尾槳升降轉速自然激勵固有頻率識別方法研究

王正峰，趙文梅，李燕秀

(1.海軍駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌 330001;2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機尾槳固有頻率是直升機旋翼系統動態設計中一個重要的參數，它直接影響尾槳性能甚至全機振動水平，因此在設計階段需要合理配置尾槳各階模態頻率。由于受尾槳構型和具體結構,復合材料的分散性及工藝不穩定性,孤立旋翼動力學計算時未考慮機身、扭振系統等因素的影響，尾槳固有頻率理論計算結果與實際值可能存在一定的偏差，故通過尾槳旋轉狀態動特性試驗測試尾槳固有頻率成為尾槳研制工作的重要環節之一，也為后續設計改進、改型提供試驗依據。

國內外旋翼學者對旋轉狀態下旋翼固有特性測試工作開展了廣泛研究。文獻[1]-[6]分別對UH-1D、“虎”式直升機旋翼、S-76無軸承旋翼、“Comanche”無軸承旋翼、EC155旋翼、Yamaha R-50無人直升機旋翼開展了旋翼固有特性試驗，但上述文獻未提供固有頻率測試與識別的詳細方法。

黃珺、鄧景輝等人[7]進行了全尺寸旋翼固有特性測試工作，旋翼在旋轉狀態下通過自動傾斜器激振，對應變響應進行分析，找出其固有頻率，針對旋翼試驗中干擾因素多等特點，提出了一種將時域數據分段處理的新方法。尹春望與黃建萍等人[8]采用激振器階梯式掃頻方式識別直升機動部件綜合系統動力特性，這種泛掃頻結合精掃頻的頻率識別技術既能避免識別頻率的遺漏，又能保證一定的試驗精度。周云與胡和平[9]通過將固定坐標系下的激勵位移信號與旋轉坐標系下的槳葉響應信號同步采集、激勵位移信號坐標系轉換、激勵響應信號重采樣處理等步驟，發展了基于傳遞函數分析的旋轉槳葉固有頻率識別方法，并進行了試驗驗證。

傳統旋翼動特性識別激勵輸入一般采用激振器[7-9]，激振頻率一般小于50Hz。考慮直升機尾槳的轉速比較高，故某階固有頻率有可能比激振器激勵頻率大。為解決傳統激振器激勵方法不能識別高于50Hz尾槳頻率的問題，本文發展了基于升降轉速自然激勵的尾槳固有頻率識別方法，并通過某型機尾槳動特性試驗，進行尾槳固有頻率識別分析與考核驗證。

1 升降轉速自然激勵固有頻率識別方法

1.1 基本原理

結合共振圖說明升降轉速自然激勵固有頻率識別方法的基本原理。圖1為某型機尾槳共振圖，隨著尾槳轉速變化，當氣動諧波自然激振頻率與模態固有頻率重合時，必然引起共振。在共振圖中虛線為前8階氣動諧波，粗實線為前3階固有頻率比，虛線與實線的交點為理論共振點。試驗過程中，共振在信號輸出上的表現是該階諧波分量的載荷突增，通過諧波分析識別出共振點以及對應的諧波。圖1中圓點為識別出的共振點，由于前三階固有頻率比曲線相隔較遠，共振點為哪階固有頻率很好判斷。

圖1 某型機尾槳共振圖

1.2 數據處理

結合尾槳葉振型圖，在尾槳葉載荷敏感點貼電阻應變片測量載荷，采用光電傳感器或磁傳感器測量尾槳的相鍵信號，載荷信號與相鍵信號同步采集。

利用MATLAB軟件編譯數據處理分析源程序，主要包含三部分內容：相鍵信號處理，采用傅里葉變換對載荷進行諧波分析，繪制各階諧波隨轉速變化的曲線。主要流程如圖2所示。

圖2 數據處理流程圖

1.3 共振點判斷準則

多次試驗的結果峰值應具有重復性，對于不具有重復性的幅頻曲線放棄不用。從圖3給出的某兩個信號重復性檢查可以看出，圖3(b)的重復性不好，放棄不用；圖3 (a)的一致性較好，可以進行后續分析工作。因此識別共振點的第一個準則：共振點應具有重復性。

圖3 信號重復性檢查示意圖

將共振點在共振圖中標出，如圖1所示，可以初步判斷共振點是哪階固有頻率。理論計算的振型圖與不同展向位置載荷測試點的相位對應關系應具有合理性，理論計算的振型二階導數圖與不同展向位置載荷測試點的幅值對應關系應具有合理性，此為共振點識別的第二個準則。

使用共振點判斷準則，共識別出14個共振點，如圖1圓點所示。

1.4 額定轉速下固有頻率推算

識別出的共振頻率一般是低轉速下的固有頻率，但最關心的是額定轉速下的固有頻率。如果某階固有模態在多個轉速下都有識別頻率，將多個頻率偏差進行平均，然后將額定轉速下的理論計算值也做相同的偏移，認為偏移后的頻率即為間接識別出的額定轉速下的固有頻率。

2 識別技術驗證

2.1 試驗過程簡介

為驗證所發展的基于升降轉速自然激勵的尾槳固有頻率識別方法的可行性，在某尾槳臺開展了某型機尾槳在不同升降轉速速率下的動特性試驗。試驗基本參數如下：

1)試驗共開展了三個不同升降轉速速率的動特性試驗，分別為5rpm/s，10rpm/s，20rpm/s，且每個升降轉速速率的試驗重復3次；

2)揮舞載荷測試剖面為185、310、845、970四個剖面，且擺振載荷測試剖面與揮舞載荷測試剖面相同，數據采樣率為2048次/s，尾槳額定轉速為1100rpm。

2.2 試驗結果及其分析

從轉速激勵的原理來看，升降轉速速率越小，在共振點附近旋轉自激勵的次數越多，更易于識別出共振點，但是載荷也更大，對槳葉的損傷越大，故確定合適的升降轉速速率非常必要。試驗結果顯示，升降轉速速率為5rpm/s時，識別出的共振點共有14個，10rpm/s時識別出的共振點僅6個，20rpm/s識別出的共振點更少。圖4給出了不同升降轉速速率幅值的對比，可見5rpm/s的峰值比較突出，且信噪比與一致性較好，且最大載荷在槳葉可承受最大載荷范圍之內，因此采用5rpm/s的升降轉速速率能夠滿足試驗需求。

為考核基于升降轉速自然激勵固有頻率識別方法的有效性，在某型機尾槳臺架試驗時，同時采用了傳統激勵器激振法進行尾槳旋轉狀態動特性試驗。傳統激勵器激振方法只能識別出尾槳一階揮舞和一階擺振頻率(低于50Hz)。表1給出了采用本文方法及激勵器激振法獲得的試驗結果與理論計算結果對比分析。

表1 某型機尾槳額定轉速下動特性試驗值與理論值對比分析

從表1的對比分析結果可以看出：

1)采用本文方法與激勵器激振法的識別結果之尾槳一階揮舞和一階擺振頻率(低于50Hz)吻合較好；

2)采用本文方法可以識別出揮舞二階固有頻率(高于50Hz)，而受限于激振器激勵水平，激振法無法識別揮舞二階固有頻率，這也是本文方法的意義所在。

圖4 不同升降轉速速率幅頻曲線對比

3 結論與展望

為彌補傳統激勵器激振固有頻率識別方法的不足，發展了一種基于升降轉速自然激勵法的尾槳固有頻率識別方法。詳細介紹了該方法的技術途徑，包括數據處理基本原理、MATLAB程序編寫、共振點判斷準則及額定轉速下固有頻率推算等。通過某型機尾槳旋轉狀態動特性試驗，驗證升降轉速自然激勵法的尾槳固有頻率識別方法，并與采用激振器激勵法得到的頻率進行對比分析。分析結果表明該方法可行，識別結果可信。所發展的尾槳固有頻率識別方法研究屬于創新性的通用技術，具有廣闊的應用前景，可廣泛應用于各型號直升機尾槳研制。