某型直升機(jī)異常振動問題分析

張好府，劉東亮，張 強(qiáng)，沈安瀾

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.解放軍65529部隊，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

直升機(jī)振動問題伴隨著直升機(jī)的誕生就一直是困擾直升機(jī)發(fā)展的重要問題。直升機(jī)振動水平偏高將直接影響機(jī)載設(shè)備的壽命、結(jié)構(gòu)的可靠性以及乘員的駕乘舒適性，因此用戶以及直升機(jī)設(shè)計師對于直升機(jī)振動問題關(guān)注度較高。隨著直升機(jī)的不斷發(fā)展，用戶對于直升機(jī)振動問題的關(guān)注度越來越高，相應(yīng)的振動要求也越來越高，但是由于直升機(jī)獨特的構(gòu)型和特點決定了直升機(jī)振動問題復(fù)雜，解決直升機(jī)振動問題仍然是困難重重。相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)以及直升機(jī)飛行振動實測數(shù)據(jù)表明，直升機(jī)具有振源多，頻率分布范圍寬的特點，因此直升機(jī)振動測試結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響直升機(jī)振動問題的分析和定位。

某型機(jī)在外場飛行中機(jī)體出現(xiàn)了異常振動。本文通過機(jī)理分析、飛行振動對比測試等手段，對該振動問題進(jìn)行分析，確定該異常的低頻振動信號產(chǎn)生是一種頻率混疊現(xiàn)象。頻率混疊是數(shù)字信號處理中的一種特有現(xiàn)象，本文依據(jù)頻率混疊形成機(jī)理，并結(jié)合測試和分析結(jié)果提出了相應(yīng)的解決措施，經(jīng)飛行驗證解決措施有效。文章進(jìn)一步驗證了該異常振動信號系因測試系統(tǒng)抗混疊濾波性能不佳導(dǎo)致出現(xiàn)信號頻率混疊，為后續(xù)直升機(jī)振動測試中對于異常振動信號的分析和處理提供分析和解決思路。

1 振動問題描述

某型機(jī)在外場飛行過程中，通過飛行振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)機(jī)體主要測點均檢測到42 Hz異常振動信號，由于現(xiàn)場無法確認(rèn)該異常振動信號的來源，導(dǎo)致該機(jī)無法正常開展飛行活動。機(jī)體主要測點實測100 Hz以內(nèi)振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：駕駛艙振動以旋翼一階通過頻率下的振動為主；中減處振動主要以尾槳一階通過頻率和尾槳的轉(zhuǎn)速頻率下振動為主；尾減處振動主要以旋翼一階通過頻率和尾槳的一階通過頻率下振動為主。主要位置的數(shù)據(jù)均正常，只是在不同位置測點均測到振幅不同的42 Hz振動信號，如圖1所示，表明機(jī)載振動測試系統(tǒng)確實采集到了42 Hz異常振動信號。

圖1 機(jī)體主要測點典型頻譜圖

2 飛行振動數(shù)據(jù)分析

針對該機(jī)出現(xiàn)42 Hz異常振動信號問題，為了確定該異常振動來源，基于機(jī)載振動測試系統(tǒng)飛行振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過加裝高采樣率振動測試系統(tǒng)(簡稱加裝設(shè)備)，并相應(yīng)增加振動測點數(shù)量，開展對比飛行振動測試，進(jìn)行進(jìn)一步分析確認(rèn)。

2.1 機(jī)載系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

對機(jī)載振動測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。根據(jù)42 Hz連續(xù)譜分析結(jié)果，并結(jié)合圖1主要測點頻率分析結(jié)果，該機(jī)主要測點均測到機(jī)體存在42 Hz異常振動且以中減處最大，同時該42 Hz異常振動的振幅隨著飛行狀態(tài)不同產(chǎn)生較大的變化。時頻曲線顯示，42 Hz的振動頻率會出現(xiàn)頻率波動的現(xiàn)象，頻率波動范圍基本處于38 Hz～50 Hz之間。

圖2 中減42 Hz連續(xù)譜曲線

圖3 中減測點時頻曲線圖

2.2 飛行振動對比測試數(shù)據(jù)分析

該型機(jī)主要激勵頻率并不包含42 Hz，但機(jī)載振動測試數(shù)據(jù)顯示機(jī)體存在42 Hz振動，而且中減處振動幅值相對較大。為了確定42 Hz振動的來源，在該機(jī)上加裝一套高采樣率振動測試系統(tǒng)，并相應(yīng)增加測點與機(jī)載振動測試系統(tǒng)，進(jìn)行飛行振動對比測試。結(jié)果如表1以及圖4-圖8所示。

表1 典型狀態(tài)下1066 Hz各測點幅值對比

圖4 中減100 Hz以內(nèi)頻譜曲線(加裝設(shè)備)

兩套不同振動測試系統(tǒng)對比飛行振動測試結(jié)果表明：①機(jī)載測試系統(tǒng)測到機(jī)體存在42 Hz振動，但加裝設(shè)備的測試結(jié)果表明機(jī)體不存在42 Hz振動，如圖4-圖5所示；②中減處機(jī)載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設(shè)備測試的42 Hz曲線變化趨勢不一致，如圖6和圖7所示；③根據(jù)加裝設(shè)備的測試結(jié)果，機(jī)體存在1066 Hz振動，并且將機(jī)載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設(shè)備測試得到的1066 Hz振動連續(xù)譜曲線對比發(fā)現(xiàn)，兩者變化趨勢基本一致，如圖7和圖8所示；④不同位置處1066 Hz振動水平對比結(jié)果表明，相比其他位置，中減處1066 Hz振動水平相對偏大，如表1所示。

圖5 中減100 Hz以內(nèi)頻譜曲線(機(jī)載設(shè)備)

圖6 中減42 Hz連續(xù)譜曲線(加裝設(shè)備)

圖7 中減42 Hz連續(xù)譜曲線(機(jī)載設(shè)備)

圖8 中減1066 Hz連續(xù)譜曲線(加裝設(shè)備)

3 原因及機(jī)理分析

基于兩套振動測試系統(tǒng)的對比測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果：機(jī)載系統(tǒng)測試的42 Hz振動連續(xù)譜曲線與加裝設(shè)備測試的1066 Hz振動連續(xù)譜曲線的變化趨勢基本一致。同時對機(jī)載測試系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻圖分析時顯示，中減處42 Hz振動信號頻率存在大幅波動的情況。因此，初步判斷該機(jī)42 Hz異常振動是由于機(jī)載測試系統(tǒng)抗混疊濾波性能不佳導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，從而將1066 Hz振動誤采集為42 Hz振動。

頻率混疊是數(shù)字信號處理中的一種特有現(xiàn)象。在進(jìn)行數(shù)字化測量采樣時，需要對信號進(jìn)行離散采樣。正因為離散采樣，造成采集的信號在其時域和頻率產(chǎn)生混疊，凡是等步長離散采樣一定會產(chǎn)生“混疊”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致產(chǎn)生假頻率和假信號，嚴(yán)重影響測量結(jié)果。在工程上也曾多次因為頻率混疊導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)假頻率和假信號的情況。

如圖9所示，當(dāng)采樣頻率與原始信號頻率一樣時，其采集得到的信號頻率為0 Hz；當(dāng)采樣頻率等于原始信號頻率的兩倍時，其采集得到與原始信號頻率和幅值相同的三角波信號；當(dāng)采樣頻率小于原始信號頻率的兩倍時，其采集得到的信號就會產(chǎn)生混疊，得到一個低頻的假信號。

圖9 離散采樣的信號混疊原理

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及頻率混疊機(jī)理，分析信號頻率混疊后的混疊頻率計算公式如下：

混疊頻率

=|-|

(1)

該機(jī)中減處存在1066 Hz振動信號，由于機(jī)載測試系統(tǒng)采樣率為1024 Hz，根據(jù)混疊頻率計算公式(1)，計算得到混疊后的頻率為42 Hz，與實測結(jié)果一致。

4 解決措施

根據(jù)飛行振動對比測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合振動信號混疊機(jī)理，確認(rèn)了該42 Hz異常振動信號產(chǎn)生的原因是機(jī)載測試系統(tǒng)因抗混疊濾波性能不佳等原因造成測試結(jié)果出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，從而將高頻振動信號誤采集為低頻振動信號。因此，需要解決采集信號頻率混疊的問題。而目前解決測試數(shù)據(jù)頻率混疊現(xiàn)象的主要方法有：

1)提高采樣率：提高機(jī)載振動測試系統(tǒng)的采樣頻率，考慮中減的嚙合頻率，至少需要從現(xiàn)有的1024 Hz提升為4096 Hz；

2)增強(qiáng)抗混疊濾波性能：提高現(xiàn)有機(jī)載系統(tǒng)抗混疊濾波的性能，并且適當(dāng)降低采集系統(tǒng)低通濾波回路中的分析截止頻率；

3)改進(jìn)算法：利用改進(jìn)后的小波變換算法改進(jìn)頻率分析方法，消除頻率混疊的現(xiàn)象。

上述3種改進(jìn)方法都需要針對機(jī)載振動測試系統(tǒng)進(jìn)行更改，短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，無法滿足現(xiàn)場快速處理的要求。根據(jù)加裝設(shè)備測試結(jié)果，如表1所示，1066 Hz在中減處振動幅值相對較大，因此結(jié)合現(xiàn)場情況決定對該機(jī)進(jìn)行更換中減處理。

5 試飛驗證

為了驗證更換中減后的效果，開展驗證試飛工作,結(jié)果如圖10-圖12所示。驗證試飛結(jié)果表明：機(jī)載振動測試系統(tǒng)42 Hz振動水平大幅下降，并且在頻譜上42 Hz頻率峰值不明顯；而對加裝設(shè)備測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，1066 Hz振動頻率峰值也同樣不明顯。該機(jī)因頻率混疊導(dǎo)致出現(xiàn)42 Hz異常振動信號問題順利解決。

圖10 更換中減后42 Hz連續(xù)譜曲線(機(jī)載測試系統(tǒng))

圖11 更換中減后中減處頻譜曲線(機(jī)載測試系統(tǒng))

圖12 更換中減后中減處800 Hz～1300 Hz頻譜曲線(加裝設(shè)備)

6 結(jié)論

本文為了解決某型機(jī)中減處出現(xiàn)異常振動信號問題，通過飛行對比測試等方法，準(zhǔn)確定位問題原因，提出相應(yīng)的解決措施，并經(jīng)過試飛驗證，得出如下結(jié)論：

1)該機(jī)中減處42 Hz異常振動頻率信號是由于機(jī)載測試系統(tǒng)性能不佳導(dǎo)致出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，從而將高頻振動信號誤采集為一個低頻異常振動信號；

2)直升機(jī)振源多，頻率分布范圍寬，從不到10 Hz一直到1萬多Hz均有相應(yīng)的振動頻率，因此針對直升機(jī)振動測試更需要關(guān)注頻率混疊現(xiàn)象，對采樣率等重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時需要全面考慮；

3)本文基于飛行數(shù)據(jù)結(jié)果分析，確定了問題的原因，制定了相應(yīng)的解決措施，經(jīng)實際試飛驗證故障消除，為后續(xù)解決異常頻率振動問題提供了新的分析思路。