某型直升機(jī)空中低頻振動(dòng)原因分析及問(wèn)題處理

鄭坤 薛晨 呂一鳴 周圣宏

摘 要：【目的】通過(guò)低頻振源頻率分析和機(jī)載振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)來(lái)研判直升機(jī)的低頻振動(dòng)問(wèn)題，為同類問(wèn)題的分析與處理提供一定的參考。【方法】對(duì)某型機(jī)主旋翼1 Ω振動(dòng)、主尾旋翼形成的拍振和傳動(dòng)鏈扭振進(jìn)行振動(dòng)機(jī)理分析，結(jié)合振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀。【結(jié)果】從主槳振動(dòng)和主槳錐體兩個(gè)方面改善主旋翼1 Ω振動(dòng)，從基礎(chǔ)頻率、振動(dòng)水平和飛行姿態(tài)三個(gè)方面改善主尾旋翼形成的拍振，從旋翼、傳動(dòng)、動(dòng)力三個(gè)系統(tǒng)及飛行姿態(tài)等方面改善傳動(dòng)鏈扭振。【結(jié)論】直升機(jī)振動(dòng)故障排除需要通過(guò)振動(dòng)的表象結(jié)合數(shù)據(jù)分析找到故障的根源，改善直升機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)一步保證飛行安全。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；振動(dòng)；飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)；使用維護(hù)建議

中圖分類號(hào)：V217.33? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）10-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.009

Abstract：[Purposes] Through the frequency analysis of low frequency vibration source and the monitoring of airborne vibration monitoring system， the low frequency vibration problem of helicopter is analyzed and judged， which provides some guiding significance for the analysis and treatment of similar problems. [Methods] Through analyzing the vibration mechanism of the 1 Ω vibration of the main rotor and the beat vibration formed by the main tail rotor and the torsional vibration of the transmission chain of a certain type of aircraft， and combing with the vibration data， relevant analysis was made. [Findings] The 1 Ω vibration of the main rotor was improved from the two aspects of the main rotor vibration and the main rotor cone. The beat vibration of the main and tail rotor was improved from the three aspects of basic frequency， vibration level and flight attitude. The torsional vibration of the transmission chain was improved from the three systems of rotor， transmission， power and flight attitude. [Conclusions] Helicopter vibration troubleshooting needs to find the root cause of the fault through the appearance of vibration combined with data analysis， improve helicopter vibration， and further ensure flight safety.

Keywords：helicopter; vibration; data of vibration during flight; maintenance suggestion

0 引言

低頻振動(dòng)對(duì)人體的危害主要是精神方面的刺激和身體功能的下降。直升機(jī)因其獨(dú)特構(gòu)型，容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)類問(wèn)題。國(guó)外某些直升機(jī)型號(hào)（如NH90、EH101及“科曼奇”）在試飛初期曾出現(xiàn)過(guò)“Tail shake /Buffet”低頻振動(dòng)問(wèn)題；國(guó)內(nèi)有關(guān)型號(hào)加裝測(cè)試設(shè)備后在試飛過(guò)程中也多次出現(xiàn)過(guò)低頻振動(dòng)問(wèn)題 ［1-2］。

1 典型故障描述

某型國(guó)產(chǎn)直升機(jī)在飛行過(guò)程中，部分架次容易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，機(jī)身出現(xiàn)異常的低頻振動(dòng)，飛行員反饋存在明顯體感晃動(dòng)，影響飛行任務(wù)執(zhí)行。

2 原因分析和問(wèn)題處理

2.1 故障發(fā)生原因

飛行員反饋現(xiàn)象為直升機(jī)空中低頻振動(dòng)。該型機(jī)的主要低頻振動(dòng)源頻率，見(jiàn)表1［3］。

人體多個(gè)部位都有固有頻率，關(guān)鍵部位的固有頻率在0～60 Hz，見(jiàn)表2。長(zhǎng)時(shí)間處于低頻振動(dòng)的環(huán)境中會(huì)引起人體不適，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難發(fā)生［4］。

初步判定低頻振動(dòng)的主要影響頻率有以下三類。①主旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率5.1 Hz；②主旋翼5 Ω轉(zhuǎn)速頻率25.5 Hz和尾旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率26.8 Hz形成的1.3 Hz拍振；③傳動(dòng)鏈扭振固有頻率2.7 Hz。直升機(jī)機(jī)體低頻振動(dòng)原因分析如圖1所示。

對(duì)主要低頻振動(dòng)源頻率進(jìn)行綜合分析，以某架機(jī)的低頻振動(dòng)故障為例，基于飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)和振動(dòng)機(jī)理，從以下三個(gè)方向開(kāi)展故障排除工作，并給出日后直升機(jī)使用維護(hù)建議。

2.2 主旋翼1 Ω振動(dòng)

2.2.1 振動(dòng)機(jī)理分析。主槳葉在出廠前進(jìn)行過(guò)靜平衡與動(dòng)平衡檢查，但主槳轂沒(méi)有進(jìn)行平衡檢查。由于主槳轂的制造和安裝偏差及其他因素的影響，主旋翼的錐體和平衡會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。對(duì)主旋翼進(jìn)行錐體和動(dòng)平衡檢查調(diào)整，將主旋翼槳尖錐度差、水平方向和垂直方向的振動(dòng)水平控制在一定范圍內(nèi)，以滿足整機(jī)的振動(dòng)要求。為降低直升機(jī)振動(dòng)，確保飛行安全，要定期對(duì)主旋翼系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整［5］。該型機(jī)的主旋翼額定轉(zhuǎn)速為306 r/min，主旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率為5.1 Hz，直升機(jī)試飛過(guò)程中主槳振動(dòng)或主旋翼錐體不好時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致一定程度的低頻晃動(dòng)，引起人體不適。

2.2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)判讀。5.1 Hz振動(dòng)水平變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖2可以看出，該架機(jī)的主旋翼振動(dòng)水平較低，在0.005 g左右，均在要求范圍內(nèi)，無(wú)須進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化工作。

2.2.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)主旋翼1 Ω振動(dòng)的機(jī)理分析和以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，主要從以下兩個(gè)方向來(lái)改善該型機(jī)的主旋翼基振。①主槳振動(dòng)優(yōu)化。包括調(diào)整主槳轂配重、更換主槳葉、更換主槳阻尼器、更換主槳轂；②主槳錐體優(yōu)化。包括調(diào)整變距拉桿的長(zhǎng)度、調(diào)整主槳葉后緣調(diào)整片的角度。

2.3 主尾旋翼形成的拍振

2.3.1 振動(dòng)機(jī)理分析。拍頻振動(dòng)現(xiàn)象常出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)中，產(chǎn)生原因是該型直升機(jī)25.5 Hz和26.8 Hz頻率比較靠近［6］，當(dāng)這兩個(gè)振動(dòng)的振幅相等或相近時(shí)，就會(huì)形成一種合成的振動(dòng)，即“拍”。人體實(shí)際感受到的應(yīng)為兩個(gè)合成振動(dòng)的外輪廓，其頻率應(yīng)該為主旋翼5 Ω轉(zhuǎn)速頻率和尾旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率相減的1.3 Hz振動(dòng)。此時(shí)，拍振頻率為1.3 Hz，振動(dòng)周期較長(zhǎng)，人體感受到明顯的振動(dòng)起伏。典型拍頻振動(dòng)波形如圖3所示。

2.3.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)判讀。改變尾槳紅色變距拉桿長(zhǎng)度來(lái)改善尾槳Y向振動(dòng)，水平變化趨勢(shì)如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，2022年6月后，26.8 Hz尾槳Y向振動(dòng)振幅較之前有顯著下降（由0.35 g左右下降至0.15 g左右）；同時(shí)，1.3 Hz拍頻振動(dòng)振幅也顯著下降（由1.00 g左右下降至0.40 g左右），人體的振動(dòng)感受有明顯下降。

2.3.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)主尾旋翼拍振的機(jī)理、振動(dòng)數(shù)據(jù)和以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，若要改善該型機(jī)的拍振現(xiàn)象，主要從以下三個(gè)方面開(kāi)展工作。①基礎(chǔ)頻率更改。更改主旋翼5 Ω和尾槳1 Ω的頻率，增大兩者之間的頻率差。成品技術(shù)狀態(tài)調(diào)整，旋翼、傳動(dòng)、動(dòng)力等系統(tǒng)的更改（涉及的系統(tǒng)較多而且會(huì)影響全機(jī)主要性能指標(biāo)，不建議輕易調(diào)整）；②振動(dòng)水平優(yōu)化。增大主旋翼5 Ω和尾槳1 Ω頻率下的振幅差，改變駕駛艙內(nèi)兩頻率的振幅：調(diào)整主旋翼錐體和動(dòng)平衡、調(diào)整尾旋翼動(dòng)平衡、調(diào)整尾旋翼變距拉桿長(zhǎng)度、更換尾槳葉等旋翼部件；③飛行姿態(tài)更改。拍頻現(xiàn)象與主尾旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的固有倍頻的振幅相關(guān)，而主尾旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的固有倍頻與飛行姿態(tài)息息相關(guān)，因此當(dāng)座艙出現(xiàn)拍頻振動(dòng)時(shí)，可以嘗試操縱直升機(jī)改變當(dāng)前飛行狀態(tài)進(jìn)而改善拍頻現(xiàn)象。

2.4 傳動(dòng)鏈扭振

2.4.1 振動(dòng)機(jī)理分析。機(jī)械扭振系統(tǒng)由直升機(jī)旋翼、尾槳、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)組成，通用名稱為傳動(dòng)鏈扭振系統(tǒng)。該系統(tǒng)承受旋翼、尾槳交變扭矩的激勵(lì)。旋翼、尾槳、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成一個(gè)耦合扭振動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振系統(tǒng)是與發(fā)動(dòng)機(jī)的電調(diào)、燃調(diào)控制系統(tǒng)耦合在一起的。因此，現(xiàn)代直升機(jī)傳動(dòng)鏈扭振問(wèn)題本質(zhì)上是直升機(jī)機(jī)械扭振系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的電調(diào)、燃調(diào)控制系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題，如圖6所示［7］。

該型直升機(jī)在科研階段進(jìn)行地面動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振固有頻率試驗(yàn)（地面開(kāi)車時(shí)反復(fù)提放總距進(jìn)行激勵(lì)），實(shí)測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)鏈的扭振固有頻率是2.7 Hz，并通過(guò)扭振穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證該型機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈穩(wěn)定性滿足要求［8］。

2.4.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)判讀。2.7 Hz振動(dòng)水平變化趨勢(shì)如圖7所示，2.7 Hz振動(dòng)最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間如圖8所示。由圖8可以看出，動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振現(xiàn)象在每個(gè)飛行場(chǎng)次均持續(xù)存在。

2022年8月，更換兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)后開(kāi)展新的試飛驗(yàn)證工作，對(duì)比結(jié)果如圖9和圖10所示。進(jìn)一步對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)進(jìn)行分析和對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3，換發(fā)后發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的波動(dòng)情況均有明顯改善。

2.4.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)傳動(dòng)鏈扭振的機(jī)理、振動(dòng)數(shù)據(jù)和以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)分析，改善該型直升機(jī)的扭振現(xiàn)象主要從以下四個(gè)方面開(kāi)展工作。①旋翼系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)選主旋翼阻尼器，增大機(jī)械阻尼性能；優(yōu)化主旋翼振動(dòng)、錐體，增大氣動(dòng)阻尼性能。②傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)選傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件和重要部件，改善傳動(dòng)系統(tǒng)連接性。③動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)，改善振動(dòng)激勵(lì)源。④飛行姿態(tài)更改。操縱直升機(jī)改變當(dāng)前狀態(tài)，保持總距桿駕駛桿穩(wěn)定，并輕微握桿駕駛直升機(jī)改變當(dāng)前飛行姿態(tài)；撥動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)配平開(kāi)關(guān)，直升機(jī)若出現(xiàn)低頻振動(dòng)，由“扭矩配平”改至“溫度配平”。

3 結(jié)語(yǔ)

直升機(jī)構(gòu)型和工作原理獨(dú)特，加之旋轉(zhuǎn)部件多，飛行過(guò)程中的影響因素也相對(duì)較多，因此直升機(jī)比固定翼飛機(jī)振動(dòng)水平要高。在對(duì)直升機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行排除時(shí)，只有通過(guò)振動(dòng)的表象結(jié)合數(shù)據(jù)分析，才能找到故障根源，從而保證飛行安全。工作人員對(duì)異常頻率的振動(dòng)、特定頻率振動(dòng)幅值突變等情況要高度重視，對(duì)振動(dòng)問(wèn)題要甄別異常現(xiàn)象，并結(jié)合該型直升機(jī)主要的振源頻率專業(yè)判斷飛行數(shù)據(jù)，鎖定振動(dòng)來(lái)源開(kāi)展排故工作，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出合理的使用維護(hù)建議，進(jìn)而提升直升機(jī)構(gòu)可靠性和延長(zhǎng)使用壽命［8-9］。

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收稿日期：2022-10-17

作者簡(jiǎn)介：鄭坤（1991—），男，碩士，工程師，研究方向：試飛技術(shù)。