直升機錐體測量與調(diào)整技術(shù)研究

［摘 要］文章介紹了直升機錐體測量的目的，分析了旋翼錐體測量方法，探討了旋翼錐體調(diào)整方法，并通過現(xiàn)場動平衡實例分析了旋翼錐體錐度調(diào)整對旋翼系統(tǒng)振動值的影響。研究結(jié)果表明，微小的錐度差可能會帶來更好的動平衡效果。

［關(guān)鍵詞］錐體；轉(zhuǎn)子；動平衡；錐度；振動

［中圖分類號］V275.1 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0149–03

直升機錐體測量技術(shù)是直升機旋翼動平衡測量的一項重要指標(biāo)，錐體的調(diào)整會影響旋翼動平衡結(jié)果，進而影響旋翼系統(tǒng)振動水平。錐體或打錐體的定義是盡量使所有主槳葉片翼尖軌跡在轉(zhuǎn)動中處于同一面上的過程。而槳葉作為為直升機提供升力的重要部件，其性能參數(shù)直接影響直升機的飛行品質(zhì)，若直升機的錐體不理想，可能會造成直升機在水平或垂直方向上產(chǎn)生振動，影響飛行員的體感或使機電設(shè)備產(chǎn)生不正常的晃動，影響飛行員對參數(shù)的判讀等。假如振動持續(xù)產(chǎn)生并作用于直升機上，甚至?xí)斐蓹C身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、操縱設(shè)備抖動等異常問題。因此對直升機同錐度問題的研究，在直升機日常維護中占據(jù)著重要地位。

1 旋翼錐體測量目的

直升機在地面試車或在飛行過程中，每片主槳葉的運動軌跡會形成以主槳轂為中心、以槳葉弦長為母線的倒立錐面，如圖1（a）所示。在直升機旋翼錐體測量時，一般會選擇1 片槳葉為基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)槳葉一般在旋翼系統(tǒng)裝機后不允許通過調(diào)節(jié)變距拉桿來改變槳葉的安裝位置，但可以通過測量方法來比較基準(zhǔn)槳葉與其他非基準(zhǔn)槳葉的高度差，來判斷錐體的好壞。若某1 片或某幾片的槳葉軌跡所形成的錐面與基準(zhǔn)槳葉所形成的錐面重合，可認為該片（幾片）槳葉與基準(zhǔn)槳葉處于同一錐面內(nèi)。否則，該片（幾片）槳葉就與基準(zhǔn)槳葉存在高度差，需要通過調(diào)整變距拉桿或槳葉后緣調(diào)整片來調(diào)整，旋翼槳葉錐體高度差示意如圖1（b）所示。

直升機錐體測量技術(shù)是旋翼動平衡測量的重要指標(biāo)，因為錐體測量與旋翼動平衡存在密切的關(guān)系。旋翼在轉(zhuǎn)動過程中，實際上就是一個轉(zhuǎn)子，對于轉(zhuǎn)子而言，由于設(shè)計、材質(zhì)不均勻及制造安裝誤差等原因，所有實際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線[3]。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，就不一定是一個平衡力系。即只要改變主槳葉某一或某幾個錐面的高度，均會導(dǎo)致旋翼動平衡發(fā)現(xiàn)變化。此外，從空氣動力學(xué)分析，主槳葉的錐面差異易導(dǎo)致各槳葉的升力產(chǎn)生較大的差異，進而導(dǎo)致機身出現(xiàn)不穩(wěn)等異常問題。所以對直升機進行錐體測量非常重要。

2 旋翼錐體測量方法

傳統(tǒng)的旋翼錐體測量方法有紙筒法、頻閃儀測量法、照相機測量法等，較先進的測量方法有激光測量、紅外無線測量等。為了研究其方法的優(yōu)缺點，以及其在實際工業(yè)生產(chǎn)中運用的廣泛程度，文章將選取幾個較為典型的方法進行闡述。

2.1 紙筒法

20 世紀(jì)70 年代，根據(jù)國家發(fā)展需求，我國引進了法國造的“超黃蜂”運輸直升機，該直升機旋翼材質(zhì)為金屬材料，所采用的旋翼錐體測量方法就是紙筒法。紙筒法也叫旗桿法，該方法使用1 個支架，支架上套有1 個加長的圓筒，圓筒的另一端裝有卷成圓柱體的牛皮紙。試車前操作者在每片主槳葉的翼尖處使用蠟筆依次在每片槳葉上凃上不同的顏色，這里有1種顏色標(biāo)記了基準(zhǔn)槳葉。以上工作操作完成后，地面進行試車，操作者舉起旗桿緩慢地靠近主槳葉的翼尖處，這樣所有的顏色都會在牛皮紙上標(biāo)記。通過測量標(biāo)記的高度，可以知道每片槳葉與基準(zhǔn)槳葉的高度差，通過高度差調(diào)整主槳轂變距拉桿的高度齒輪，就可以完成錐體調(diào)整的任務(wù)。

從以上的操作過程中可以看出，測量時需要人為地使用旗桿靠近高速旋轉(zhuǎn)的槳葉，而且測量數(shù)據(jù)需要在牛皮紙上進行。所以這種方法存在不安全、不精確等問題，此外，由于旗桿只能在地面上使用，所以該方法并不適用空中飛行時的錐體檢查。

2.2 頻閃儀測量法

隨著振動測量技術(shù)及光電傳感器技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了以頻譜分析為主的測振技術(shù)。該技術(shù)通過安裝于旋翼附近相對靜止部件上的振動傳感器和光電傳感器來采集信號，振動傳感器采集旋翼的振動信號，光電傳感器則采集轉(zhuǎn)速信號，兩路信號通過連接線纜分別傳輸至頻譜分析儀主機上。分析儀主機通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換將兩路傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在主機上顯示旋翼振動及轉(zhuǎn)速數(shù)值。當(dāng)主機上的轉(zhuǎn)速信號達到旋翼的額定轉(zhuǎn)速時，通過連接在頻譜分析儀主機上的頻閃儀發(fā)射頻閃信號，頻閃信號照射在安裝于主槳葉末端的靶標(biāo)紙（靶標(biāo)紙上標(biāo)記可識別的符號/數(shù)字，如1、2、3、4…等），可以在直升機的某幾個固定位置觀測到連續(xù)并排出現(xiàn)的標(biāo)記數(shù)字（符號）。通過基準(zhǔn)槳葉標(biāo)記的數(shù)字與非基準(zhǔn)槳葉標(biāo)記的數(shù)字之間的位置關(guān)系，來調(diào)整其他槳葉數(shù)字對應(yīng)的變距拉桿的長度，可以實現(xiàn)錐體調(diào)整的目的。

頻閃儀測量法具有測量直觀、測量過程簡單等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各型直升機的錐體測量工作中。但其也具有受人為因素影響較大、測量精度低、測量時間較長等缺點。

2.3 激光測量法

在直升機旋翼錐體測量過程中，所有非基準(zhǔn)槳葉都是以基準(zhǔn)槳葉為參考點進行錐度調(diào)整的。若槳葉之間存在高度差，則在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中，它們之間所形成的軌跡的高度也會出現(xiàn)差值，可通過計算各主槳葉與基準(zhǔn)槳葉的高度差來確定旋翼的同錐度水平。若從某幾個位置發(fā)射激光，那么主槳葉在切割這些由激光構(gòu)成的圖形時，所使用的時間必然不同。這樣就可以把測量錐度差問題轉(zhuǎn)換為簡單的幾何計算問題，激光測量法就是通過這個原理來測量旋翼錐體的。激光測量法具有自動化測量、測量精度高等優(yōu)點，因為這些優(yōu)點，激光測量法也逐漸地應(yīng)用于直升機維護工作中。

3 旋翼錐體調(diào)整方法

上文講到可通過調(diào)整主槳轂變距拉桿的長短來調(diào)整直升機主槳葉錐度，一般情況下主槳轂的變距拉桿都安裝在主槳轂各支臂的正下方，通過旋轉(zhuǎn)變距拉桿的螺紋結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)變距拉桿的伸長（或收縮），這樣就可以實現(xiàn)槳轂支臂的上下調(diào)整，進而達到調(diào)整安裝于主槳轂支臂上的主槳葉的高度的效果，一般變距拉桿上，“+”號代表往這個方向。

因主槳葉在直升機飛行或開車過程中，特別是在飛行過程中受空氣動力的影響很大，所以略微的氣流變化就很有可能影響主槳葉產(chǎn)生的升力，進而對直升機的錐體產(chǎn)生影響。基于以上原因，設(shè)計出了第2 種錐體調(diào)整方法，即調(diào)整安裝于主槳葉外部后緣調(diào)整片的彎曲角度來調(diào)整錐體。一般情況下，飛行錐體通常通過固定安裝的調(diào)整片來實現(xiàn)，主槳葉通常會有6～9片調(diào)整片，大多數(shù)情況只有1 片調(diào)整片是用來調(diào)整飛行錐體的，主槳葉調(diào)整片如圖2 所示。直升機維護手冊會給出調(diào)整片上下最大的允許調(diào)整角度，當(dāng)向下扳動后緣調(diào)整片時，主槳葉會下降，即錐體錐度向下；當(dāng)向上扳動后緣調(diào)整片時，主槳葉會上升，即錐體錐度向上。當(dāng)然由于調(diào)整片外形尺寸較小，對錐體的影響也較小，所以該方法僅適用于進行微小的錐體調(diào)整。

4 典型故障分析

在直升機旋翼維護過程中，旋翼動平衡與旋翼錐體調(diào)整是密不可分的兩項工作，只有當(dāng)兩項指標(biāo)均滿足要求，旋翼錐體動平衡工作才算完成。但這兩項工作又相互影響，所以現(xiàn)場動平衡工作通常較復(fù)雜。

某次現(xiàn)場錐體檢查結(jié)果如圖3（a）所示，其中1號點為基準(zhǔn)主槳葉靶標(biāo)，可以看出在地面時，錐體基本在一條直線上，振動值也滿足要求（≤ 0.3 IPS）；懸停時2 號點的靶標(biāo)錐度差為1 個靶標(biāo)，不滿足要求（≤ 1/2 個靶標(biāo)），振動值超限（0.35 IPS）；平飛時2 號點的靶標(biāo)錐度差為3/4 個靶標(biāo)，不滿足要求（≤ 1/2 個靶標(biāo)），振動值合格。此時進行第1 次調(diào)整，將2 號靶標(biāo)對應(yīng)的變距拉桿下調(diào)，使錐度下調(diào)1 個靶標(biāo)，結(jié)果如圖3（b）所示，可以看出，地面和懸停狀態(tài)的指標(biāo)不滿足要求。為了保證地面和飛行狀態(tài)的錐體與振動值均滿足要求，進行第2 次調(diào)整，將2 號靶標(biāo)上調(diào)1/2 個靶標(biāo)，結(jié)果如圖3（c）所示，可以看出，此時地面的錐體最大錐度差為1/2 個靶標(biāo)，振動為0.08 IPS，懸停時的錐體最大錐度差也為1/2 個靶標(biāo)，振動值為0.14 IPS，平飛時的錐體最大錐度差約為1/4 個靶標(biāo)，振動值為0.11 IPS，第2 次調(diào)整后的結(jié)果均滿足要求。

從第2 次的調(diào)整結(jié)果可以看出，雖然該型機在地面開車和懸停的過程中，錐體的錐度差并不是特別小，但該狀態(tài)的振動值卻能夠滿足設(shè)計要求，這說明微小的軌跡分離可能帶來更好的振動效果。

5 結(jié)束語

文章通過分析旋翼錐體的調(diào)整方法和過程，得到了旋翼錐體調(diào)整可導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)子動平衡發(fā)生變化的結(jié)論，即可通過調(diào)整旋翼錐體來改變旋翼轉(zhuǎn)子的動不平衡，使旋翼系統(tǒng)的振動達到令人滿意的結(jié)果。未來，可深入研究旋翼錐體的調(diào)整方法，為直升機的發(fā)展作出更大貢獻。

參考文獻

[1] 陳康. 直升機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[2] 蔡成濤. 直升機旋翼共錐度測量技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[3] 楊國安. 轉(zhuǎn)子動平衡實用技術(shù)[M]. 北京：中國石化出版社，2012.