某型直升機異常振動問題分析

張好府，劉東亮，張 強，沈安瀾

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.解放軍65529部隊，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

直升機振動問題伴隨著直升機的誕生就一直是困擾直升機發(fā)展的重要問題。直升機振動水平偏高將直接影響機載設備的壽命、結構的可靠性以及乘員的駕乘舒適性，因此用戶以及直升機設計師對于直升機振動問題關注度較高。隨著直升機的不斷發(fā)展，用戶對于直升機振動問題的關注度越來越高，相應的振動要求也越來越高，但是由于直升機獨特的構型和特點決定了直升機振動問題復雜，解決直升機振動問題仍然是困難重重。相關文獻的數據以及直升機飛行振動實測數據表明，直升機具有振源多，頻率分布范圍寬的特點，因此直升機振動測試結果的準確性將直接影響直升機振動問題的分析和定位。

某型機在外場飛行中機體出現了異常振動。本文通過機理分析、飛行振動對比測試等手段，對該振動問題進行分析，確定該異常的低頻振動信號產生是一種頻率混疊現象。頻率混疊是數字信號處理中的一種特有現象，本文依據頻率混疊形成機理，并結合測試和分析結果提出了相應的解決措施，經飛行驗證解決措施有效。文章進一步驗證了該異常振動信號系因測試系統(tǒng)抗混疊濾波性能不佳導致出現信號頻率混疊，為后續(xù)直升機振動測試中對于異常振動信號的分析和處理提供分析和解決思路。

1 振動問題描述

某型機在外場飛行過程中，通過飛行振動數據分析發(fā)現機體主要測點均檢測到42 Hz異常振動信號，由于現場無法確認該異常振動信號的來源，導致該機無法正常開展飛行活動。機體主要測點實測100 Hz以內振動數據分析結果表明：駕駛艙振動以旋翼一階通過頻率下的振動為主；中減處振動主要以尾槳一階通過頻率和尾槳的轉速頻率下振動為主；尾減處振動主要以旋翼一階通過頻率和尾槳的一階通過頻率下振動為主。主要位置的數據均正常，只是在不同位置測點均測到振幅不同的42 Hz振動信號，如圖1所示，表明機載振動測試系統(tǒng)確實采集到了42 Hz異常振動信號。

圖1 機體主要測點典型頻譜圖

2 飛行振動數據分析

針對該機出現42 Hz異常振動信號問題，為了確定該異常振動來源，基于機載振動測試系統(tǒng)飛行振動數據分析結果，通過加裝高采樣率振動測試系統(tǒng)(簡稱加裝設備)，并相應增加振動測點數量，開展對比飛行振動測試，進行進一步分析確認。

2.1 機載系統(tǒng)數據分析

對機載振動測試系統(tǒng)數據進行分析，結果如圖2和圖3所示。根據42 Hz連續(xù)譜分析結果，并結合圖1主要測點頻率分析結果，該機主要測點均測到機體存在42 Hz異常振動且以中減處最大，同時該42 Hz異常振動的振幅隨著飛行狀態(tài)不同產生較大的變化。時頻曲線顯示，42 Hz的振動頻率會出現頻率波動的現象，頻率波動范圍基本處于38 Hz～50 Hz之間。

圖2 中減42 Hz連續(xù)譜曲線

圖3 中減測點時頻曲線圖

2.2 飛行振動對比測試數據分析

該型機主要激勵頻率并不包含42 Hz，但機載振動測試數據顯示機體存在42 Hz振動，而且中減處振動幅值相對較大。為了確定42 Hz振動的來源，在該機上加裝一套高采樣率振動測試系統(tǒng)，并相應增加測點與機載振動測試系統(tǒng)，進行飛行振動對比測試。結果如表1以及圖4-圖8所示。

表1 典型狀態(tài)下1066 Hz各測點幅值對比

圖4 中減100 Hz以內頻譜曲線(加裝設備)

兩套不同振動測試系統(tǒng)對比飛行振動測試結果表明：①機載測試系統(tǒng)測到機體存在42 Hz振動，但加裝設備的測試結果表明機體不存在42 Hz振動，如圖4-圖5所示；②中減處機載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設備測試的42 Hz曲線變化趨勢不一致，如圖6和圖7所示；③根據加裝設備的測試結果，機體存在1066 Hz振動，并且將機載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設備測試得到的1066 Hz振動連續(xù)譜曲線對比發(fā)現，兩者變化趨勢基本一致，如圖7和圖8所示；④不同位置處1066 Hz振動水平對比結果表明，相比其他位置，中減處1066 Hz振動水平相對偏大，如表1所示。

圖5 中減100 Hz以內頻譜曲線(機載設備)

圖6 中減42 Hz連續(xù)譜曲線(加裝設備)

圖7 中減42 Hz連續(xù)譜曲線(機載設備)

圖8 中減1066 Hz連續(xù)譜曲線(加裝設備)

3 原因及機理分析

基于兩套振動測試系統(tǒng)的對比測試數據分析結果：機載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設備測試的1066 Hz振動連續(xù)譜曲線的變化趨勢基本一致。同時對機載測試系統(tǒng)測試的數據進行時頻圖分析時顯示，中減處42 Hz振動信號頻率存在大幅波動的情況。因此，初步判斷該機42 Hz異常振動是由于機載測試系統(tǒng)抗混疊濾波性能不佳導致測試結果出現頻率混疊現象，從而將1066 Hz振動誤采集為42 Hz振動。

頻率混疊是數字信號處理中的一種特有現象。在進行數字化測量采樣時，需要對信號進行離散采樣。正因為離散采樣，造成采集的信號在其時域和頻率產生混疊，凡是等步長離散采樣一定會產生“混疊”現象，從而導致產生假頻率和假信號，嚴重影響測量結果。在工程上也曾多次因為頻率混疊導致數據結果出現假頻率和假信號的情況。

如圖9所示，當采樣頻率與原始信號頻率一樣時，其采集得到的信號頻率為0 Hz；當采樣頻率等于原始信號頻率的兩倍時，其采集得到與原始信號頻率和幅值相同的三角波信號；當采樣頻率小于原始信號頻率的兩倍時，其采集得到的信號就會產生混疊，得到一個低頻的假信號。

圖9 離散采樣的信號混疊原理

根據相關文獻以及頻率混疊機理，分析信號頻率混疊后的混疊頻率計算公式如下：

混疊頻率

=|-|

(1)

該機中減處存在1066 Hz振動信號，由于機載測試系統(tǒng)采樣率為1024 Hz，根據混疊頻率計算公式(1)，計算得到混疊后的頻率為42 Hz，與實測結果一致。

4 解決措施

根據飛行振動對比測試數據分析結果，結合振動信號混疊機理，確認了該42 Hz異常振動信號產生的原因是機載測試系統(tǒng)因抗混疊濾波性能不佳等原因造成測試結果出現頻率混疊現象，從而將高頻振動信號誤采集為低頻振動信號。因此，需要解決采集信號頻率混疊的問題。而目前解決測試數據頻率混疊現象的主要方法有：

1)提高采樣率：提高機載振動測試系統(tǒng)的采樣頻率，考慮中減的嚙合頻率，至少需要從現有的1024 Hz提升為4096 Hz；

2)增強抗混疊濾波性能：提高現有機載系統(tǒng)抗混疊濾波的性能，并且適當降低采集系統(tǒng)低通濾波回路中的分析截止頻率；

3)改進算法：利用改進后的小波變換算法改進頻率分析方法，消除頻率混疊的現象。

上述3種改進方法都需要針對機載振動測試系統(tǒng)進行更改，短時間內無法實現，無法滿足現場快速處理的要求。根據加裝設備測試結果，如表1所示，1066 Hz在中減處振動幅值相對較大，因此結合現場情況決定對該機進行更換中減處理。

5 試飛驗證

為了驗證更換中減后的效果，開展驗證試飛工作,結果如圖10-圖12所示。驗證試飛結果表明：機載振動測試系統(tǒng)42 Hz振動水平大幅下降，并且在頻譜上42 Hz頻率峰值不明顯；而對加裝設備測試數據進行頻譜分析，1066 Hz振動頻率峰值也同樣不明顯。該機因頻率混疊導致出現42 Hz異常振動信號問題順利解決。

圖10 更換中減后42 Hz連續(xù)譜曲線(機載測試系統(tǒng))

圖11 更換中減后中減處頻譜曲線(機載測試系統(tǒng))

圖12 更換中減后中減處800 Hz～1300 Hz頻譜曲線(加裝設備)

6 結論

本文為了解決某型機中減處出現異常振動信號問題，通過飛行對比測試等方法，準確定位問題原因，提出相應的解決措施，并經過試飛驗證，得出如下結論：

1)該機中減處42 Hz異常振動頻率信號是由于機載測試系統(tǒng)性能不佳導致出現頻率混疊現象，從而將高頻振動信號誤采集為一個低頻異常振動信號；

2)直升機振源多，頻率分布范圍寬，從不到10 Hz一直到1萬多Hz均有相應的振動頻率，因此針對直升機振動測試更需要關注頻率混疊現象，對采樣率等重要參數進行設置時需要全面考慮；

3)本文基于飛行數據結果分析，確定了問題的原因，制定了相應的解決措施，經實際試飛驗證故障消除，為后續(xù)解決異常頻率振動問題提供了新的分析思路。