某直升機空中低頻篩動故障分析

鄭 坤，連林櫻，薛 晨，張嚴林

(昌河飛機工業集團有限責任公司，江西 景德鎮 333000)

直升機振動的主要原因是由工作原理、設計技術和制造工藝共同決定的。直升機傳動部件將發動機的高速旋轉動能減速傳遞給主旋翼、尾旋翼和其他需要旋轉動能的部件，機械的轉動載荷與動不平衡也就產生了相應幅度的振動，因此除了發動機外，旋翼、尾槳和傳動部件也是直升機主要的振動載荷源。時至今日，直升機的振動水平仍是衡量直升機先進程度的最主要指標之一。

振動對機體結構和部件產生應力，縮短使用壽命，影響直升機駕駛和乘坐的舒適程度；過大的振動不僅使乘員感覺難受，飛行操縱困難，而且加速形成對直升機旋轉部件的損傷及結構件的磨損、疲勞直至斷裂，影響飛行安全。

本文以某直升機在飛行過程中低頻篩動故障為例，對振動數據和扭振機理進行研究和分析，為后續處理類似問題積累經驗[1-2]。

1 故障現象

直升機(速度120～160 km/h、高度350 m以上)平飛或轉彎過程中出現空中低頻的側向晃動現象，體感類似“坐船”，前艙飛行員體感更為顯著，擋風玻璃、操縱臺等均無異常抖動情況。飛行員操作駕駛桿改變當前飛行狀態，直升機篩動現象立刻消除，保持類似當前狀態則故障復現。

2 原因排查

2.1 故障發生原因

針對該架機出現的空中篩動問題，組織了多次排故，現對排故過程進行重新梳理，并對可能引起直升機機體側向低頻晃動的原因進行分析，主要有性能不佳、系統故障、固有特性這3類，具體排故情況如圖1所示。

1)性能不佳：主、尾槳振動錐體不佳，主要排故歷程見表1，完成相關工作后基本排除誘因的可能性。

2)系統故障：飛控、操縱等系統故障，主要排故歷程見表2，完成相關工作后基本排除誘因的可能性。

圖1 機體低頻晃動主要原因

表1 性能不佳排故歷程

表2 系統故障排故歷程

3)固有特性。直升機的動力原理簡化模型如圖2所示。發動機動力輸出軸通過主減速器經過傳動軸驅動主/尾旋翼。旋翼/傳動系統相當于一個柔性軸系，受到扭矩的作用會產生一定的固有扭轉振動，具有一定的固有頻率。如果發動機動力輸出軸對旋翼/傳動系統所施加的扭矩摻有此固有頻率的波動，傳動鏈的固有頻率被激勵出來，導致直升機篩動[3-5]。

圖2 直升機的動力原理簡化模型

飛行振動數據分析結果表明，當機體出現篩動時，存在2.7 Hz側向低頻振動，同時發動機參數顯示雙發扭矩存在同頻的扭矩波動，橫向周期變距桿位移也出現明顯周期波動。傳動鏈扭振表現為旋翼系統的擺振晃動導致機體發生偏航，人體感受主要為側向晃動，與飛行員描述吻合。

綜合上述原因分析和原因排查，初步認為該架機空中側向低頻晃動的原因是傳動鏈2.7 Hz扭振引起的。下述進行飛行數據分析。

2.2 飛行數據分析

該型機傳動鏈系統的固有頻率在2.7 Hz附近(見圖3)，如系統受到擾動，有可能激勵出傳動鏈扭振。

圖3 某型機典型頻譜圖

分析直升機篩動時的FFT飛行振動數據可以得出，在2.7 Hz振動頻率時，前艙腳蹬地板、中減、尾減側向Y值的振幅明顯，前艙腳蹬地板側向Y值幅值約為0.049g，中減側向Y值幅值約為0.082g，尾減側向Y值幅值約為0.123g(見圖4)。

a) 前艙腳蹬地板側向Y值

c) 尾減側向Y值

對比該型機其他直升機在2.7 Hz振動頻率的連續譜飛行振動數據可以得出，該架機前艙Y值振幅已遠超該型機平均值0.01g左右，且別架機出現峰值的維持時間非常短(見圖5)。

a) 前艙腳蹬地板側向Y值

b) 中減側向Y值

c) 尾減側向Y值

綜合上述飛行振動數據基本認為，該架機空中側向低頻晃動的原因是傳動鏈2.7 Hz扭振引起的。下述按對傳動鏈扭振類故障進行問題處理。

2.3 傳動鏈扭振

產生扭轉振動的根本原因是旋轉機械的主動力矩與負荷反力矩之間失去平衡，致使合成扭矩的方向來回變化，而該型機雙發動力輸出軸轉動方向相反，在受到擾動時，必然導致扭振的發生[6]。

直升機傳動鏈主要由發動機、旋翼、尾槳、傳動系統組成，因此直升機傳動鏈扭振主要與發動機、旋翼、尾槳、傳動系統等系統狀態有關(見圖6)，具體排故情況如下[7]。

1)PAO現象。

PAO現象又稱為飛行員輔助振蕩，在機體振動時飛行員將隨著機體振動，即直升機振動時飛行員握桿較緊時，通過飛行員手臂的牽連運動導致飛行操縱中引入與飛行員振動同頻的波動，經飛控系統耦合作用后，就會進一步加劇機體的振動。

圖6 傳動鏈扭振的主要原因

經與飛行員溝通，飛行員在出現扭振時動作輕柔，做到總距穩定并輕微握桿，避免出現PAO現象，基本排除PAO現象的可能性。

2)旋翼系統。

按表3進行故障處理并開展試飛驗證工作，篩動現象均未改善。

表3 旋翼系統排故歷程

3)動力系統。

開展更換發動機(左右)的對比試飛，飛行員表示換發后有體感輕微改善。完成飛行試驗后進行振動數據對比，換發后振動值明顯下降(前艙側向由0.05g降低至0.02g)。開展配平方式切換(溫度配平/扭矩配平)的對比試飛，飛行員表示溫度配平試飛有體感較大改善，完成飛行試驗后進行振動數據對比，溫度配平試飛的振動值明顯下降(前艙側向由0.05g降低至0.01g)。振動數據對比見表4。

表4 振動數據對比

從振動數據以及機組反饋情況表明，該架機由發動機輸出的扭矩波動是扭振的驅動力，導致傳動鏈系統出現較大的扭振響應，引起側向低頻篩動，因此可以認為改變扭振激勵源是解決扭振問題的一種辦法。

然而，飛行員反饋換發前后篩動體感略微改善，未達到可接受范圍，而溫度配平試飛可接受，但在使用上仍需解決扭矩配平試飛問題。

4)傳動系統。

對傳動系統進行基本的安裝固定性檢查，同時重新安裝主減速器，重新安裝尾傳動軸并更換主減輸出法蘭，完成相應調整和檢查工作后開展試飛驗證，連續2個飛行員反饋未發生篩動現象，第3個飛行日故障復現，做數據對比可以得出飛行員反饋的篩動現象出現時間與振動數據基本吻合(見表5)。

表5 篩動前后振動數據

綜合上述問題處理的過程可以基本確定是直升機扭振導致的側向低頻篩動，目前暫未確定故障點。

3 故障機理分析

從動力學角度，旋翼系統、傳動系統和動力系統等旋轉部件構成一個耦合扭轉動力學系統，發動機是動力傳動鏈的重要組成部分，因此動力傳動鏈扭振系統是發動機的電調控制系統耦合在一起的(見圖7)。

圖7 扭轉振動與發動機電調控制系統耦合圖

當直升機雙發轉速不一致時，由于雙發動力輸出軸轉動方向相反，故輸出扭矩在同一直線上失去平衡，會導致直升機出現扭振現象；另外一方面機械傳動鏈系統在受到外界干擾下，發動機轉速發生變化，而發動機控制是以保持發動機轉速恒定為目標，當發動機轉速發生變化時(脈動或波動)，轉速傳感器感受到轉速變化，并通過電調/燃調進行調整修正，通過改變燃油量來修正轉速，因此當發動機轉速有脈動時，燃油量也會有脈動變化，這樣導致發動機輸出扭矩出現脈動變化。這就相當于對傳動鏈施加了激勵，從而出現傳動鏈扭振現象。雖然在這一回路中串入了凹陷濾波器降低振動的幅值，避免了扭振系統耦合振動的發散，但不能完全消除，而剩余的振幅又無法被系統阻尼(如旋翼阻尼器阻尼、氣動阻尼等)很快消耗，就會導致機體出現長時間的晃動[8]。

4 后續工作

旋翼-傳動-發動機組成的扭振系統在受到擾動發生振蕩時會成為人體感受到側向低頻篩動的源頭，離旋翼中心越遠感受越顯著。結合機理分析認為，后續工作主要在如下3個方面開展。

1)旋翼阻尼的影響。旋翼阻尼主要分為氣動阻尼和旋翼阻尼器的阻尼，增大阻尼性能可以耗散旋翼系統擺振能量，降低該頻點的振動值，所以認為通過優選主旋翼阻尼器和調整主旋翼動平衡來增大阻尼性能是排故方向之一。

2)發動機的影響。發動機的扭矩輸出是扭振的激勵源，發動機電調內的凹陷濾波器在2.7 Hz下能降低振動的幅值，上述飛行試驗已經證明改變激勵源能有效改善直升機振動，所以認為通過優選發動機改善激勵源是排故方向之一。

3)傳動系統的影響。傳動系統存在膜片聯軸節、主減底部金屬彈性板及各軸的連接和同軸度等影響因素，如存在變化，會導致存在異常的沖擊脈動激勵，引發系統不穩定，上述飛行試驗已經證明，改變傳動系統的安裝固定性可以改善扭振現象，所以認為通過優選傳動系統中重要部件改善傳動鏈連接性是排故方向之一。

5 結語

本文涉及的傳動鏈扭振是直升機常見振動問題的一類，實際上直升機在試飛過程中還存在尾振、“拍頻”振動、共振等多種振動問題，在不同頻率下均存在振動超限的隱患，因此開展常態化振動監測和專業化數據分析已經勢在必行。

通過持續采集整機不同部位振動的頻譜，將振動測試采集系統的數據與飛行參數記錄系統的數據融合，發現直升機基本系統狀態的變化，及時采取必要的維修處理，有助于提升直升機的可靠性和使用壽命[9-11]。