直升機(jī)傳動(dòng)軸系動(dòng)平衡測量與調(diào)整技術(shù)研究

［關(guān)鍵詞］傳動(dòng)軸；直升機(jī)；動(dòng)平衡；振動(dòng)

［中圖分類號］V275.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0033–03

現(xiàn)代直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由各組件組成的傳遞能量的整體[1]，一般由動(dòng)力裝置、各減速器及傳動(dòng)軸和軸向聯(lián)軸節(jié)組成。為保證傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)值在相關(guān)技術(shù)文件所規(guī)定的范圍，必須對直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)上動(dòng)平衡及現(xiàn)場動(dòng)平衡工作。其中，機(jī)上動(dòng)平衡主要是在動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，一般由傳動(dòng)軸生產(chǎn)廠商實(shí)施；而直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在直升機(jī)出廠前，也必須進(jìn)行傳動(dòng)軸系的現(xiàn)場動(dòng)平衡工作，以達(dá)到減少因軸系不平衡而引起的直升機(jī)振動(dòng)的目的。

1軸系動(dòng)平衡原理

由于設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面的因素，材質(zhì)不均勻及制造安裝誤差等原因，所有實(shí)際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線[2]。實(shí)際上軸系轉(zhuǎn)子一般由1 個(gè)或多個(gè)主軸、裝配在主軸上的各零部件及連接各主軸之間的附件組成，在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中各傳動(dòng)軸的連接方式及連接件有很多種類，如常見的有法蘭盤連接、花鍵連接、萬向連接、柔性連接等。若對軸系上的每個(gè)微小的橫截面進(jìn)行分析會發(fā)現(xiàn)，每個(gè)橫截面上都有可能產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，實(shí)際上轉(zhuǎn)子的整體不平衡是由無數(shù)個(gè)沿橫截面分布的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的，這些不平衡量的大小和位置基本上都不一致。可以用以下公式表示：

F（x）=m（x）ω²r（x） （ 1）

式中，F(xiàn)（x）為不平衡慣性力，m（x）為不平衡質(zhì)量，ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，r（x）為不平衡徑矢。

為了使軸系轉(zhuǎn)子達(dá)到完全的平衡狀態(tài)，必須把各橫截面上的不平衡慣性力平衡掉。這樣就必須找到各橫截面不平衡量的位置和大小，操作難度非常大，而且是無法實(shí)現(xiàn)的。前文講到動(dòng)平衡的目的是減少軸系產(chǎn)生的振動(dòng)，或者說減少軸系安裝結(jié)構(gòu)處所引起的振動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)，人為在旋轉(zhuǎn)軸系上的1 個(gè)或幾個(gè)有限的校正面上增加或減少配重，盡可能地使振動(dòng)水平減小到規(guī)定的范圍內(nèi)。但即使軸系完成了動(dòng)平衡后，從任意橫截面進(jìn)行分析，仍然存在不平衡現(xiàn)象。軸系動(dòng)平衡原理就是在轉(zhuǎn)子上選取1個(gè)或多個(gè)校正面。在校正面上增加配重使配重的離心慣性力與不平衡慣性力相抵消，或者在校正面去掉相應(yīng)的配重使得原有的不平衡力消除或減小。

2軸系動(dòng)平衡方法與測量技術(shù)

2.1平衡方法

2.1.1單轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡法

單轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡法主要是把軸系中的多個(gè)轉(zhuǎn)子單獨(dú)出來，看成由一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)子組成的系統(tǒng)。逐個(gè)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡，一個(gè)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡達(dá)到要求后，再對下一個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡。實(shí)踐證明，這種方法非?？煽浚茉O(shè)計(jì)等因素的影響，目前大部分動(dòng)平衡試驗(yàn)均需要對機(jī)械設(shè)備（或平衡機(jī)）進(jìn)行停機(jī)后，才能進(jìn)行加（或減）配重工作，且加（或減）配重工作未必一次就能達(dá)到想要的結(jié)果，這樣就導(dǎo)致需要反復(fù)進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作，影響試驗(yàn)進(jìn)度。

2.1.2多轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡法

多轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡法是把軸系中需要平衡的轉(zhuǎn)子都看成單轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子調(diào)整時(shí)將各處的動(dòng)平衡配重都加上。當(dāng)兩根不平衡轉(zhuǎn)子之間有平衡良好的轉(zhuǎn)子相隔，或兩根不平衡轉(zhuǎn)子之間距離較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子之間相互影響較小時(shí)，則可以采用多轉(zhuǎn)子平衡法進(jìn)行軸系動(dòng)平衡調(diào)整。多轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡法可以減少試車次數(shù)，平衡效果主要由操作者對方法的掌握及軸系不平衡的復(fù)雜程度決定。

2.2軸系平衡測量技術(shù)

2.2.1振動(dòng)的測量

在直升機(jī)傳動(dòng)軸系主要采用的測量方法是絕對軸承振動(dòng)測量。絕對軸承振動(dòng)測量是轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)相對與靜止參考點(diǎn)的振動(dòng)，在直升機(jī)上主要測量支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)身結(jié)構(gòu)的相對振動(dòng)。支撐結(jié)構(gòu)（主要是軸承）存在3 個(gè)方向的振動(dòng)，分別為軸向、水平、垂直。在實(shí)際的動(dòng)平衡調(diào)整過程中，根據(jù)需求可測量某一或某幾向的振動(dòng)水平，根據(jù)設(shè)計(jì)廠家給出的振動(dòng)要求，確定振動(dòng)值是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足要求，再進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。

2.2.2相位的測量

在軸系動(dòng)平衡中廣泛使用的是脈沖法，使用脈沖法時(shí)，在測量的傳動(dòng)軸上做好基準(zhǔn)標(biāo)記，在參考點(diǎn)附近的靜止結(jié)構(gòu)上安裝振動(dòng)傳感器和鍵相傳感器。這樣基準(zhǔn)標(biāo)記隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每當(dāng)基準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)轉(zhuǎn)過鍵相傳感器時(shí)，鍵相傳感器就會輸出一個(gè)脈沖信號，如此周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，鍵相傳感器就會輸出一系列脈沖信號。這些脈沖信號通過解算可作為振動(dòng)傳感器的參考相位，將脈沖信號與振動(dòng)信號按一定的規(guī)律進(jìn)行比較，計(jì)算兩個(gè)參考點(diǎn)的時(shí)間差，然后將時(shí)間差與脈沖的周期進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)變成以360°作分度的相位角，這樣就可以在頻譜分析儀上得到不平衡的振動(dòng)相位。

3現(xiàn)場動(dòng)平衡技術(shù)

傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場動(dòng)平衡工作是直升機(jī)出廠前必須進(jìn)行的工作之一?？刂苽鲃?dòng)軸系的振動(dòng)水平，對直升機(jī)整機(jī)的性能提升十分有利。某型直升機(jī)傳動(dòng)軸系振動(dòng)傳感器的安裝位置如圖1 所示。

通過選取主減速器至中間減速器上的3個(gè)固定點(diǎn)（傳動(dòng)軸支撐結(jié)構(gòu)），在這3 個(gè)支撐點(diǎn)上安裝垂向振動(dòng)傳感器，傳感器分別通過3 根電纜連接至振動(dòng)頻譜分析儀上。通過頻譜分析儀可以直觀地顯示振動(dòng)頻譜圖及在某一旋翼轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。這里未采用相位傳感器進(jìn)行振動(dòng)相位測量，因?yàn)橹鄙龣C(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)場動(dòng)平衡無法通過改變傳動(dòng)軸的配重進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。

雖然無法通過改變傳動(dòng)軸上的配重來調(diào)整軸系的動(dòng)不平衡，但因?yàn)閭鲃?dòng)軸之間的特殊連接關(guān)系，可以轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸的角度來改變傳動(dòng)軸相對軸向位置。這樣就從側(cè)面改變了軸系各項(xiàng)的不平衡力矩，通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸角度最終達(dá)到調(diào)整傳動(dòng)軸系不平衡的目的。某型直升機(jī)傳動(dòng)軸法蘭盤連接如圖2所示。

從圖2可以看出， 該法蘭盤結(jié)構(gòu)呈三角形對稱，即3 個(gè)法蘭盤頂角是相同的，頂點(diǎn)之間的角度為60°。這樣在現(xiàn)場動(dòng)平衡調(diào)整過程中，操作者可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)軸軸向120°來調(diào)整其安裝位置，此操作可重復(fù)兩次。當(dāng)然假如某處或某幾處的傳動(dòng)軸的尺寸、功能一致，如圖1中4號、5號、6號處傳動(dòng)軸，可以通過調(diào)換傳動(dòng)軸的前后位置來調(diào)整軸系振動(dòng)水平，調(diào)整后若振動(dòng)水平仍未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，操作者仍可以進(jìn)行傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)向工作。

4典型故障分析

在某型機(jī)一次外場維護(hù)過程中，尾傳動(dòng)軸重新拆裝后，地面開車使旋翼達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，如圖1所示，用頻譜分析儀測量4號、5號、6號支點(diǎn)的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)5 號點(diǎn)的振動(dòng)值超限。此時(shí)按照第3 節(jié)的調(diào)整方法進(jìn)行直升機(jī)傳動(dòng)軸系動(dòng)不平衡調(diào)整，多次試車后5號點(diǎn)的振動(dòng)值均無法滿足設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)。而后操作者在尾梁內(nèi)部向上用力頂住5號支點(diǎn)軸承支座下方的蒙皮，5號支點(diǎn)振動(dòng)值明顯降低，而用力向上頂住4號支點(diǎn)軸承支座下方的蒙皮，4號點(diǎn)振動(dòng)值無明顯變化，因此猜想5號軸的支撐平臺蒙皮可能發(fā)生變形。

為驗(yàn)證是否是因?yàn)橹巫冃嗡鶎?dǎo)致的振動(dòng)超限，操作者制作兩件長約30 mm、寬約40 mm、厚約3 mm 的支撐橫條分別安裝在5 號軸承支座下方。然后地面試車進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值仍無法滿足要求。

為了進(jìn)一步確定問題原因，操作者在地面拆卸了5 號軸疊片聯(lián)軸節(jié)與法蘭盤的安裝螺栓，測量軸疊片聯(lián)軸節(jié)與法蘭盤之間的間隙，具體如圖3 所示，間隙X 值為1.5 mm，間隙Y 值為1.2 mm。這就導(dǎo)致了兩軸之間的軸系間隙出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，確認(rèn)該現(xiàn)象是導(dǎo)致整個(gè)傳動(dòng)軸系不平衡的原因。而后調(diào)整X 處的調(diào)整墊片，重新進(jìn)行動(dòng)平衡檢查，振動(dòng)值滿足要求。

此前在尾梁內(nèi)部用力向上頂住5 號支點(diǎn)下方蒙皮的方法，經(jīng)機(jī)上檢查發(fā)現(xiàn)，5號支點(diǎn)振動(dòng)傳感器是利用膠水粘貼在結(jié)構(gòu)上的，而4 號支點(diǎn)振動(dòng)傳感器安裝在振動(dòng)傳感器支架上。因?yàn)? 號支點(diǎn)振動(dòng)傳感器直接與結(jié)構(gòu)相連，由于人為向上的力直接作用于結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致傳感器上的部分振動(dòng)被外力吸收，所以導(dǎo)致5 號點(diǎn)的振動(dòng)下降。這種方法對4號點(diǎn)的作用，因振動(dòng)傳感器支架的影響，并不明顯。

綜上所述，直升機(jī)傳動(dòng)軸系上某一點(diǎn)的位置發(fā)生改變或某一位置的配重發(fā)生變化，都會影響整個(gè)軸系的動(dòng)平衡效果，進(jìn)而影響傳動(dòng)軸系的振動(dòng)水平。雖然傳動(dòng)軸系出廠后，無法對整個(gè)傳動(dòng)軸上的配重進(jìn)行調(diào)整，但在實(shí)際的現(xiàn)場動(dòng)平衡過程中，可以通過調(diào)整傳動(dòng)軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來達(dá)到預(yù)期的效果。

5結(jié)束語

通過分析直升機(jī)傳動(dòng)軸系現(xiàn)場動(dòng)平衡典型案例，得到了可以通過調(diào)整傳動(dòng)軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場動(dòng)平衡的目的。目前國內(nèi)外傳動(dòng)軸系動(dòng)平衡調(diào)整的方法很多，但傳動(dòng)軸系調(diào)整過程中，不可避免地會出現(xiàn)多次停車進(jìn)行檢查調(diào)整的情況，尋求一種較少停車的可自動(dòng)調(diào)節(jié)軸系動(dòng)平衡的方法目前仍在試驗(yàn)階段。相信隨著科技的不斷發(fā)展，該技術(shù)在未來的傳動(dòng)軸系動(dòng)平衡調(diào)整過程中將得到廣泛應(yīng)用。