PA—44—180飛機螺旋槳動平衡調(diào)整方法的研究

劉貝貝

摘 要：本文以PA-44-180飛機為研究對象對其螺旋槳動平衡校驗中配重片的添加位置進行研究，并結(jié)合現(xiàn)在國內(nèi)使用的振動測試儀測試情況，利用基于矢量分解的方法把配重片添加到槳轂上的4個可添加位置上，避免了多次進行“測量-配平-測試”的重復工作，從而為一次性配平成功提供了可行有效的科學依據(jù)，減少了工時，提高了螺旋槳動平衡的配平效率。

關(guān)鍵詞：螺旋槳 動平衡 配重片

中圖分類號：V21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0020-03

自古以來人類就從未放棄過能夠像鳥兒一樣翱翔藍天的愿望。從1903年12月17日美國萊特兄弟成功試飛了人類第一架帶有動力、重于空氣、可控并可持續(xù)滯留空中的飛機之后，現(xiàn)代航空的新紀元就開啟了?；趯λ俣群托实淖非?，噴氣式動力裝置的出現(xiàn)使螺旋槳式動力裝置轉(zhuǎn)向了通用航空和支線運輸航空領(lǐng)域；螺旋槳式動力裝置以其良好的低速經(jīng)濟性使其在通用航空和支線運輸航空領(lǐng)域獲得較為廣泛的應(yīng)用。但作為一高速旋轉(zhuǎn)部件，在制造和裝配等工藝中的誤差使螺旋槳在裝機后不可避免地會在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動。這種振動通過減速器等螺旋槳-發(fā)動機間連接裝置傳遞到發(fā)動機上，使發(fā)動機機匣承受很大的交變疲勞應(yīng)力，對發(fā)動機的正常工作造成影響；這種振動還能通過發(fā)動機架等發(fā)動機-機體連接裝置傳遞到機體上，使乘員感到不適，也使機體結(jié)構(gòu)需要承受較大的交變載荷，造成結(jié)構(gòu)疲勞破壞，所以必須對螺旋槳進行動平衡配平以降低其高速旋轉(zhuǎn)過程中的振動值水平。

1 螺旋槳振動的原因

在航空器動力裝置上，螺旋槳的葉片數(shù)量少多為雙葉或者三葉，重量相對較重，使其單個葉片的載荷也相對較大。在實際制造過程中各個槳葉的質(zhì)量分布和外形會有一定的偏差這也就是螺旋槳振動產(chǎn)生的最大誘因；其次螺旋槳在工作過程中各個槳葉前緣的磨損、腐蝕等程度的不同也會使螺旋槳承受載荷發(fā)生變化，這也是產(chǎn)生振動的又一個原因。當螺旋槳在制造和裝配過程中以及日后的使用過程中的種種誤差會是螺旋槳的質(zhì)量中心位置和旋轉(zhuǎn)中心不重合，這就使螺旋槳產(chǎn)生了靜不平衡；當其在工作過程中高速旋轉(zhuǎn)過程中各槳葉的質(zhì)量中心位置不在同一個旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)這就產(chǎn)生了動不平衡[1]。靜不平衡和動不平衡的存在就會使螺旋槳產(chǎn)生振動，這也是螺旋槳產(chǎn)生振動的根本原因。

2 PA-44-180飛機及其螺旋槳振動測試儀器

2.1 PA-44-180飛機

PA-44-180型飛機是由美國派泊飛機制造公司生產(chǎn)的雙發(fā)螺旋槳飛機。該型飛機為下直錐形機翼，左、右機翼上各安裝一臺萊康明公司生產(chǎn)的活塞發(fā)動機，使用Hartzell公司生產(chǎn)的二葉螺旋槳。尾翼由垂尾、方向舵和全動平尾組成，起落架為可收放前三點式起落架[2]。

2.2 Vibrex2000振動測試儀

PA-44-180飛機維護手冊中提出如果進行了可能會影響飛機螺旋槳平衡的維修工作之后應(yīng)對螺旋槳的平衡性進行配平校準工作，并且維修手冊上推薦了Chadwick Helmuth System的測試系統(tǒng)，并且認可和采用了該系統(tǒng)提出的振動評價標準。國內(nèi)在對航空器的維修過程中對維修設(shè)備的選購大都依靠手冊上面的推薦，當然PA-44-180的螺旋槳振動測試儀也不例外。國內(nèi)的PA-44-180飛機的振動測試大多都是采用由美國Honeywell Aerospace公司生產(chǎn)的基于Chadwick Helmuth System系統(tǒng)的Chadwick Helmuth Vibrex2000振動測試儀。

在Vibra2000型振動測試儀的使用說明書中規(guī)定了其振動值的單位為IPS（英寸/秒），轉(zhuǎn)速單位為RPM（轉(zhuǎn)/分），并以鐘表的“點鐘”表述法，表述螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面上的相對位置[3]。在日常維修過程中習慣性規(guī)定該飛機的12點鐘（或稱為0點鐘）方向為螺旋槳槳葉平行于水平面時的垂線方向。螺旋槳以參考零位為起始點按螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒄麄€旋轉(zhuǎn)方向分為12等份，依次為1、2、3……11，就如同鐘表表盤上點鐘位置的標識方法，但站在飛機正前方向螺旋槳看去其標識方式和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相同。維修工作過程中振動測試儀會根據(jù)螺旋槳的工作情況顯示出在不同方位添加不同質(zhì)量的配重使螺旋槳達到動平衡。

在維修工作過程中螺旋槳動平衡的測試是依據(jù)Chadwick Helmuth System系統(tǒng)對振動峰值的評價標準，其振動峰值可分為6個等級，如表1所示。

根據(jù)PA-44-180維修手冊的規(guī)定在維修工作過程中只要振動峰值低于0.20就達到了可接受的范圍，并且在實際的維修工作過程中也是按照該標準在實施。

3 適航要求

由中國民航總局頒布的中國民用航空規(guī)章第23部《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定》中的第907 條對螺旋槳振動有明確規(guī)定，必須通過直接試驗、與類似裝置比較或者使用維修經(jīng)驗等方法證明在正常工作條件下，除常規(guī)的定距木制螺旋槳外，螺旋槳的振動應(yīng)力不會超過螺旋槳制造商規(guī)定的連續(xù)安全使用應(yīng)力值。中國民用航空規(guī)章第25部《運輸類飛機適航標準》的907條對螺旋槳振動的規(guī)定與23部是基本一致的，即必須按實際測量或同已作過實測的類似安裝進行相互比較，從而表明任何正常的使用條件下的螺旋槳槳葉振動應(yīng)力不會超過連續(xù)安全工作應(yīng)力值。通常情況下，飛機設(shè)計時會選用成熟的發(fā)動機，并選擇匹配的螺旋槳，這樣可以從發(fā)動機和螺旋槳制造商那里得到以往的使用數(shù)據(jù)，通過類比分析向適航表明符合條款要求。但對于新的發(fā)動機螺旋槳組合，或采用特殊布局（如推進式）的飛機，只能進行實際測量[4]。

4 配重片安裝過程中遇到的問題

由于PA-44-180飛機的螺旋槳只有兩個槳葉這也就決定了槳轂上可安裝配平片位置的數(shù)量和方位。在實際過程中該振動測試儀給出的配平數(shù)據(jù)是分布在槳轂周圍360°范圍內(nèi)的其中一個方位添加配重片的重量值，但可添加配重片的位置是固定的，在實際工作過程中并不能按照振動測試儀上顯示的數(shù)值在理想的位置添加合適的配重片。在實際維修工作過程中配重片的添加常常是憑借以往的工作經(jīng)驗和感覺進行的并沒有理論和科學依據(jù)支持。添加后需要再次進行螺旋槳測試看振動值是否在可接受的閾值范圍內(nèi)。完成螺旋槳動平衡的校驗工作需要進行多次“測量-配平-測試”的重復工作，這也使維修工時增加，提高了維修成本，降低了維修效率。

5 配重片的添加方法研究

P4-44-180型飛機使用的是Hartzell公司生產(chǎn)的緊湊型恒速可順漿螺旋槳，為鋁質(zhì)金屬二葉螺旋槳[5]。其螺旋槳直徑為74.0INCH，重量約為30kg，槳轂上能添加配重片的位置只有4個。其分別位于2點10鐘、3點50鐘、8點10分和9點50分4個方位，一周按照12h劃分則每分鐘為0.5°，這也就決定了配重片的添加位置為65°、115°、245°、295°[6]。螺旋槳通過Vibrex2000振動測試儀測量后可給出理論數(shù)據(jù)為某一點鐘添加一定質(zhì)量的配重。由于共有4個位置以可安裝的4個配重的位置為邊界將其分為4個區(qū)域，分別定義為區(qū)域一（AOB）、區(qū)域二（BOD）、區(qū)域三（COD）、區(qū)域四（AOC）。下面分別當所加配重的方位和重量分別落到4個區(qū)域進行具體理論分析。

當在區(qū)域一時振動測試儀顯示在X點Y鐘分添加G克配重如圖1所示。

則根據(jù)正弦定理可以得出：

則當振動測試儀顯示測試數(shù)據(jù)時即可代入相對應(yīng)的區(qū)域解析式中，根據(jù)點鐘和配重輕松算出在4個可添加方向上添加的配重質(zhì)量，使用該可以達到一次性配平成功。解決了配重安裝過程中位置有限的問題也解決了在日常維護中憑借經(jīng)驗和感覺添加配重的問題，也為該項工作增加了一些科學依據(jù)，達到了該項課題研究的目的。

6 結(jié)語

本篇文章是通過一種基于矢量分解的數(shù)學算法，考慮目前使用的振動設(shè)備存在的問題以及螺旋槳上配重片可添加位置的限制因素等問題，以一種簡單的方法解決了機務(wù)維修人員在工作過程中遇到的問題，也為日常的螺旋槳動平衡校驗和校準提供了科學依據(jù)。最主要的是發(fā)動機進行一次試車得到發(fā)動機螺旋槳振動數(shù)據(jù)信息以后，通過簡單的數(shù)學運算就可以算出如何添加配重，避免了螺旋槳動平衡的校驗工作中需要進行多次“測量-配平-測試”的重復工作，這也使維修工時得以降低，節(jié)約了維修成本，提高了維修效率。

參考文獻

[1] 仲志丹，孟現(xiàn)召，吳江.飛機螺旋槳動平衡算法研究[J].航空維修與工程，2015，285（3）.

[2] 朱航，周彬.PA-44-180型飛機失速警告控制方式的改進研究[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（22）：13-15.

[3] Honeywell Aerospace.Chadwick Helmuth Vibrex2000 operators manual[M].Honeywell Aerospace，2000.

[4] 田傲，張慶.一種通用飛機螺旋槳振動測試方法[J].中國科技信息，2017，（13）：19-20.

[5] 楊秀峰.PA-44-180型飛機培訓教材[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

[6] Hartzell Propeller Inc. Hartzell Propeller Owners Manual 115N[M].Hartzell Propeller Inc.2012.