無人機(jī)旋翼動平衡調(diào)整技術(shù)研究

旋翼動平衡調(diào)整，就是通過在相應(yīng)槳葉上加載合適配重，改善當(dāng)前不平衡度。動平衡調(diào)整的關(guān)鍵：一是準(zhǔn)確測量當(dāng)前動平衡狀態(tài)，包括不平衡度的數(shù)值和相位；二是了解配重塊對旋翼動平衡的影響系數(shù)和影響方向。對于第一項(xiàng)要求，目前的動平衡測量設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)。第二項(xiàng)要求則需要該型號旋翼專用的動平衡圖或調(diào)整軟件的幫助。輸入當(dāng)前動平衡狀態(tài)，通過繪圖投影關(guān)系或設(shè)備軟件給出的調(diào)整建議，直接得到各槳葉處的配重增減的情況。例如在S-70C直升機(jī)的動平衡檢查過程中，就是采用了1720監(jiān)測儀和專用的旋翼平衡表。實(shí)際上，大部分動平衡調(diào)整現(xiàn)場都缺少專用的動平衡圖或調(diào)整軟件。無人機(jī)的槳葉構(gòu)型有很多，常見的機(jī)型有2～4片槳葉，而大部分的無人機(jī)通常為兩片槳葉，其加載點(diǎn)一般布置在每片槳葉的兩個安裝螺栓上，加載點(diǎn)非均勻分布，造成其動平衡調(diào)整難度加大，增加整個調(diào)試時間。動平衡測量通常在額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，每一次開車都會影響到其他系統(tǒng)（例如發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)等）的壽命。因此，有必要探討缺乏相關(guān)工具軟件條件下的旋翼動平衡調(diào)整技術(shù)，盡量避免調(diào)整過程中的盲目性，減少調(diào)整次數(shù)，縮短整個調(diào)試時間，節(jié)約系統(tǒng)壽命。

旋翼動平衡調(diào)整的前提條件

根據(jù)回轉(zhuǎn)體的長度和直徑的比例關(guān)系，可以認(rèn)為旋翼的動平衡調(diào)整屬于單面校正的范疇。調(diào)試現(xiàn)場條件有限，通過試配重手動計(jì)算各支臂的影響系數(shù)矩陣不太可能實(shí)現(xiàn)。通過對各套試驗(yàn)槳葉觀察，可以認(rèn)為每片槳葉配重塊的各加載點(diǎn)分布半徑是相同，處于同一個平面內(nèi)，其夾角與槳葉的布置一致。根據(jù)動平衡影響系數(shù)原則得出以下3點(diǎn)前提條件：

（1）同一支臂加載所改變的動平衡變化矢量在幅值上與質(zhì)量成正比，相位不變；

（2）各支臂加載相同質(zhì)量，改變的動平衡矢量的幅值是相同；

（3）各支臂配重所引起的矢量變化的相位夾角與槳葉布置夾角一致。

旋翼動平衡調(diào)整的一般步驟

操作人員一般通過極坐標(biāo)系（ρ，θ）來描述整個動平衡調(diào)整過程。ρ指的是動平衡測量值的大小（IPS）， θ指的是動平衡測量值的相位。一般按ρ@θ記錄數(shù)據(jù)，例如0.12@6：30，在極坐標(biāo)中一個數(shù)據(jù)就是一個點(diǎn)位。接調(diào)整前、調(diào)整后的位置點(diǎn)，可以得到該支臂配重調(diào)整后動平衡的變化矢量。

現(xiàn)場需要筆、紙和三角板，為了便于現(xiàn)場繪制，可以事先準(zhǔn)備調(diào)整參考圖，參考圖上繪制了不同半徑的同心圓和時鐘時刻，圓心代表0 IPS，半徑等比例遞增，代表相應(yīng)的動平衡值大小。根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件，槳葉的最終動平衡值要求小于0.2IPS。因此，如果動平衡調(diào)整合格，對應(yīng)的動平衡點(diǎn)應(yīng)該落在代表0.2IPS的圓形區(qū)域內(nèi)。以下是旋翼動平衡調(diào)整和繪制初步動平衡圖的一般步驟：

（1） 測量當(dāng)前動平衡的幅值和相位；

（2）試配重，在任意一處支臂上加載一個單位的配重塊，測量動平衡值；

（3） 繪出該支臂的動平衡影響矢量，與該矢量相同的方向作為該支臂的動平衡加載坐標(biāo)軸；

（4） 以該支臂的加載坐標(biāo)軸為基準(zhǔn)，根據(jù)槳葉旋轉(zhuǎn)方向，按照當(dāng)前槳葉布局，繞圓心旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，依次得到各支臂加載坐標(biāo)軸。由于槳葉旋轉(zhuǎn)方向不同，各支臂經(jīng)過同一位置的先后順序也是不相同的。槳葉順時針旋轉(zhuǎn)，各支臂動平衡坐標(biāo)軸的布局方向應(yīng)與當(dāng)前配置支臂布局一致；槳葉逆時針旋轉(zhuǎn)，各支臂動平衡坐標(biāo)軸的布局方向與各支臂布局相反。該多坐標(biāo)圖即為初步的動平衡圖；

（5） 將動平衡矢量在坐標(biāo)系內(nèi)投影，找到合適的兩處加載支臂。具體配重質(zhì)量，根據(jù)試配重塊的質(zhì)量和動平衡幅值的比例關(guān)系確定；

（6）運(yùn)用已有的數(shù)據(jù)對該圖的角度和刻度進(jìn)行進(jìn)一步修正。

常規(guī)4片槳葉構(gòu)型的動平衡調(diào)整過程

以4片槳葉構(gòu)型無人機(jī)的某次動平衡調(diào)整為例，對動平衡調(diào)整過程進(jìn)行分析。

槳葉分布如圖1所示，分布夾角90°，槳葉仰視順時針旋轉(zhuǎn)，各片槳葉加載點(diǎn)與槳葉分布一致，用紅、黃、黑、藍(lán)來區(qū)分，黃色槳葉貼反光片，用來觸發(fā)轉(zhuǎn)速傳感器。

首次開車檢查結(jié)果為0.35IPS@9：57（A點(diǎn)），明顯不符合動平衡要求。操作員選擇了在黑色槳葉增加25g配重，開車后檢查結(jié)果為0.26IPS@8：59（B點(diǎn)）。以方向?yàn)楹谏珮~的動平衡加載坐標(biāo)軸。長度約為17.6mm（圖2中最小同心圓半徑為10mm，10mm長度定義為0.1IPS），對應(yīng)質(zhì)量塊為25g。槳葉順時針旋轉(zhuǎn)，支臂配重坐標(biāo)軸的布局形式與槳葉一致。將B點(diǎn)沿黃色槳葉坐標(biāo)軸投影，可以看出通過加載合適配重，動平衡點(diǎn)將會落在C’點(diǎn)，此時長度約為25mm，參考首次配重的比例關(guān)系，預(yù)估在黃色槳葉上需要加載。由于現(xiàn)有的配重塊只有25g，因此在黃色槳葉上加25g后，實(shí)際動平衡落在了0.12IPS@9：57（C點(diǎn)）。符合小于0.2IPS的要求，調(diào)整完成。詳細(xì)調(diào)整步驟繪圖如圖2所示。

實(shí)際應(yīng)用過程中，槳葉的顏色（或者序號）標(biāo)注的旋轉(zhuǎn)方向可能是順時針也可能是逆時針，這里有個小技巧，通過仰視或俯視槳葉，均按順時針方向繪制槳葉排序，和動平衡調(diào)整圖的順時針方向一致，這樣在配重加載過程不容易加反或者搞混。

加載點(diǎn)非均勻分布的動平衡調(diào)整技巧

以兩片槳葉無人機(jī)為例，其加載點(diǎn)一般布置在每片槳葉的兩個安裝螺栓上，如3所示。由于4個加載點(diǎn)非均勻分布，且同一片槳葉上2個加載點(diǎn)位夾角很小，造成其動平衡調(diào)整難度加大，甚至有時候會出現(xiàn)一兩天多次調(diào)整還調(diào)不好的情況。

由于槳葉上4個加載點(diǎn)分布不均勻，其中單片槳葉2個加載點(diǎn)夾角較小，夾角小于8°，在單個位置加載配重后，實(shí)際測量值偏差較大，不方便繪圖計(jì)算。出于簡化計(jì)算的考量，可以成對加載配重，人為的形成直角分布的加載坐標(biāo)軸系，虛擬成4片槳葉常規(guī)構(gòu)型，方便調(diào)整計(jì)算。如圖3所示，在1#和2#同時加上相同的配重，相當(dāng)于在1#和2#中間的X-方向加載配重，同理，在1#和3#同時加上相同的配重，相當(dāng)于在1#和3#中間的Y+方向加載配重。這種方式也同樣適用于剪刀型槳葉（例如帶夾角的尾槳）或其他類型非均勻分布加載點(diǎn)的旋翼動平衡調(diào)整。

在實(shí)際工況中，3片槳葉，5片槳葉等單數(shù)槳葉構(gòu)型中，也可以應(yīng)用成對加載配重的方式，擬合坐標(biāo)軸系，調(diào)整計(jì)算。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看，這么做確實(shí)能夠簡化計(jì)算，比起單片加載配重來說能夠提高調(diào)整效率。

動平衡調(diào)整的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際工作中，同一副旋翼往往要經(jīng)歷多階段的試驗(yàn)。每次振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、反光片的安裝位置存在各不相同的情況。此時由于動平衡的參考零時刻改變了，不能直接套用該旋翼的動平衡圖進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際操作中，可以先在任意一處支臂上增加一個質(zhì)量很小的配重，在極坐標(biāo)圖中繪出該配重塊引起的不平衡度矢量，繞圓心旋轉(zhuǎn)動平衡圖的各坐標(biāo)軸，使該支臂坐標(biāo)軸與該配重引起的不平衡度矢量的方向相反，完成對初始零位的重新標(biāo)定，之后可以按變換后的動平衡圖進(jìn)行調(diào)整了，如圖4所示。

例如，現(xiàn)場重新安裝了槳葉，重新調(diào)整動平衡。第一次動平衡測量值為0.2IPS@2：50，在圖2的原動平衡圖的坐標(biāo)系中，繪出A點(diǎn)，選擇在黑色槳葉加配重塊25g，得到B點(diǎn)（0.25IPS@2：10），直線AB方向就是加載配重的槳葉方向。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，使坐標(biāo)軸黑色槳葉方向與矢量平行。按照旋轉(zhuǎn)后的動平衡圖提示，卸載第一次黑色槳葉加的25g配重，改為黃色槳葉加配重25g，動平衡測量為0.09IPS@1：38，繪出C點(diǎn)，滿足動平衡調(diào)整小于0.2 IPS的要求。從新坐標(biāo)軸的動平衡圖上可以看出，動平衡A點(diǎn)到C點(diǎn)移動的趨勢與坐標(biāo)軸黃色槳葉的方向基本符合，質(zhì)量-長度比例關(guān)系也很相符。整個調(diào)整過程配重兩次，實(shí)際情況如圖4所示。

在實(shí)際動平衡調(diào)整工作中，有時候會遇到初始測量的動平衡值較大的情況，出于安全考慮，加載的配重會比較謹(jǐn)慎。通過逐步增加配重，調(diào)整的次數(shù)也會相應(yīng)增加。一般調(diào)整2～5次，可以滿足旋翼振動小于0.2IPS的要求。

結(jié)論

通過對以往旋翼動平衡的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，形成了旋翼動平衡調(diào)整的實(shí)施方法，并提供了動平衡圖的繪制和使用技巧。這種依據(jù)各支臂對不平衡矢量影響的大小和方向來決定加載配重位置的調(diào)整技術(shù)，可以避免以前盲目加載的被動性，不用考慮初始零點(diǎn)的相對位置，通過設(shè)備測量數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場只需要筆、紙和三角板繪圖就能完成動平衡調(diào)整工作，具有良好的操作性。調(diào)整2～5次，動平衡就能達(dá)到要求。在現(xiàn)場工作中，極大的提高了動平衡調(diào)整的準(zhǔn)確性和快速性，減少了無人機(jī)開車次數(shù)，節(jié)省系統(tǒng)壽命。這對于其他類型旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺的動平衡調(diào)整、以及有人無人直升機(jī)的動平衡調(diào)整都具有積極的借鑒意義。