某型卫通天线维修引起的思考

■中电防务科技有限公司：周正海 程驰青

1.问题概述

2020年7月，编号为XXXXXXX的卫星通信机载设备天线单元在飞行使用中发现方位角数据无输出，且天线接收信号无法达到AGC最低门限，无法对星，经检查为方位电机卡死。此问题已经连续出现多次，此次维修是半年内第五次维修此问题。

2.问题定位

卫通天线方位电机卡死。现象：天线方位方向加电后无法转动，用手主动旋转天线亦无法转动，后将方位电机拆下，手动旋转主轴，可以转动；手动旋转电机，无法转动。后经进一步拆解电机，发现方位电机减速箱齿轮轮齿断裂，碎齿在齿轮箱中反复运动，加剧了齿轮损坏程度，只要有一个齿损坏，所有的齿轮均会发生连锁反应，导致坏齿越来越多，以至齿轮箱卡死，无法转动。因为此现象已重复出现多次，所以针对此问题，专门分析，检查。

根据问题现象，绘制故障树如图1：

图1：方位电机故障树分析

通过故障现象，依次进行排查：

首先根据故障树分析，故障方位电机，此电机具有正规厂家出厂合格证明，有出厂编号，通过与其他工作正常的对比，除状态卡死外全部正常，因为此电机同时也用在其它天线上工作一切正常，所以暂可排除电机本身故障。

第二步检查软件版本，从产品库调用最新入库的天线控制软件模块与板内当前软件进行对比，对比后发现软件完全相同，可排除软件故障。

第三步将库房领出的新电机经确认无误后安装在天线原来位置，初使可以正常运转，此可以排除软件问题，因为电机损坏非一次性受力损坏，因此可以排除电机受外力过大冲击造成一次性损坏的可能性。

第四步经分析电机受多次冲击损坏的可能性最大，因为电机初使上电使用过程均正常，在使用次数达到一定次数后失效，由此可见电机外部有未知阻力阻碍电机运转，每阻碍一次，电机齿轮均会受到阻力冲击，在冲击次数达到一定次数之后，齿轮因承受不住阻力轮番冲击后发生损坏，后面按照分析结果逐步查找未知阻力来源。

第五步寻找未知阻力来源1，着重检查主轴运转是否有过大阻力，经检查，主轴运转自如，基本无阻力，可排除主轴安装问题。

第六步寻找未知阻力来源2，检查方位电机小齿轮及齿轮档圈，经检查，方位小齿轮所有齿全部正常，齿轮档圈全部正常。

第七步寻找未知阻力来源3，检查方位大齿轮和挡圈，经检查方位大齿轮所有齿面全部正常，下档圈正常，在检查上档圈时发现上档圈有一处外力冲击造成的凹陷(见图2圈内所示)，此凹陷有向下伸出的趋势，处于皮带运转行程范围之内，天线方位转动过程中，皮带每次运转到此凹陷处均会产生阻力，造成电机运转困难。结合控制软件，如果电机运转阻力较大时软件会自动给电机叠加电压，使电机扭矩加大。当电机因扭矩加大跳过凹陷部位那一瞬间，运转阻力释放，形成一次冲击。当冲击力次数达一定数量级后，产生齿轮冲击变形，导致轮齿断裂，由于齿轮箱是密封的，碎齿在齿轮箱中无法排出，会造成断齿面积加大，加剧齿轮箱的损坏，最终结果只能是电机减速齿轮箱失效，卡死无法运转，表面形式为整个天线方位方向无法转动，无法对星，天线无法正常工作。后用锉刀将此凹陷处打磨平整，且更换新电机后，天线运转恢复正常。

图2：凹坑位置

图3：正常光线图示

3.机理分析

3.1 减速电机简介

减速电机是指电动机和机械减速机构的组合体。本例中电机包含三个部分：电机反馈；电机主体；电机减速器。

电机反馈是指电机运行中的数据可以反馈给CPU，在电机运转过程中，CPU可以根据电机反馈的数据来给出对应位置相匹配的电机转速与方向信号，从而对电机的形态做出判断。对电机的总体运动状态加以监控，形成闭环，又称饲伏机构。

电机主体是电机动力的来源，通过电磁感应原理，电机的定子与转子之间产生斥力或吸力，从而推动电机转子做圆周运动，产生动力。

电机减速器，之所以需要此部分，是因为电机在运转过程中转速过高（特别是直流有刷空心怀电机），不容易控制，使用了减速机构之后，可以将电机的转速按比例降低。降低之后可以大大提高电机的轴向载荷，使电机可以适应更大，更重的工作环境。此例维修中电机的减速比是33:1，也就是说电机主体转速是电机主轴输出转速的33倍，电机输出轴扭力比电机主轴扭力大33倍。电机减速机构可以使电机运转更加平稳，还可以更加精准的控制电机的扭力与转速，在众多行业中使用广泛。

在电机拆解后，发现电机反馈部分和电机主体完好，只有齿轮箱卡死无法转动，将齿轮箱拆开后发现齿轮箱内部损坏，损坏形式为行星减速器齿轮断裂。由于齿轮箱中有二级减速，而发生失效的齿轮部位在靠近轮轴输出的那一级，由理论可知行星减速齿轮越是靠近输出轴，减速比越大，输出的扭力也越大，也更加容易失效，失效形式与理论相符合。

3.2 齿轮失效原因分析

齿轮失效的原因大致可分为两类：一是齿轮运转时齿轮与齿轮之间配合不好出现问题；二是齿轮运行过程中受外力干扰造成损坏。

齿轮之间配合不好，轮齿之间的配合是由齿轮加工精度及安装过程来保证的。只要齿轮加工精度合格，并且安装到位，是不会出现配合不好的情况，此齿轮箱是密封的，有专门工装人员安装，而且已实现量产，也有严格的出厂检验，所以齿轮箱本身并不存在问题。

齿轮运行过程中受外力干扰造成损坏。此损坏形成原因较多，但究其原因还是由于外围部件配合不好，便电机输出扭力超出电机最大扭力；电机负荷加大，已超出电机所能承受的范围或在电机承受范围边缘工作，导致电机齿轮箱轮齿变形或断裂，从而造成电机齿轮箱卡死，无法转动。

3.3 齿轮失效原因得出的结论

从齿轮失效原因上不难看出，只要齿轮能够正常平顺的运转，在其使用周期范围内是不会出现断齿的故障。因为此部位安装电机已经造成三个电机失效，所以本例应该主动查找除电机以外各个部位的配合，各个部位的负荷，以及各部位的安装问题。因为配合，负荷，以及安装精度如果有微小误差，是有可能导致负荷过大造成失效。但是本例问题有其特殊性，因为故障部位极其微小，且光线环境较差(见图3所示)，一般情况下是极难发现的。

相对于失效原因来说，齿轮失效表现形式较为简单，及齿轮变形，断裂，由于齿轮箱密封，断齿及残屑留在齿轮箱中，根本不能排出，所以齿轮箱只要有一个齿断，后面会发生一系列连锁反应，最终的结果只能是齿轮箱卡死，电机无法运转。

在齿轮齿断裂的形式上看，齿轮有过载一次性断裂，也有受到屡次冲击后断裂的。如果是一次性过载断裂，那电机一安装上去就会产生失效，与实际情况不符。实际情况是每一次装上使用大约一个半月左右发生电机无法转动，所以应该是齿轮受到冲击后发生疲劳导致轮齿断裂，每一次冲击，齿轮对应齿都会造成疲劳。齿可以经受一次两次甚至八次十次的冲击，但是随着冲击频繁不断出现，当对应齿达到疲劳极限，就会受不了冲击，造成损坏，而最先损坏的齿轮是最小的那个齿轮先损坏。再仔细看电机齿轮箱里的齿轮体积，比外部能看见的方位小齿轮还要小很多，根本不是一个量级，所以造成冲击后，电机齿轮箱里的齿轮肯定会首先失效。

4.举一反三

检查天线设备与电机运转的所有零部件，且此检查不应该只在出厂交接的时候检查，在多次飞行任务累积到一定次数后，或在机顶有过维修之后，均应仔细检查天线设备与运转情况，且检查人员应该细心，谨慎，对有可能有磕碰的地方进行仔细着重检查。鉴于此故障隐藏较深，不易发现，所以在天线的使用过程中更应该加强管理，加强管理，增强设备保护意识，防止类似人为问题再次出现。

5.结论

本次分析定位是否准确，机理分析是否到位，均应该有待飞机飞行架次积累达到一定时间后才可确定。在找到故障原因并进行处理后现天线单元已正常运转，若在后面的多次飞行架次中此类问题不再出现，才可以确定定位准确。

后继该设备状态如下所述：

故障排除日期2020年8月2日；

拟稿日期2020年8月11日；

2020年8月18日已飞行5-6架次；

2020年9月18日已飞行11-12架次；

依此类推至2022年5月7日，电机已正常运行1年8个月，从故障排除后到目前为止飞行约200架次，且电机目前运转正常，工作状态稳定，可以验证故障定位准确，机理分析到位，排故方法可靠。

6.结束语

之所以以此次故障为例，因为此次故障发生后，没有及时找到根本原因，引起一而再，再而三的电机失效后，依然没有找到原因，引起电机故障频发。不仅给用户带来不满，更给生产单位效益和声誉带来损失。从开始发现故障到最终找到原因排除故障，用时约六个月，维修周期长，维修过程中投入的人力物力巨大，后虽找到根本原因，排除故障，但是此故障带来的负面影响以及思考非常深刻。虽然此故障隐藏较深，但是维修人员如果认真，仔细的检查，也是可以排除的。但是前面三次维修人员仅仅只停留在故障表面，采取了治标不治本的方法，虽然通过换电机可以暂时解决问题，但是根本原因找不到，问题还会再次出现。所以维修人员一定要吸取此例的教训，今后的维修过程中一定要更加认真，仔细的检查每一个有可能发生故障的部位，才能保证设备正常运行，保证用户满意，维护单位声誉。