多普勒天气雷达在民航机场的使用故障案例分析及思考

李世瑾

（民航中南空管局气象中心，广东 广州 510800）

航班延误一直是民众关注的话题，而天气原因又是造成航班延误的重要原因，为降低天气原因对航班造成的影响，需对中短期临近天气预报及预警提出更高的要求。多普勒天气雷达作为高性能数字化雷达，是中短期临近天气预报及预警的重要检测工具，它主要由雷达控制处理器（RCP）、雷达发射机（TX）、接收机（RX）、雷达信号处理器（RSP）、天线控制单元（ACU）、天馈系统、彩虹控制系统、雷达可视化监控系统等部分组成。由于多普勒天气雷达长期处于运行状态，各部件的运行时间较长，同时又受工作环境影响，该雷达一旦发生故障，将会对天气监测及航班运行造成重大影响，所以为了使雷达能够长期有效地运行，操作人员需要了解雷达各系统的工作原理，在日常维护上多下功夫，掌握其维护维修技巧，使其能够稳定地提供气象监测服务[1]。

伺服系统的组成如图1所示，其主要可能出现故障的部位有汇流环、旋转变压器、伺服控制板、伺服驱动和电机等，另外还要关注伺服电源的供电是否正常，电源、信号线缆是否因屏蔽不良受干扰等情况。

图1 伺服系统组成

针对此类故障现象进行分析，初步定位故障原因大概分为以下方面。

（1）俯仰速率异常。天线的俯仰速率在某一时刻，可能是在半点校准的时候速率过快导致告警；
也有可能是由于任务问题，在做zero check的时候时间太短，速率太快导致告警。为此观察了几个任务周期后，发现告警出现的俯仰角度没有规律，速率也并没有超限。后来尝试调高俯仰速率的上限，仍出现告警，完全排除实际速率超限，可能是天线的EL Speed信号本身出现问题[2]。

（2）EL伺服控制板和伺服驱动故障。由于EL Speed Li m it告警由EL伺服驱动器送出，因此先对调了方位和俯仰的伺服驱动器核心板，仍出现告警；
然后对调了俯仰和方位整个伺服驱动器，故障依旧；
而且在测试中发现EL不动，仅是AZ转动，且在不开高压时，仍会出现EL Speed Limit的告警，因此这样可以完全排除俯仰伺服驱动及伺服控制板的问题。

（3）EL伺服电机及减速箱故障。由于告警代码主要是EL Speed Limit和EL Trailing distance，因此尝试更换俯仰电机以及减速箱，并检查更换下来的电机线路、外观等，没发现明显问题，告警依旧。

（4）线缆及信号干扰。鉴于厂家手册强调了EL的旋转变压器由8芯信号电缆传输，电缆屏蔽层必须接地。检查中发现，该信号电缆屏蔽层的接地可以分为3点：EL伺服驱动器、汇流环、EL电机。其中EL伺服驱动器端接地采用压紧方式，年代久了，出现了氧化，疑似接触不良，因此拆开接头，采用焊接方式加固了接地；
检查汇流环和EL电机端的接地，均正常。在明确俯仰速率确实没有超限，怀疑故障是俯仰速率信号受到干扰引起的，如电源、其他线路信号或者是其他因素，根据相关理论，CAN线应远离干扰源，必须远离电流会剧烈变化的线缆，因此将俯仰箱内信号线、电源线全部整理分类，并且多次测试发现EL不动，只是AZ转动，且在不开高压时，也会出现告警，因此可排除线缆及信号干扰的问题。

（5）网络传输和服务器故障。针对此ACU告警，怀疑故障是否为雷达网络传输或服务器的问题导致。向厂家征求意见，厂家认为ACU告警与彩虹服务器或网络传输无关。

（6）汇流环故障。鉴于以上所有测试情况，大家一致认为故障原因在汇流环上，同时厂家表示雷达运行10年以上时，各部件会有不同程度的磨损或老化，应该考虑及时更换。后续操作人员在汇流环故障排查过程中主要围绕以下三个方面进行。一是汇流环接线，EL Speed信号是由伺服驱动器输出4.7 kHz的余弦波，该余弦波通过汇流环的carrier+、carrier-送到EL旋转变压器，当电机转动时，旋转变压器输出的信号通过汇流环传输至EL伺服驱动，它包括8条信号线，4条用于测速的正余弦信号，两条载波，两条用于测试温度。检查汇流环上与俯仰速率有关接头，发现线头存在破损，于是重新制作了8组线头。上述工作完成后，故障依旧。二是汇流环电刷：检查汇流环上电刷与汇流环金属槽的接触情况，发现汇流环上存在磨损，在天线转动时部分电刷针会偏离环道，在环体上留下刮痕，这也可能是天线大盘不水平导致的。同时在金属槽上可以看到金属粉末，可能是缺乏润滑，导致电刷磨损。随后拆开电刷，可明显看到电刷上及板上沾有油污，而且天线大盘存在溢油问题。结合天线旋转出现金属异响，怀疑是天线水平出现了问题。方位异响，可能是由于天线水平度偏差造成传动部件磨损引起的。三是油污污染：由于维护时加注的齿轮润滑油较多，天线运转时润滑油少量溢出、挥发，从而吸附在汇流环表面，后来多次采用清洁剂清洁，仍发现大盘有溢油现象，推测可能为天线水平度有偏差，大盘密封性变差，导致润滑油溢出。

针对上述情况，我们对汇流环及电刷表面上的油污进行了清理，多次使用医用棉签，配合酒精，彻底清洁所有轨道以及针脚，随后调整了天线的水平度，并将电刷装回，仔细检查电刷是否与金属槽一一对应，喷洒EML润滑剂，故障情况有所改善。

反思出现此类故障的原因，问题主要集中在汇流环上，汇流环、电刷磨损及油污污染为此ACU告警的直接原因，主要表现如下。

（1）天线平台上可以明显看到天线旁或者天线内部有很多油迹，大盘溢出的油吸附到电刷或汇流环上，油脂吸附灰尘铜屑，可能会影响电刷和汇流环接触，从而引起旋转变压器传回来的信号跳变，导致ACU告警。

（2）由于齿轮润滑油较多，天线在运转时润滑油少量溢出、挥发，从而吸附在汇流环表面，后来多次采用清洁剂清洁，一段时间后仍发现大盘有溢油现象，推测可能为天线水平度有偏差，大盘密封性变差，导致润滑油溢出。

（3）由于汇流环从2007年设备安装至今，一直连续运转，汇流环及电刷部件有不同程度的磨损，可能会影响电刷与汇流环接触。即使所有的轨道和压针，均看不出异常，但不排除，常年累月运行，轨道内被压针进一步磨出了针槽，当方位转动时，某些角度，压针可能会跳出针槽，虽然还是在导轨内，但这种跳动可能造成信号跳变。

（4）天线大盘轴承磨损导致天线不水平，在某些角度会使电刷偏出，影响电刷与汇流环接触。

为此在天气雷达大修工程项目中，维护人员便对汇流环及电刷部件进行更换并调整好天线基座的水平方向，同时在此后的工作中也对天线基座固件保养及定期维护加以重视，主要涉及以下内容。

（1）更换齿轮润滑油。在更换天线大盘齿轮润滑油时，不仅要确定原机油油位高度，润滑油量不能多也不能少。多了天线转动的时候会溢出来，少了大盘齿轮润滑不够，会引起天线停转、告警；
在清洁机油过程中还必须非常小心，不能有任何一点的杂质溜进大盘齿轮，不然轻则留个大隐患，重则造成雷达机械故障。

（2）调整齿轮间隙。通过查询手册可知，天线大盘与减速箱之间的齿轮间隙，理论上应为0.05～0.075 mm，如图2所示。调整要精细到0.05～0.075 mm。间隙大了，天线启动、停止时的震动太大，影响雷达的安全运行；
间隙小了，齿轮之间的磨损会加大，影响雷达的使用寿命。因此，在调整时要借助多种不同厚度的塞尺进行精确测量，随时调整减速箱的紧固螺栓。

图2 齿轮间隙

（3）定期检查天线大盘水平方向各个螺栓的紧固情况。检查俯仰箱内各个螺栓的紧固情况，检查汇流环的固定螺栓紧固情况，若出现松动，进行紧固，统一紧固力度。

（4）定期检测天线大盘轴承转动情况。用振动检测仪、音频记录仪等仪器设备，检查天线转动时的振动情况，记录相应的振动数据以便进行分析、比对。

（5）年度维护时检查、调整天线大盘水平度。采用激光水平尺、吊锤等多种手段检测天线大盘的水平情况，检测天线在俯仰90°情况下各主要方位角的水平情况，检测天线在低仰角情况下各主要方位角的水平情况，根据检测的水平情况，调整大盘基础螺栓，适度修正大盘的水平度。

（6）必要时对大盘水平基础空隙永久填充、水平修正。采用斜面铁块填充大盘下缝隙，充实空间，减少天线转动导致的水平度变化，使天线转动更加平稳。

随着用户对雷达产品的需求逐渐增加，为了能够让气象雷达稳定地提供气象监测服务，事实证明，通过对雷达的定期维护检测，可以较为有效地避免雷达各部件出现故障，进而延长天气雷达的使用寿命，因此在使用雷达工作过程中，认真做好日常维护，定期进行检测将显得格外重要，同时也对保障雷达的正常运行有着良好的效果。■