直升機(jī)旋翼錐體與動(dòng)平衡測(cè)量技術(shù)研究

摘 要 根據(jù)直升機(jī)旋翼錐體和動(dòng)平衡維護(hù)工作的重要性，分析了錐體和動(dòng)平衡測(cè)量的特點(diǎn)，得出空中旋翼錐體測(cè)量是錐體測(cè)量的主要難點(diǎn)、空中動(dòng)平衡測(cè)量是動(dòng)平衡測(cè)量的主要難點(diǎn)。對(duì)錐體和動(dòng)平衡測(cè)量的微弱信號(hào)高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)、動(dòng)平衡數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)、頻閃儀測(cè)量錐體高精度跟蹤測(cè)量技術(shù)和光學(xué)傳感器測(cè)量錐體數(shù)字處理技術(shù)等4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了解決方向。并對(duì)進(jìn)一步的研究發(fā)展給出了建議。

【關(guān)鍵詞】旋翼錐體測(cè)量 動(dòng)平衡測(cè)量 直升機(jī)

直升機(jī)旋翼錐體和動(dòng)平衡一直是直升機(jī)生產(chǎn)、使用、維護(hù)等過(guò)程中的重要檢查項(xiàng)目之一。長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在努力研究如何減少直升機(jī)的振動(dòng)水平。直升機(jī)的振源主要有旋翼系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件等，其中，旋翼是影響直升機(jī)振動(dòng)的最主要因素之一。由于旋翼是直升機(jī)減振的關(guān)鍵部件，旋翼槳葉錐體和槳葉動(dòng)平衡調(diào)整的結(jié)果直接影響到直升機(jī)振動(dòng)水平的大小，它對(duì)直升機(jī)的壽命、飛行性能、安全性、舒適性各方面都起著決定性的作用。因此，研究調(diào)整旋翼槳葉錐體和槳葉動(dòng)平衡的方法是降低直升機(jī)振動(dòng)水平、改善直升機(jī)振動(dòng)環(huán)境、提高直升機(jī)飛行品質(zhì)的有效途徑。但首先需要精確測(cè)量直升機(jī)旋翼的錐體和動(dòng)平衡值，只有取得準(zhǔn)確的錐體和動(dòng)平衡數(shù)據(jù)，才有可能研究和實(shí)施降振方法和措施。因此直升機(jī)旋翼錐體和動(dòng)平衡的測(cè)量是直升機(jī)設(shè)計(jì)和維護(hù)保障工作中的重點(diǎn)研究課題之一。直升機(jī)旋翼錐體和動(dòng)平衡測(cè)量設(shè)備的常見(jiàn)架構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

1 錐體和動(dòng)平衡測(cè)量特點(diǎn)和難點(diǎn)

現(xiàn)有直升機(jī)尤其是新研制的直升機(jī)在性能和乘員舒適性方面考慮得越來(lái)越多，對(duì)直升機(jī)的減振水平要求越來(lái)越高。按照現(xiàn)有直升機(jī)維護(hù)的要求，錐體和動(dòng)平衡檢查工作通常需要在地面慢車(chē)、地面大車(chē)、無(wú)地效懸停、有地效懸停、低速前飛、中速前飛和高速前飛共7種飛行狀態(tài)下進(jìn)行檢查；某些新型的直升機(jī)的性能要求更高，提出需增加轉(zhuǎn)彎、倒飛、側(cè)飛和爬升四種狀態(tài)的動(dòng)平衡檢查要求。從以上各種錐體和動(dòng)平衡檢查狀態(tài)可看出，直升機(jī)錐體和動(dòng)平衡檢查的狀態(tài)多，大體上可分為地面檢查和空中檢查兩種狀態(tài)。

地面錐體檢查時(shí)，旋翼錐體受外界風(fēng)的影響較大，當(dāng)存在不確定的外界風(fēng)力作用時(shí)，旋翼的錐體會(huì)出現(xiàn)較大的偏差變化。采用頻閃儀測(cè)量旋翼錐體時(shí)，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察識(shí)別出偏差的錐體；采用傳感器數(shù)字化測(cè)量時(shí)，通常通過(guò)采用數(shù)字濾波和平均的方法可得到較好的效果。

地面動(dòng)平衡檢查時(shí)，由于旋翼不帶總矩，旋翼系統(tǒng)的運(yùn)行與常規(guī)的機(jī)電設(shè)備類(lèi)似，其動(dòng)平衡信號(hào)比較平穩(wěn)，測(cè)量相對(duì)較為簡(jiǎn)單，可采用相關(guān)分析方法進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果相對(duì)較好。

空中旋翼錐體測(cè)量是錐體測(cè)量的主要難點(diǎn)?？罩行礤F體狀態(tài)受外界風(fēng)和操縱影響很大，錐體變化可能會(huì)很大。采用頻閃儀測(cè)量旋翼錐體時(shí)，有時(shí)甚至突然出現(xiàn)靶標(biāo)超出觀察視野的情況；采用傳感器數(shù)字化測(cè)量時(shí)，測(cè)量到的錐體可能會(huì)突然發(fā)生變化，導(dǎo)致錐體多次測(cè)量的重復(fù)性很差，這種情況下，為了得到更好的測(cè)量結(jié)果，需要進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程。如果得不到準(zhǔn)確、可靠的錐體測(cè)量值，直升機(jī)維護(hù)人員就難以判斷錐體的準(zhǔn)確狀態(tài)。

空中動(dòng)平衡測(cè)量是動(dòng)平衡測(cè)量的主要難點(diǎn)。直升機(jī)在空中運(yùn)行時(shí)不同于一般以地面為支撐面運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，其支撐點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)的旋翼，而旋轉(zhuǎn)的旋翼是柔性的，并不特別穩(wěn)定，其受操縱、外界風(fēng)、旋翼本身性能等影響。導(dǎo)致動(dòng)平衡測(cè)量時(shí)會(huì)存在多種復(fù)雜且不穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)，一般存在大量的偶然出現(xiàn)的非平穩(wěn)低頻信號(hào)，嚴(yán)重干擾運(yùn)行在低頻段的旋翼動(dòng)平衡信號(hào)，且干擾難以得到抑制。為了獲得準(zhǔn)確的動(dòng)平衡值，這就要求后端的測(cè)量分析功能非常完善，能從各種復(fù)雜的動(dòng)平衡信號(hào)中提取出有用信號(hào)，能適應(yīng)各種環(huán)境和干擾造成的影響。

2 錐體和動(dòng)平衡測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

2.1 微弱信號(hào)高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在直升機(jī)錐體和動(dòng)平衡測(cè)量時(shí)，動(dòng)平衡的振動(dòng)信號(hào)是微弱信號(hào)。為同時(shí)滿(mǎn)足直升機(jī)其他振動(dòng)測(cè)量的維護(hù)需要，直升機(jī)錐體和動(dòng)平衡測(cè)量分析設(shè)備通常的最大測(cè)量范圍會(huì)達(dá)到20IPS，精度為0.01IPS，直升機(jī)旋翼和尾槳?jiǎng)悠胶獾姆党瑯?biāo)門(mén)限通常在0.20IPS附近。為使傳感器盡量減少對(duì)被測(cè)體的影響，同時(shí)受安裝空間和安裝位置的限制，通常振動(dòng)傳感器只能選擇體積較小的速度型振動(dòng)傳感器，這就決定了傳感器的輸出靈敏度不會(huì)很大，通常會(huì)在20mV/IPS左右。因此，為得到0.01IPS精度的測(cè)量，傳感器的輸出只有大約200μV。這么微弱的信號(hào)采用通常的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)，往往難以保證采集的精度，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

需要采用適應(yīng)微小振動(dòng)信號(hào)的高精度電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)微小振動(dòng)信號(hào)的傳輸過(guò)程、濾波電路、放大調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，解決直升機(jī)動(dòng)平衡微弱信號(hào)的高精度采集難題。

在傳感器信號(hào)的傳輸上，采用差分形式傳輸，電纜采用雙絞屏蔽電纜，大幅度減少外界電磁干擾。在電路的前端設(shè)置射頻濾波電路，濾除信號(hào)電纜上的共模射頻干擾和差模射頻干擾，消除放大電路產(chǎn)生直流失調(diào)誤差的射頻干擾。信號(hào)的放大采用儀表放大器進(jìn)行放大，儀表放大器具有超過(guò)100dB的共模抑制比，具有高達(dá)10GΩ的輸入阻抗，可提高信號(hào)的準(zhǔn)確獲取能力。采用多級(jí)濾波器進(jìn)行信號(hào)的濾波，濾除電纜、導(dǎo)線(xiàn)、電源等各部分引入的高頻干擾，利用集成濾波技術(shù)減少電路的復(fù)雜度。采用較高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，至少采用16位或24位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以高精度、準(zhǔn)確獲取被測(cè)信號(hào)。

2.2 動(dòng)平衡數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)

理想情況下，動(dòng)平衡測(cè)量時(shí)，振動(dòng)傳感器的輸出應(yīng)該是含有各振動(dòng)頻率的諧波的合成信號(hào)。實(shí)際工作中波形受直升機(jī)運(yùn)行性能、外界風(fēng)力、直升機(jī)操縱等方面的影響，波形中會(huì)包含隨機(jī)脈沖干擾，尤其是大幅值低頻隨機(jī)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致空中動(dòng)平衡的信號(hào)非常復(fù)雜。采用頻譜分析技術(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)頻譜不穩(wěn)定，這直接反映采用傅立葉變換及引申的方法難以準(zhǔn)確、快速地獲取直升機(jī)槳葉的真實(shí)不平衡值，難以得出準(zhǔn)確穩(wěn)定的動(dòng)平衡值。

常用的動(dòng)平衡分析技術(shù)均采用快速傅立葉變換或其引申的技術(shù)，而這種方法對(duì)于直升機(jī)空中動(dòng)平衡獲得的不穩(wěn)定信號(hào)很大程度上是不適應(yīng)的。通過(guò)大量的直升機(jī)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證，采用時(shí)域的處理方法是再合適的處理方法，通過(guò)時(shí)域數(shù)字跟蹤窄帶濾波的方法，根據(jù)采集到的動(dòng)平衡信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜度識(shí)別自動(dòng)選取合適的判定閥值，可快速、準(zhǔn)確地獲得直升機(jī)地面、空中各狀態(tài)的動(dòng)平衡值。

2.3 頻閃儀測(cè)量錐體高精度跟蹤測(cè)量技術(shù)

采用頻閃儀測(cè)量直升機(jī)旋翼錐體的原理是：頻閃儀按照當(dāng)前槳葉轉(zhuǎn)速×槳葉片數(shù)的倍頻率發(fā)光，依靠人眼的視覺(jué)延時(shí)，根據(jù)各片槳葉靶標(biāo)的反光余輝，判斷錐體的狀態(tài)。為了能清晰、穩(wěn)定地看到每片槳葉的靶標(biāo)，需要頻閃儀閃光的頻率非常穩(wěn)定，當(dāng)頻閃儀閃光的頻率間隔相對(duì)槳葉轉(zhuǎn)速絕對(duì)穩(wěn)定是，所看到的槳葉靶標(biāo)就是靜止的。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)速采集的滯后、軟件指令的延時(shí)、頻閃儀驅(qū)動(dòng)延時(shí)等原因會(huì)導(dǎo)致頻閃儀的閃光頻率會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。通常波動(dòng)范圍需要控制在納秒級(jí)，當(dāng)波動(dòng)范圍太大時(shí)，無(wú)法跟蹤到槳葉靶標(biāo)。

通過(guò)提高測(cè)量時(shí)觀察效果的穩(wěn)定度來(lái)提高頻閃儀測(cè)量錐體的精度，主要有以下方法：

（1）采用高響應(yīng)速度的頻閃儀；

（2）采用反光效果好的反光紙；

（3）提高當(dāng)前轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度；

（4）提高轉(zhuǎn)速分頻信號(hào)的計(jì)算速度。

2.4 光學(xué)傳感器測(cè)量錐體數(shù)字處理技術(shù)

目前成熟的光學(xué)測(cè)量錐體的傳感器有UTD、FasTrak和Optical Tracker。其工作原理均為在直升機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)采用光學(xué)的方法被動(dòng)感知槳葉經(jīng)過(guò)錐體傳感器上方變化的光信號(hào)，通過(guò)幾何運(yùn)算得出每片槳葉的高度值，進(jìn)而得到直升機(jī)的錐體。

由于光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)的特性，其工作時(shí)對(duì)變化的光信號(hào)均認(rèn)為是直升機(jī)錐體信號(hào)，會(huì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給采集設(shè)備，這就導(dǎo)致在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象。甚至可能出現(xiàn)傳感器靈敏度或響應(yīng)速度的問(wèn)題導(dǎo)致偶然丟失正常的錐體信號(hào)或出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果完全錯(cuò)誤。針對(duì)該特點(diǎn)，為獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，經(jīng)大量研究，目前的主要方法是先建立某個(gè)型號(hào)直升機(jī)的錐體信號(hào)模型，采集二周以上的錐體信號(hào)，再進(jìn)行模型匹配，然后采用濾波、平均等技術(shù)來(lái)處理錐體信號(hào)，最終計(jì)算出錐體值。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理方法，需要較多的錐體數(shù)據(jù)，導(dǎo)致單次測(cè)量需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而為了確認(rèn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常情況下還會(huì)通過(guò)采用多次重復(fù)測(cè)量的方法來(lái)檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的一致性，這樣所需要花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。通過(guò)轉(zhuǎn)速跟蹤，實(shí)時(shí)分析檢判旋翼每一周采集到的錐體數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)時(shí)剔除采集到的異常數(shù)據(jù)，這樣可根據(jù)測(cè)量的需要，當(dāng)采集到有效周期數(shù)量的錐體數(shù)據(jù)時(shí)，即可進(jìn)行錐體的計(jì)算，解決錐體測(cè)量時(shí)采用的數(shù)據(jù)提取、分析和濾波方法存在的不足。

3 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)在直升機(jī)錐體和動(dòng)平衡測(cè)量技術(shù)方面的研究范圍較廣，但研究理論較分散。經(jīng)過(guò)多年的積累，已在多個(gè)方面有一些嘗試，在理論方面有一定的突破，在研究范圍上與國(guó)外已逐漸接軌，但這些技術(shù)絕大部分均停留在單個(gè)理論研究層面，未能進(jìn)一步深入研究轉(zhuǎn)化為成熟、可靠的市場(chǎng)化產(chǎn)品。建議重點(diǎn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐和產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證等方面開(kāi)展研究。

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作者簡(jiǎn)介

彭德潤(rùn)（1984-），男，湖南省寧鄉(xiāng)縣人?，F(xiàn)為中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所第二研究室副主任、上海交通大學(xué)工程碩士在讀、中航工業(yè)故障診斷與健康管理航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、工程師。主要研究方向?yàn)橹鄙龣C(jī)綜合測(cè)試與故障診斷技術(shù)。

孫燦飛（1979-），男，湖南省岳陽(yáng)市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為中航工業(yè)故障診斷與健康管理航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所副總工程師、高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)榫C合保障技術(shù)。

何泳（1977-），男，河南省洛陽(yáng)市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所副所長(zhǎng)，研究員。主要研究方向?yàn)榫C合測(cè)試及維修保障技術(shù)。

作者單位

1.上海交通大學(xué) 上海市 200240

2.中航工業(yè)故障診斷與健康管理航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海市 201601

3.中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所 上海市 201601