電動變距拉桿旋翼平衡在線調整試驗研究

汪文濤，易 暉，黃國科，樂 娟，程起有

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333000）

直升機區別于固定翼飛機的最主要特征是其具有旋翼，旋翼作為直升機的升力面、操縱面，其平衡狀態直接關系到直升機振動水平。旋翼平衡狀態分為質量平衡和旋翼氣動平衡，質量不平衡是由于在制造過程中，各個槳葉的離心力不能互相抵消，引起縱向和橫向的激振力；旋翼氣動不平衡是由于各片槳葉的安裝角或扭轉變形的不相等引起各片槳葉的升力不相等，從而引起各片槳葉的槳尖軌跡不在統一高度，使得直升機運轉過程中存在氣動不平衡，進而造成機體振動水平上升[1-2]，影響直升機的舒適性和使用經濟性，嚴重時甚至影響飛行安全性。因此需要對旋翼平衡狀態進行監測和維護。

目前，旋翼平衡狀態測量與調整是直升機使用維護過程中重要且關鍵的一項內容。直升機旋翼質量平衡通常是通過分析測量的機體振動數據進行槳葉配重調整以降低質量不平衡引起的振動；旋翼氣動平衡監測經歷了手工標桿法、頻閃儀觀測法、照相機測量法、光學錐體測量法等幾個階段的發展，從發展趨勢可以看出，直升機旋翼錐體測量技術逐步由機械式向電子自動化、光學非接觸式的技術方向發展。但是直升機旋翼氣動平衡調整方法卻很單一，即根據測量結果通過手動調整拉桿的長度。但是上述2 種旋翼平衡調整方式都不能在旋翼運轉過程中進行調整，影響調整效率，降低了直升機使用維護性[2-4]。

針對上述問題，研制了一種可在旋翼運轉過程中根據控制指令調整拉桿長度的電動變距拉桿。在此基礎上，在旋翼模型試驗臺上安裝了電動變距拉桿，進行了旋翼平衡在線調整效果驗證試驗，在懸停和前飛狀態下，進行了電動變距拉桿固定和作動狀態下的臺體一階振動水平對比，結果表明電動變距拉桿作動狀態下較電動變距拉桿固定狀態下，旋翼模型試驗臺3個方向的一階振動下降40%左右，振動水平能夠維持在0.2 ⅠPS 以內，驗證了電動變距拉桿可在線實現旋翼平衡調整。

1 電動變距拉桿

1.1 基本構造

電動變距拉桿主要由直流無刷電機、力矩限制器、絲桿組件、絲母、輸出軸、角度編碼器、導向管、桿端軸承等組成。電動變距拉桿以直流無刷電機為動力源，經直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉運動轉化為機構輸出軸的直線往復運動，同時，分別通過電機尾部及輸出軸處的角度編碼器實現輸出軸位置的實時檢測與閉環控制。電動變距拉桿結構示意圖如圖1 所示。

圖1 電動變距拉桿的結構示意圖

1.2 主要結構參數

電動變距拉桿主要用來代替傳統的普通拉桿，用于自動傾斜器動環和槳轂支臂之間的連接，是直升機操縱變距系統中的重要一環，與傳統的普通拉桿相比，電動變距拉桿可實現旋翼在運轉過程中拉桿長度的在線調節。電動變距拉桿和普通拉桿對比如表1 所示。

表1 電動變距拉桿和普通拉桿對比

1.3 電動變距拉桿控制器

由于電動變距拉桿控制器主要作用一方面是為電動變距拉桿供電、傳輸控制指令，另一方面接收電動變距拉桿的反饋信號實現閉環控制。試驗中，電動變距拉桿控制器通過設計的工裝安裝在旋翼槳轂上方，控制器的供電和地面通訊信號通過集流環傳輸。電動變距拉桿的控制系統示意圖如圖2 所示。

圖2 電動變距拉桿的控制系統示意圖

2 試驗與分析

2.1 試驗目的

本試驗主要研究目的是驗證不同飛行狀態下電動變距拉桿對旋翼平衡的在線調整效果。在模型旋翼試驗臺換裝電動變距拉桿代替原有普通拉桿，在風洞中進行懸停、前飛狀態試驗，利用振動傳感器測量試驗臺振動值，獲得電動拉桿變化前后的振動數據。

2.2 試驗設備與狀態

本試驗主要由動力系統、機械系統、測試系統以及控制系統等搭建而成，其中試驗振動數據是由三軸振動傳感器測得，傳感器布置方在旋翼試驗臺主軸上，試驗臺轉速由光電傳感器反饋獲得。系統構成圖如圖3 所示。

圖3 系統構成圖

試驗中旋翼系統的主要參數如表2 所示。

表2 旋翼系統主要參數

為了獲得不同飛行狀態下電動變距拉桿的氣動不平衡調整效果，在旋翼轉速880 r/min 轉速下每個飛行狀態進行了電動變距拉桿固定狀態和電動變距拉桿作動狀態下的振動數據獲取試驗。試驗狀態如表3 所示。

表3 電動變距拉桿和普通拉桿對比

2.3 結果與分析

2.3.1 試驗數據處理

時域圖為旋翼旋轉1 圈的振動信號通過滑動平均處理得到的，而旋翼旋轉1 圈的振動信號則是由旋翼旋轉80 圈的振動數據平均處理后得到的。頻域圖為狀態穩定時，10 s 的時域信號通過傅里葉變換得到的幅頻圖。

2.3.2 懸停狀態1 下電動變距拉桿調整效果分析

圖4 和圖5 分別為懸停狀態1 下試驗臺3 個方向的振動信號時域和頻域圖。其中，從時域圖可以看出拉桿調整前后，時域數據對比不是很明顯，在某些方位略有降低，某些方位略有升高，這可能是由于拉桿調整前后，氣動不平衡的相位發生改變。從頻域圖可以看出，在拉桿調整前后，試驗臺3 個方向的一階振動信號降低較為明顯，航向一階振動降低了49%左右，垂向一階振動降低了56%左右，側向一階振動降低了48%左右。

圖4 懸停狀態1 試驗臺振動時域圖

圖5 懸停狀態1 試驗臺振動頻域圖

2.3.3 懸停狀態2 下電動變距拉桿調整效果分析

為了進一步驗證電動變距拉桿調整效果，在懸停狀態1 的基礎上，通過改變槳轂配重，來改變試驗臺初始振動狀態，驗證不同振動初始狀態下的調整效果。圖6 和圖7 分別為懸停狀態2 下試驗臺3 個方向的振動信號時域和頻域圖。從時域圖可以看出，懸停狀態2時試驗臺3 個方向的振動時域信號與懸停狀態1 的時域信號不同。此外，從頻域圖也可以看出，懸停狀態2下試驗臺3 個方向的一階振動幅值不同，其中側向振動幅值相差0.05 ⅠPS 左右。在拉桿調整前后，試驗臺3個方向的一階振動信號降低較為明顯，航向一階振動降低了43%左右，垂向一階振動降低了53%左右，側向一階振動降低了41%左右。

圖6 懸停狀態2 試驗臺振動時域圖

圖7 懸停狀態1 試驗臺振動頻域圖

2.3.4 前飛狀態下電動變距拉桿調整效果分析

圖8～圖11 分別為2 種前飛狀態下的試驗臺3 個方向的振動數據時域圖和頻域圖。從圖中可以看出，前飛狀態下試驗臺3 個方向的五階振動幅值比懸停狀態大很多，但是并不影響驗證電動變距拉桿調整效果，由于各片槳葉的安裝角或扭轉變形的不相等，引起的振動成分主要是一階振動值。

圖8 前飛狀態1 試驗臺振動時域圖

圖11 前飛狀態2 試驗臺振動頻域圖

從2 種前飛狀態數據結果可知，電動變距拉桿調整效果較好，前飛狀態2 下的調整效果較前飛狀態1下的3 個方向振動調整效果好。原因可能是前飛狀態1 總距較小，各片槳葉差異不大。前飛狀態2 下在拉桿調整前后，試驗臺3 個方向的一階振動信號降低較為明顯，航向一階振動降低了38%左右，垂向一階振動降低了66%左右，側向一階振動降低了51%左右。

圖9 前飛狀態1 試驗臺振動頻域圖

圖10 前飛狀態2 試驗臺振動時域圖

3 結論

通過模型旋翼試驗驗證了電動變距拉桿氣動不平衡在線調整效果，主要結論如下。

通過在線調整電動變距拉桿，在4 種試驗狀態均實現了旋翼試驗臺3 個方向一階振動幅值的降低，航向一階振動最大降低了49%左右，垂向一階振動最大降低了66%左右，側向一階振動最大降低了51%左右，表明電動變距拉桿一階振動在線調整效果較好，驗證了電動變距拉桿能夠實現旋翼平衡的在線調整。