某型直升機空中低頻振動原因分析及問題處理

鄭坤 薛晨 呂一鳴 周圣宏

摘 要：【目的】通過低頻振源頻率分析和機載振動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測來研判直升機的低頻振動問題，為同類問題的分析與處理提供一定的參考?！痉椒ā繉δ承蜋C主旋翼1 Ω振動、主尾旋翼形成的拍振和傳動鏈扭振進(jìn)行振動機理分析，結(jié)合振動數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀?！窘Y(jié)果】從主槳振動和主槳錐體兩個方面改善主旋翼1 Ω振動，從基礎(chǔ)頻率、振動水平和飛行姿態(tài)三個方面改善主尾旋翼形成的拍振，從旋翼、傳動、動力三個系統(tǒng)及飛行姿態(tài)等方面改善傳動鏈扭振?！窘Y(jié)論】直升機振動故障排除需要通過振動的表象結(jié)合數(shù)據(jù)分析找到故障的根源，改善直升機振動問題，進(jìn)一步保證飛行安全。

關(guān)鍵詞：直升機；振動；飛行振動數(shù)據(jù)；使用維護(hù)建議

中圖分類號：V217.33? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）10-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.009

Abstract：[Purposes] Through the frequency analysis of low frequency vibration source and the monitoring of airborne vibration monitoring system， the low frequency vibration problem of helicopter is analyzed and judged， which provides some guiding significance for the analysis and treatment of similar problems. [Methods] Through analyzing the vibration mechanism of the 1 Ω vibration of the main rotor and the beat vibration formed by the main tail rotor and the torsional vibration of the transmission chain of a certain type of aircraft， and combing with the vibration data， relevant analysis was made. [Findings] The 1 Ω vibration of the main rotor was improved from the two aspects of the main rotor vibration and the main rotor cone. The beat vibration of the main and tail rotor was improved from the three aspects of basic frequency， vibration level and flight attitude. The torsional vibration of the transmission chain was improved from the three systems of rotor， transmission， power and flight attitude. [Conclusions] Helicopter vibration troubleshooting needs to find the root cause of the fault through the appearance of vibration combined with data analysis， improve helicopter vibration， and further ensure flight safety.

Keywords：helicopter; vibration; data of vibration during flight; maintenance suggestion

0 引言

低頻振動對人體的危害主要是精神方面的刺激和身體功能的下降。直升機因其獨特構(gòu)型，容易出現(xiàn)低頻振動類問題。國外某些直升機型號（如NH90、EH101及“科曼奇”）在試飛初期曾出現(xiàn)過“Tail shake /Buffet”低頻振動問題；國內(nèi)有關(guān)型號加裝測試設(shè)備后在試飛過程中也多次出現(xiàn)過低頻振動問題 ［1-2］。

1 典型故障描述

某型國產(chǎn)直升機在飛行過程中，部分架次容易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，機身出現(xiàn)異常的低頻振動，飛行員反饋存在明顯體感晃動，影響飛行任務(wù)執(zhí)行。

2 原因分析和問題處理

2.1 故障發(fā)生原因

飛行員反饋現(xiàn)象為直升機空中低頻振動。該型機的主要低頻振動源頻率，見表1［3］。

人體多個部位都有固有頻率，關(guān)鍵部位的固有頻率在0～60 Hz，見表2。長時間處于低頻振動的環(huán)境中會引起人體不適，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難發(fā)生［4］。

初步判定低頻振動的主要影響頻率有以下三類。①主旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率5.1 Hz；②主旋翼5 Ω轉(zhuǎn)速頻率25.5 Hz和尾旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率26.8 Hz形成的1.3 Hz拍振；③傳動鏈扭振固有頻率2.7 Hz。直升機機體低頻振動原因分析如圖1所示。

對主要低頻振動源頻率進(jìn)行綜合分析，以某架機的低頻振動故障為例，基于飛行振動數(shù)據(jù)和振動機理，從以下三個方向開展故障排除工作，并給出日后直升機使用維護(hù)建議。

2.2 主旋翼1 Ω振動

2.2.1 振動機理分析。主槳葉在出廠前進(jìn)行過靜平衡與動平衡檢查，但主槳轂沒有進(jìn)行平衡檢查。由于主槳轂的制造和安裝偏差及其他因素的影響，主旋翼的錐體和平衡會出現(xiàn)一定的偏差。對主旋翼進(jìn)行錐體和動平衡檢查調(diào)整，將主旋翼槳尖錐度差、水平方向和垂直方向的振動水平控制在一定范圍內(nèi)，以滿足整機的振動要求。為降低直升機振動，確保飛行安全，要定期對主旋翼系統(tǒng)進(jìn)行動平衡調(diào)整［5］。該型機的主旋翼額定轉(zhuǎn)速為306 r/min，主旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率為5.1 Hz，直升機試飛過程中主槳振動或主旋翼錐體不好時，均會導(dǎo)致一定程度的低頻晃動，引起人體不適。

2.2.2 振動數(shù)據(jù)判讀。5.1 Hz振動水平變化趨勢如圖2所示。從圖2可以看出，該架機的主旋翼振動水平較低，在0.005 g左右，均在要求范圍內(nèi)，無須進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化工作。

2.2.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)主旋翼1 Ω振動的機理分析和以往維護(hù)經(jīng)驗，主要從以下兩個方向來改善該型機的主旋翼基振。①主槳振動優(yōu)化。包括調(diào)整主槳轂配重、更換主槳葉、更換主槳阻尼器、更換主槳轂；②主槳錐體優(yōu)化。包括調(diào)整變距拉桿的長度、調(diào)整主槳葉后緣調(diào)整片的角度。

2.3 主尾旋翼形成的拍振

2.3.1 振動機理分析。拍頻振動現(xiàn)象常出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)機械振動中，產(chǎn)生原因是該型直升機25.5 Hz和26.8 Hz頻率比較靠近［6］，當(dāng)這兩個振動的振幅相等或相近時，就會形成一種合成的振動，即“拍”。人體實際感受到的應(yīng)為兩個合成振動的外輪廓，其頻率應(yīng)該為主旋翼5 Ω轉(zhuǎn)速頻率和尾旋翼1 Ω轉(zhuǎn)速頻率相減的1.3 Hz振動。此時，拍振頻率為1.3 Hz，振動周期較長，人體感受到明顯的振動起伏。典型拍頻振動波形如圖3所示。

2.3.2 振動數(shù)據(jù)判讀。改變尾槳紅色變距拉桿長度來改善尾槳Y向振動，水平變化趨勢如圖4、圖5所示。從圖4、圖5可以看出，2022年6月后，26.8 Hz尾槳Y向振動振幅較之前有顯著下降（由0.35 g左右下降至0.15 g左右）；同時，1.3 Hz拍頻振動振幅也顯著下降（由1.00 g左右下降至0.40 g左右），人體的振動感受有明顯下降。

2.3.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)主尾旋翼拍振的機理、振動數(shù)據(jù)和以往維護(hù)經(jīng)驗，若要改善該型機的拍振現(xiàn)象，主要從以下三個方面開展工作。①基礎(chǔ)頻率更改。更改主旋翼5 Ω和尾槳1 Ω的頻率，增大兩者之間的頻率差。成品技術(shù)狀態(tài)調(diào)整，旋翼、傳動、動力等系統(tǒng)的更改（涉及的系統(tǒng)較多而且會影響全機主要性能指標(biāo)，不建議輕易調(diào)整）；②振動水平優(yōu)化。增大主旋翼5 Ω和尾槳1 Ω頻率下的振幅差，改變駕駛艙內(nèi)兩頻率的振幅：調(diào)整主旋翼錐體和動平衡、調(diào)整尾旋翼動平衡、調(diào)整尾旋翼變距拉桿長度、更換尾槳葉等旋翼部件；③飛行姿態(tài)更改。拍頻現(xiàn)象與主尾旋翼轉(zhuǎn)動的固有倍頻的振幅相關(guān)，而主尾旋翼轉(zhuǎn)動的固有倍頻與飛行姿態(tài)息息相關(guān)，因此當(dāng)座艙出現(xiàn)拍頻振動時，可以嘗試操縱直升機改變當(dāng)前飛行狀態(tài)進(jìn)而改善拍頻現(xiàn)象。

2.4 傳動鏈扭振

2.4.1 振動機理分析。機械扭振系統(tǒng)由直升機旋翼、尾槳、動力傳動系統(tǒng)和發(fā)動機組成，通用名稱為傳動鏈扭振系統(tǒng)。該系統(tǒng)承受旋翼、尾槳交變扭矩的激勵。旋翼、尾槳、動力傳動系統(tǒng)、發(fā)動機等旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成一個耦合扭振動力學(xué)系統(tǒng)，動力傳動鏈扭振系統(tǒng)是與發(fā)動機的電調(diào)、燃調(diào)控制系統(tǒng)耦合在一起的。因此，現(xiàn)代直升機傳動鏈扭振問題本質(zhì)上是直升機機械扭振系統(tǒng)與發(fā)動機的電調(diào)、燃調(diào)控制系統(tǒng)的耦合動力學(xué)穩(wěn)定性問題，如圖6所示［7］。

該型直升機在科研階段進(jìn)行地面動力傳動鏈扭振固有頻率試驗（地面開車時反復(fù)提放總距進(jìn)行激勵），實測動力傳動鏈的扭振固有頻率是2.7 Hz，并通過扭振穩(wěn)定性試驗驗證該型機動力傳動鏈穩(wěn)定性滿足要求［8］。

2.4.2 振動數(shù)據(jù)判讀。2.7 Hz振動水平變化趨勢如圖7所示，2.7 Hz振動最長持續(xù)時間如圖8所示。由圖8可以看出，動力傳動鏈扭振現(xiàn)象在每個飛行場次均持續(xù)存在。

2022年8月，更換兩臺發(fā)動機后開展新的試飛驗證工作，對比結(jié)果如圖9和圖10所示。進(jìn)一步對發(fā)動機主要參數(shù)進(jìn)行分析和對比，結(jié)果見表3，換發(fā)后發(fā)動機主要參數(shù)的波動情況均有明顯改善。

2.4.3 使用維護(hù)建議。根據(jù)傳動鏈扭振的機理、振動數(shù)據(jù)和以往維護(hù)經(jīng)驗分析，改善該型直升機的扭振現(xiàn)象主要從以下四個方面開展工作。①旋翼系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)選主旋翼阻尼器，增大機械阻尼性能；優(yōu)化主旋翼振動、錐體，增大氣動阻尼性能。②傳動系統(tǒng)優(yōu)化。通過優(yōu)選傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件和重要部件，改善傳動系統(tǒng)連接性。③動力系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)選發(fā)動機，改善振動激勵源。④飛行姿態(tài)更改。操縱直升機改變當(dāng)前狀態(tài)，保持總距桿駕駛桿穩(wěn)定，并輕微握桿駕駛直升機改變當(dāng)前飛行姿態(tài)；撥動發(fā)動機配平開關(guān)，直升機若出現(xiàn)低頻振動，由“扭矩配平”改至“溫度配平”。

3 結(jié)語

直升機構(gòu)型和工作原理獨特，加之旋轉(zhuǎn)部件多，飛行過程中的影響因素也相對較多，因此直升機比固定翼飛機振動水平要高。在對直升機振動故障進(jìn)行排除時，只有通過振動的表象結(jié)合數(shù)據(jù)分析，才能找到故障根源，從而保證飛行安全。工作人員對異常頻率的振動、特定頻率振動幅值突變等情況要高度重視，對振動問題要甄別異?，F(xiàn)象，并結(jié)合該型直升機主要的振源頻率專業(yè)判斷飛行數(shù)據(jù)，鎖定振動來源開展排故工作，并總結(jié)經(jīng)驗，提出合理的使用維護(hù)建議，進(jìn)而提升直升機構(gòu)可靠性和延長使用壽命［8-9］。

參考文獻(xiàn)：

［1］倪先平.直升機手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2003.

［2］陳池禮.淺析直升機振動故障的排查［J］.航空維修與工程，2017（10）：77-10.

［3］蘇世偉，秦亮，陳春源，等.某型直升機振動故障研究［J］.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2021（3）：23-26.

［4］戴思亮，王波.人體振動模態(tài)的實驗研究［J］.力學(xué)與實踐，1996（1）：19-22.

［5］于懿源.淺談某型直升機旋翼錐體及動平衡調(diào)整方法［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（23）：6-7.

［6］趙晴，賈民平，黃躍光.回轉(zhuǎn)機械振動中的拍頻分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003（3）：312-315.

［7］鄭坤，連林櫻，薛晨，等.某直升機空中低頻篩動故障分析［J］.新技術(shù)新工藝，2022（5）：71-76.

［8］柳文林，穆志韜，段成美.直升機振動與減振特性分析［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2004（5）：533-536.

［9］沈安瀾，劉續(xù)興，王文濤，等.某型直升機駕駛艙振動問題的分析與處理［J］.中國科技信息，2018（12）：31-33.

收稿日期：2022-10-17

作者簡介：鄭坤（1991—），男，碩士，工程師，研究方向：試飛技術(shù)。