐雾环境时，某些性能指标不一定能达到标准要求，从而引发故障。

（1）故障案例一

图10 调节杆端头被螺母挤压。

当某型无人机执行高空飞行任务时，变距系统的控制器发生通信中断故障，无法操控。然而当无人机下降到一定高度后，控制器恢复通信联系，可正常工作。由控制软件的数据分析可知，当环境温度低于-40℃时，变距桨系统控制器的电子元器件无法工作，如果温度上升到合适的数值，控制器可恢复正常工作。严格的高低温试验证实，该型号控制器的确存在低温失效的情况。后来按照新标准更换控制器的电子元器件后，解决了上述问题。

（2）故障案例二

某型无人机在长时间飞行过程中，系统电路的电流偶尔出现增大的现象。经分析认为，可能是碳刷和滑环在工作时产生磨损，磨损形成具有粘性的碳粉，这些碳粉在碳刷和滑环之间不断积累，便形成环间电阻，致使回路电流增大。

遇到这种情况，须要经常检查碳刷和滑环的结合面，随时清理积碳并让滑环表面保持干净。

（3）故障案例三

当某型无人机长时间飞行时，曾出现短暂开路故障。分析其原因，可能是变距桨系统控制器的接插件属于普通矩形接插件（见图11）。在振动环境中，接插件可能接触不良。如果采用专用接插件，开路故障将被减少。

图1 套环螺母。

图11 普通矩形接插件。

上述问题的出现，反映了电子元器件初期可靠性设计和产品最终环境试验的重要性。

控制软件引发故障

为体现电动恒速变距螺旋桨的优越性，其控制过程非常重要。一种好的控制软件，能够准确无误地执行下达的控制指令。由于某型号变距桨系统的控制软件是针对轻型飞机专门开发的一种软件，如果用于无人机，必须重新编程。不同无人机的飞行包线不同，实际飞行要求和工况也不同，因此要不断对软件进行升级和更新，这一过程难免出现错误。

例如，某型无人机在飞行过程中，其变距桨控制器频繁报状态数字6（6表示已达到大螺距限制值）和状态数字9（9表示正在接近大螺距限制值）。根据提供的日志文件分析可知，出现这种情况是因为软件问题。日志文件显示，此控制器软件是旧版本，该版本软件在桨叶角大小限制方面有错误，当使用新版本软件后，问题得以解决。

总结

电动恒速变距螺旋桨集成了电子、机械、控制等多种技术。在生产、制造、试验、检测、终检等诸多过程中，厂家通常按适航标准完成工作。只要操作人员严格遵守操作规范，按标准实施检查和维护程序，发生飞行事故的概率会很小。■