论文部分内容阅读
摘 要：本文首先介绍了R44II型直升机机型特点及其机载电瓶的基本参数和使用环境特点；之后介绍了新型的阀控式铅酸电瓶的结构特点以及与传统铅酸电瓶的差异；在阐述阀控式铅酸电瓶基本原理的基础上，分析了其可能存在的失效模式；结合R44II型直升机的实际运行特点，提出电瓶延寿的可行方案。在实际运行中，采用改进的维护方案延长了R44II型直升机的电瓶使用寿命。
关键词：R44II型直升机 阀控式铅酸电瓶 延寿
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0014-02
Abstract： Firstly， this paper introduces the characteristics of R44II helicopter and its basic parameters and environment characteristics. After that， the structure features of the new valve controlled lead-acid battery and the difference between the VRLA battery and the traditional lead-acid battery were introduced. On the basis of explaining the basic principle of VRLA battery， the possible failure modes are analyzed. Combined with the actual operation characteristics of R44II helicopter， a feasible scheme for battery life extension is put forward. In actual operation， the improved maintenance scheme prolongs the service life of R44II helicopter batteries.
Key Words： R44II helicopter； VRLA battery； life extension
随着我国通用航空事业的快速发展，中国民航飞行学院在原有BELL206BIII及施瓦泽269C-1型直升机的基础上，引进了4架R44II型直升机作为训练用机。经过三年多的运行，机务维护工作中仍存在一些亟待解决的维护技术关键点。在电气系统方面，电瓶的使用寿命过短成为一个重大的技术难题。依据电瓶生产厂家CONCORDE公司相关技术资料，R44II型直升机装机的RG24-15型电瓶的使用寿命可达4年。实际使用过程中，多个电瓶在500飞行小时后即出现容量不足，无法修复的故障。
1 R44II型直升机机载电瓶工作环境
受限于紧凑的机身设计，R44II型直升机没有独立的电瓶舱，其机载电瓶安装于发动机舱左侧。ROBINSON厂家没有为电瓶设计独立的散热通道，而采用了发动机后部的鼓风轮引入外界冷却空气散热。该冷却空气同时承担了为发动机和电瓶散热的功能。实际运行过程中，R44II型直升机的电瓶工作温度明显高于其他机型。
2 RG24-15机载电瓶
2.1 电瓶参数概述
R44II型直升机选装的主电瓶为CONCORDE公司生产的RG24-15。该电瓶为阀控式铅酸密封电瓶，额定电压为24V，额定容量为13.6AH，最大重量13.4kg。在出厂时，电瓶内部已灌充了全部电解液，并完成了初始充电。用户在接收到电瓶时，仅需视情完成补充充电即可装机使用。
2.2 阀控式铅酸电瓶结构及特点
阀控式铅酸电瓶英文名称为Valve regulated lead-acid （VRLA） battery。其单体电池的基本结构如图1所示。
单体电池的外壳一般由ABS或PP等材料构成，起到保持电池结构，容纳电解液的作用。正极板为氧化铅（PbO2），呈现红棕色。负极板为金属铅（Pb），呈海绵状。隔膜通常采用AGM或胶体，其主要功能为吸附硫酸水溶液。安全阀作为内部气体的溢出通道，保证反应过程中产生气体后，单体电池内部不至于超压。
相较于传统的铅酸电瓶，阀控式铅酸电瓶主要有以下特点。
（1）电解液存在方式不同。传统铅酸电瓶内部灌充了自由流动的硫酸液体，只能处于立放状态。而阀控式铅酸电瓶可采用玻璃纤维棉（AGM：Absorbed Glass Mat）作为隔膜，电解液吸附在各极板之间的AGM中。整个单体电池内无流动的电解液，电瓶整体可立放工作也可卧放工作。
（2）维护方式不同。阀控式铅酸电瓶采用密封结构，不会有电解液漏出，免去了传统铅酸电瓶需要添加电解液或蒸馏水的维护工作。
（3）化学反应存在差异。所有铅酸电瓶的主反应都相同，均为电能和化学能之间的相互转化。阀控式铅酸电瓶与传统铅酸电瓶的主要区别在于副反应原理不同。
2.3 电瓶失效模式简介
阀控式铅酸电瓶主要有以下四种失效模式：（1）电瓶干涸；（2）热失控；（3）极板硫酸盐化；（4）板栅腐蚀。
2.3.1 电瓶干涸
电瓶的单体电池向外析氢气、氧气、水蒸气或酸液都是导致电瓶干涸的原因。由于无法添加电解液或蒸馏水，该种失效模式是阀控式铅酸電瓶所特有的。
2.3.2 热失控
电瓶作为化学能和电能的转换装置，其工作过程伴随热量的产生。而阀控式电瓶由于结构的改进，发热问题会较传统铅酸电瓶更加严重。热失控严重的电瓶会出现壳体变形、涨裂等故障。 2.3.3 极板硫酸盐化
铅酸电瓶在正常放电过程中都会在极板上形成PbSO4，而在充电过程中会被还原为活性物质Pb和PbO2。如果电瓶使用或维护不当，让电瓶处于深度放电或长期亏电状态，则PbSO4晶体会形成较大的块状颗粒。导致充电过程中，无法还原为活性物质。
2.3.4 板栅腐蚀
铅酸电瓶的板柵腐蚀集中在充电过程中正极板的副反应。其反应方程式如下：
该反应不仅会导致正极板活性物质Pb的消耗，同时会导致电瓶干涸的故障。
2.4 电瓶延寿关键技术
电瓶生产厂商Concorde公司在其发布的电瓶维护手册中，对该电瓶的维护要求如下。
（1）首次测试在装机后第12个月或1000飞行小时（先到为准）进行。
（2）如果测试容量高于90%，之后每12个月或1000飞行小时（先到为准）进行测试。
（3）如果测试容量在85%～90%之间，之后每6个月或500飞行小时（先到为准）进行测试。
（4）如果测试容量低于85%，电瓶报废。
此维护要求体现了阀控式铅酸电瓶相较于传统铅酸电瓶的优势，即大幅度减少了维护内容。但对电瓶的维护内容并未充分考虑其装机使用环境及使用频率。R44II型直升机作为中飞院现阶段直升机培训的主训机型，日利用率可达到8h，开车次数可到达3次以上。频繁的大电流输出启动发动机，加之飞行过程中处于高温运行状态，R44II型直升机的机载电瓶使用寿命明显低于CONCORDE公司标称的4年。为延长RG24-15电瓶的使用寿命，可从两方面进行改进。
第一，改善电瓶工作环境。电瓶安装位置虽然在发动机舱，但其接近外部蒙皮。可参考其他机型的电瓶散热原理，增加独立的通风通道。
第二，修订电瓶维护程序。有效避免极板的硫酸盐化的方法可参考传统铅酸电瓶的维护程序，增加补充充电的维护工作。综合考虑航材消耗成本和人力维护成本，在装机3个月进行一次补充充电为最佳选择。
3 结语
本文简要介绍了R44II型直升机的机载电瓶使用环境及特点，分析了电瓶的失效模式并提出可行的延寿方案。在采用本文论证的延寿方案后，实际运行过程中，R44II型直升机的机载电瓶寿命明显得到延长。故可见，在综合考虑实际运行特点和过往维护经验的基础上，超越厂商手册的维护方式可运用于航空器的实际保障工作，在确保安全的同时有利于提高运行的经济性。
参考文献
[1] 中国民航局.民航规章《正常类旋翼航空器适航规定》CCAR-27-R1[Z].2002.
[2] Robinson Helicopter Company.R44 Maintenance Manal and Insrructions for Continued Airworthiness[Z].2014.
[3] Concorde Battery Corporation. RG Series Main Aircraft Battery Component Maintenance Manual[Z].2012.
[4] Robinson Helicopter Company. R44II Pilot’s Operating Handbook[Z].2002.
[5] 周小漪.R44II型直升机培训教程[M].西安：西南交通大学出版社，2014.
关键词：R44II型直升机 阀控式铅酸电瓶 延寿
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0014-02
Abstract： Firstly， this paper introduces the characteristics of R44II helicopter and its basic parameters and environment characteristics. After that， the structure features of the new valve controlled lead-acid battery and the difference between the VRLA battery and the traditional lead-acid battery were introduced. On the basis of explaining the basic principle of VRLA battery， the possible failure modes are analyzed. Combined with the actual operation characteristics of R44II helicopter， a feasible scheme for battery life extension is put forward. In actual operation， the improved maintenance scheme prolongs the service life of R44II helicopter batteries.
Key Words： R44II helicopter； VRLA battery； life extension
随着我国通用航空事业的快速发展，中国民航飞行学院在原有BELL206BIII及施瓦泽269C-1型直升机的基础上，引进了4架R44II型直升机作为训练用机。经过三年多的运行，机务维护工作中仍存在一些亟待解决的维护技术关键点。在电气系统方面，电瓶的使用寿命过短成为一个重大的技术难题。依据电瓶生产厂家CONCORDE公司相关技术资料，R44II型直升机装机的RG24-15型电瓶的使用寿命可达4年。实际使用过程中，多个电瓶在500飞行小时后即出现容量不足，无法修复的故障。
1 R44II型直升机机载电瓶工作环境
受限于紧凑的机身设计，R44II型直升机没有独立的电瓶舱，其机载电瓶安装于发动机舱左侧。ROBINSON厂家没有为电瓶设计独立的散热通道，而采用了发动机后部的鼓风轮引入外界冷却空气散热。该冷却空气同时承担了为发动机和电瓶散热的功能。实际运行过程中，R44II型直升机的电瓶工作温度明显高于其他机型。
2 RG24-15机载电瓶
2.1 电瓶参数概述
R44II型直升机选装的主电瓶为CONCORDE公司生产的RG24-15。该电瓶为阀控式铅酸密封电瓶，额定电压为24V，额定容量为13.6AH，最大重量13.4kg。在出厂时，电瓶内部已灌充了全部电解液，并完成了初始充电。用户在接收到电瓶时，仅需视情完成补充充电即可装机使用。
2.2 阀控式铅酸电瓶结构及特点
阀控式铅酸电瓶英文名称为Valve regulated lead-acid （VRLA） battery。其单体电池的基本结构如图1所示。
单体电池的外壳一般由ABS或PP等材料构成，起到保持电池结构，容纳电解液的作用。正极板为氧化铅（PbO2），呈现红棕色。负极板为金属铅（Pb），呈海绵状。隔膜通常采用AGM或胶体，其主要功能为吸附硫酸水溶液。安全阀作为内部气体的溢出通道，保证反应过程中产生气体后，单体电池内部不至于超压。
相较于传统的铅酸电瓶，阀控式铅酸电瓶主要有以下特点。
（1）电解液存在方式不同。传统铅酸电瓶内部灌充了自由流动的硫酸液体，只能处于立放状态。而阀控式铅酸电瓶可采用玻璃纤维棉（AGM：Absorbed Glass Mat）作为隔膜，电解液吸附在各极板之间的AGM中。整个单体电池内无流动的电解液，电瓶整体可立放工作也可卧放工作。
（2）维护方式不同。阀控式铅酸电瓶采用密封结构，不会有电解液漏出，免去了传统铅酸电瓶需要添加电解液或蒸馏水的维护工作。
（3）化学反应存在差异。所有铅酸电瓶的主反应都相同，均为电能和化学能之间的相互转化。阀控式铅酸电瓶与传统铅酸电瓶的主要区别在于副反应原理不同。
2.3 电瓶失效模式简介
阀控式铅酸电瓶主要有以下四种失效模式：（1）电瓶干涸；（2）热失控；（3）极板硫酸盐化；（4）板栅腐蚀。
2.3.1 电瓶干涸
电瓶的单体电池向外析氢气、氧气、水蒸气或酸液都是导致电瓶干涸的原因。由于无法添加电解液或蒸馏水，该种失效模式是阀控式铅酸電瓶所特有的。
2.3.2 热失控
电瓶作为化学能和电能的转换装置，其工作过程伴随热量的产生。而阀控式电瓶由于结构的改进，发热问题会较传统铅酸电瓶更加严重。热失控严重的电瓶会出现壳体变形、涨裂等故障。 2.3.3 极板硫酸盐化
铅酸电瓶在正常放电过程中都会在极板上形成PbSO4，而在充电过程中会被还原为活性物质Pb和PbO2。如果电瓶使用或维护不当，让电瓶处于深度放电或长期亏电状态，则PbSO4晶体会形成较大的块状颗粒。导致充电过程中，无法还原为活性物质。
2.3.4 板栅腐蚀
铅酸电瓶的板柵腐蚀集中在充电过程中正极板的副反应。其反应方程式如下：
该反应不仅会导致正极板活性物质Pb的消耗，同时会导致电瓶干涸的故障。
2.4 电瓶延寿关键技术
电瓶生产厂商Concorde公司在其发布的电瓶维护手册中，对该电瓶的维护要求如下。
（1）首次测试在装机后第12个月或1000飞行小时（先到为准）进行。
（2）如果测试容量高于90%，之后每12个月或1000飞行小时（先到为准）进行测试。
（3）如果测试容量在85%～90%之间，之后每6个月或500飞行小时（先到为准）进行测试。
（4）如果测试容量低于85%，电瓶报废。
此维护要求体现了阀控式铅酸电瓶相较于传统铅酸电瓶的优势，即大幅度减少了维护内容。但对电瓶的维护内容并未充分考虑其装机使用环境及使用频率。R44II型直升机作为中飞院现阶段直升机培训的主训机型，日利用率可达到8h，开车次数可到达3次以上。频繁的大电流输出启动发动机，加之飞行过程中处于高温运行状态，R44II型直升机的机载电瓶使用寿命明显低于CONCORDE公司标称的4年。为延长RG24-15电瓶的使用寿命，可从两方面进行改进。
第一，改善电瓶工作环境。电瓶安装位置虽然在发动机舱，但其接近外部蒙皮。可参考其他机型的电瓶散热原理，增加独立的通风通道。
第二，修订电瓶维护程序。有效避免极板的硫酸盐化的方法可参考传统铅酸电瓶的维护程序，增加补充充电的维护工作。综合考虑航材消耗成本和人力维护成本，在装机3个月进行一次补充充电为最佳选择。
3 结语
本文简要介绍了R44II型直升机的机载电瓶使用环境及特点，分析了电瓶的失效模式并提出可行的延寿方案。在采用本文论证的延寿方案后，实际运行过程中，R44II型直升机的机载电瓶寿命明显得到延长。故可见，在综合考虑实际运行特点和过往维护经验的基础上，超越厂商手册的维护方式可运用于航空器的实际保障工作，在确保安全的同时有利于提高运行的经济性。
参考文献
[1] 中国民航局.民航规章《正常类旋翼航空器适航规定》CCAR-27-R1[Z].2002.
[2] Robinson Helicopter Company.R44 Maintenance Manal and Insrructions for Continued Airworthiness[Z].2014.
[3] Concorde Battery Corporation. RG Series Main Aircraft Battery Component Maintenance Manual[Z].2012.
[4] Robinson Helicopter Company. R44II Pilot’s Operating Handbook[Z].2002.
[5] 周小漪.R44II型直升机培训教程[M].西安：西南交通大学出版社，2014.