基于科里奧利效應(yīng)的S-76直升機(jī)振動(dòng)故障分析

■ 周佰正/交通運(yùn)輸部北海第一救助飛行隊(duì)

0 引言

當(dāng)前，在國家政策扶持的大背景下，通用航空產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，直升機(jī)數(shù)量不斷增加。與固定翼航空器相比，直升機(jī)具有更多的旋轉(zhuǎn)部件，從而帶來了更多的振動(dòng)問題。其中主旋翼、尾槳等重要旋轉(zhuǎn)部件的振動(dòng)問題如不及時(shí)處理，輕則影響飛行員操縱，重則對(duì)部件造成嚴(yán)重?fù)p傷，乃至機(jī)毀人亡。因此，機(jī)務(wù)人員遇到此類故障時(shí)，必須引起足夠重視。

1 故障現(xiàn)象

S-76直升機(jī)為4片主旋翼構(gòu)型。某次飛行結(jié)束后，飛行員反映在懸停飛行階段直升機(jī)主旋翼1P振動(dòng)過大。目視檢查了所有可接近的旋轉(zhuǎn)部件，無損傷發(fā)現(xiàn)。對(duì)直升機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果顯示主旋翼1P振動(dòng)值為0.25IPS（Inch Per Second），高于手冊(cè)門限值0.2IPS，需進(jìn)行振動(dòng)調(diào)節(jié)。

依據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算機(jī)給出了如表1所示的調(diào)節(jié)方案。該方案要求紅色槳葉增加2.8磅的配重，超過了槳葉所能安裝的最大配重量。機(jī)務(wù)人員嘗試在紅色槳葉上增加1磅配重，主旋翼振動(dòng)值不降反升，證明直升機(jī)存在其他故障，常規(guī)的振動(dòng)調(diào)節(jié)無法解決該問題。

表1 測(cè)試設(shè)備給出的配重調(diào)節(jié)建議

2 科里奧利效應(yīng)

在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)因慣性作用，具有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置有所變化，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察原有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，會(huì)觀察到沿垂直方向發(fā)生了一定程度的偏離，這種偏離即為科里奧利效應(yīng)。計(jì)算公式如下：

其中，F(xiàn)為科里奧利力；m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；V′為相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)參考系質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度（矢量）；ω為旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢量）。

3 地面及懸停階段的旋翼狀態(tài)分析

如圖1虛線所示，直升機(jī)地面運(yùn)轉(zhuǎn)階段旋翼只產(chǎn)生很少的升力，此時(shí)旋翼重心m與主旋翼軸之間的距離為r。懸停時(shí)，旋翼需要增大升力，如圖1實(shí)線所示。在升力的反作用力作用下，旋翼向上揮舞，導(dǎo)致旋翼重心m向主旋翼軸靠近，距離減小為r′。依據(jù)科里奧利效應(yīng)，此時(shí)產(chǎn)生了垂直于主旋翼翼展方向的科里奧利力F，導(dǎo)致旋翼出現(xiàn)側(cè)向擺動(dòng)，如圖2實(shí)線所示。對(duì)于主旋翼數(shù)量在2片以上的直升機(jī)，這種擺動(dòng)通常依靠圖2中的減擺器加以抑制，避免旋翼擺動(dòng)幅度過大而對(duì)直升機(jī)的氣動(dòng)性能及飛行安全造成影響。

圖1 地面及懸停狀態(tài)的旋翼側(cè)視圖

4 減擺器對(duì)主旋翼振動(dòng)影響分析

圖3為S-76直升機(jī)減擺器結(jié)構(gòu)圖。該減擺器為液壓阻尼式設(shè)計(jì)，當(dāng)活塞桿受到拉伸或壓縮時(shí)，一側(cè)腔內(nèi)的液壓油通過活塞上的小孔高速流入另一側(cè)腔內(nèi)，通過液壓油小孔摩擦產(chǎn)生的阻尼來抑制旋翼擺動(dòng)。

此類減擺器故障一般有兩種類型：

1）減擺器活塞出現(xiàn)內(nèi)漏或有氣體存在，減擺器“偏軟”，出現(xiàn)欠阻尼。

2）因阻尼孔被堵塞，減擺器“偏硬”，出現(xiàn)過阻尼。

直升機(jī)進(jìn)入懸停階段，需要減擺器抑制旋翼擺動(dòng)。圖4所示為發(fā)生前述減擺器故障時(shí)旋翼的姿態(tài)情況，圖中虛線為減擺器工作正常時(shí)旋翼相對(duì)于槳轂的位置。此時(shí)，旋翼重心相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離為r。當(dāng)減擺器處于欠阻尼狀態(tài)時(shí)，旋翼重心向轉(zhuǎn)動(dòng)中心靠攏，該距離變?yōu)閞1；反之，過阻尼則遠(yuǎn)離，距離為r2。由圖4可知，顯然r2＞r＞r1。

當(dāng)4片旋翼中只有一片旋翼的減擺器發(fā)生故障時(shí)，旋翼重心無論靠近或遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)中心，4片旋翼的合重心位置都不再與主軸的旋轉(zhuǎn)中心位置重合，從而產(chǎn)生主旋翼振動(dòng)。

5 排故過程

在上述故障的排除過程中，當(dāng)常規(guī)振動(dòng)調(diào)節(jié)無法起作用時(shí)，機(jī)務(wù)人員也曾懷疑減擺器出現(xiàn)問題。依據(jù)S-76機(jī)身維護(hù)手冊(cè)，關(guān)車狀態(tài)下，旋翼剎車鎖定后人工擺動(dòng)旋翼，通過檢查翼尖是否存在超過0.5英寸空行程即可判斷減擺器是否有進(jìn)氣導(dǎo)致的欠阻尼問題。然而，人工施加載荷與飛行載荷差距過大，導(dǎo)致該檢測(cè)方法過于粗糙，難以判斷減擺器是否正常。為排除因進(jìn)氣導(dǎo)致的減擺器欠阻尼故障，對(duì)四個(gè)減擺器都進(jìn)行了排氣，但故障現(xiàn)象依舊。

振動(dòng)測(cè)試過程中出現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：地面大車階段，旋翼1P振動(dòng)并不明顯；隨著直升機(jī)懸停高度的提升，振動(dòng)逐漸增大。

根據(jù)前面的分析，地面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋翼不產(chǎn)生擺動(dòng)，故減擺器對(duì)于旋翼重心影響很小。當(dāng)直升機(jī)由地面向懸停狀態(tài)過渡過程中，科里奧利效應(yīng)出現(xiàn)。此時(shí)，1P振動(dòng)也同時(shí)出現(xiàn)，因此判斷該振動(dòng)可能與科里奧利效應(yīng)有關(guān)，而減擺器作為克服科里奧利效應(yīng)的關(guān)鍵部件，成為首先懷疑的對(duì)象。

接下來的問題是判斷4個(gè)減擺器中哪個(gè)出現(xiàn)問題。根據(jù)前文的分析可知：

1）當(dāng)減擺器處于欠阻尼狀態(tài)時(shí)，r1＜r，對(duì)應(yīng)旋翼重心靠近旋轉(zhuǎn)中心，在測(cè)試設(shè)備上表現(xiàn)為該槳葉重量不足，振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為需增加配重。

2）當(dāng)減擺器處于過阻尼狀態(tài)時(shí)，r2＞r，對(duì)應(yīng)旋翼重心遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心，在測(cè)試設(shè)備上表現(xiàn)為該槳葉重量過大，振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為需在對(duì)側(cè)槳葉增加配重。

圖3 S-76直升機(jī)減擺器結(jié)構(gòu)圖

圖4 減擺器故障時(shí)的主旋翼俯視圖

回看表1中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)紅色槳葉需要增加的配重最大，為2.8磅，因而可能的原因有兩種：

1）紅色減擺器欠阻尼。

2）與紅色相對(duì)的黃色減擺器過阻尼。

之后，同時(shí)更換黃色和紅色減擺器，故障消失，證明振動(dòng)的源頭的確是減擺器。進(jìn)一步分析認(rèn)為，減擺器長期工作后，出現(xiàn)內(nèi)漏導(dǎo)致欠阻尼的可能大于內(nèi)部堵塞導(dǎo)致過阻尼的可能，因此換回黃色減擺器，直升機(jī)1P振動(dòng)值保持正常。最終的判定是紅色減擺器活塞封圈破損內(nèi)漏，導(dǎo)致減擺器欠阻尼。

6 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于直升機(jī)振動(dòng)問題，通過分析故障現(xiàn)象、發(fā)生時(shí)機(jī)，并利用直升機(jī)飛行過程中的科里奧利效應(yīng)及日常維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，可以較好地分析解決由減擺器引發(fā)的直升機(jī)振動(dòng)問題，從而為此類故障的排除提供了一種新的解決思路。