直升機(jī)傳動軸系動平衡測量與調(diào)整技術(shù)研究

［關(guān)鍵詞］傳動軸；直升機(jī)；動平衡；振動

［中圖分類號］V275.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0033–03

現(xiàn)代直升機(jī)傳動系統(tǒng)是一個由各組件組成的傳遞能量的整體[1]，一般由動力裝置、各減速器及傳動軸和軸向聯(lián)軸節(jié)組成。為保證傳動系統(tǒng)的振動值在相關(guān)技術(shù)文件所規(guī)定的范圍，必須對直升機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)上動平衡及現(xiàn)場動平衡工作。其中，機(jī)上動平衡主要是在動平衡試驗機(jī)上進(jìn)行，一般由傳動軸生產(chǎn)廠商實施；而直升機(jī)傳動系統(tǒng)在直升機(jī)出廠前，也必須進(jìn)行傳動軸系的現(xiàn)場動平衡工作，以達(dá)到減少因軸系不平衡而引起的直升機(jī)振動的目的。

1軸系動平衡原理

由于設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的因素，材質(zhì)不均勻及制造安裝誤差等原因，所有實際轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉(zhuǎn)軸線[2]。實際上軸系轉(zhuǎn)子一般由1 個或多個主軸、裝配在主軸上的各零部件及連接各主軸之間的附件組成，在直升機(jī)傳動系統(tǒng)中各傳動軸的連接方式及連接件有很多種類，如常見的有法蘭盤連接、花鍵連接、萬向連接、柔性連接等。若對軸系上的每個微小的橫截面進(jìn)行分析會發(fā)現(xiàn)，每個橫截面上都有可能產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，實際上轉(zhuǎn)子的整體不平衡是由無數(shù)個沿橫截面分布的不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的，這些不平衡量的大小和位置基本上都不一致?？梢杂靡韵鹿奖硎荆?/p>

F（x）=m（x）ω²r（x） （ 1）

式中，F(xiàn)（x）為不平衡慣性力，m（x）為不平衡質(zhì)量，ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，r（x）為不平衡徑矢。

為了使軸系轉(zhuǎn)子達(dá)到完全的平衡狀態(tài)，必須把各橫截面上的不平衡慣性力平衡掉。這樣就必須找到各橫截面不平衡量的位置和大小，操作難度非常大，而且是無法實現(xiàn)的。前文講到動平衡的目的是減少軸系產(chǎn)生的振動，或者說減少軸系安裝結(jié)構(gòu)處所引起的振動響應(yīng)。根據(jù)振動響應(yīng)，人為在旋轉(zhuǎn)軸系上的1 個或幾個有限的校正面上增加或減少配重，盡可能地使振動水平減小到規(guī)定的范圍內(nèi)。但即使軸系完成了動平衡后，從任意橫截面進(jìn)行分析，仍然存在不平衡現(xiàn)象。軸系動平衡原理就是在轉(zhuǎn)子上選取1個或多個校正面。在校正面上增加配重使配重的離心慣性力與不平衡慣性力相抵消，或者在校正面去掉相應(yīng)的配重使得原有的不平衡力消除或減小。

2軸系動平衡方法與測量技術(shù)

2.1平衡方法

2.1.1單轉(zhuǎn)子動平衡法

單轉(zhuǎn)子動平衡法主要是把軸系中的多個轉(zhuǎn)子單獨出來，看成由一個個轉(zhuǎn)子組成的系統(tǒng)。逐個對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡，一個轉(zhuǎn)子動平衡達(dá)到要求后，再對下一個轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡。實踐證明，這種方法非常可靠，但受設(shè)計等因素的影響，目前大部分動平衡試驗均需要對機(jī)械設(shè)備（或平衡機(jī)）進(jìn)行停機(jī)后，才能進(jìn)行加（或減）配重工作，且加（或減）配重工作未必一次就能達(dá)到想要的結(jié)果，這樣就導(dǎo)致需要反復(fù)進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作，影響試驗進(jìn)度。

2.1.2多轉(zhuǎn)子動平衡法

多轉(zhuǎn)子動平衡法是把軸系中需要平衡的轉(zhuǎn)子都看成單轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子調(diào)整時將各處的動平衡配重都加上。當(dāng)兩根不平衡轉(zhuǎn)子之間有平衡良好的轉(zhuǎn)子相隔，或兩根不平衡轉(zhuǎn)子之間距離較遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子之間相互影響較小時，則可以采用多轉(zhuǎn)子平衡法進(jìn)行軸系動平衡調(diào)整。多轉(zhuǎn)子動平衡法可以減少試車次數(shù)，平衡效果主要由操作者對方法的掌握及軸系不平衡的復(fù)雜程度決定。

2.2軸系平衡測量技術(shù)

2.2.1振動的測量

在直升機(jī)傳動軸系主要采用的測量方法是絕對軸承振動測量。絕對軸承振動測量是轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)相對與靜止參考點的振動，在直升機(jī)上主要測量支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)身結(jié)構(gòu)的相對振動。支撐結(jié)構(gòu)（主要是軸承）存在3 個方向的振動，分別為軸向、水平、垂直。在實際的動平衡調(diào)整過程中，根據(jù)需求可測量某一或某幾向的振動水平，根據(jù)設(shè)計廠家給出的振動要求，確定振動值是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足要求，再進(jìn)行動平衡調(diào)整。

2.2.2相位的測量

在軸系動平衡中廣泛使用的是脈沖法，使用脈沖法時，在測量的傳動軸上做好基準(zhǔn)標(biāo)記，在參考點附近的靜止結(jié)構(gòu)上安裝振動傳感器和鍵相傳感器。這樣基準(zhǔn)標(biāo)記隨傳動軸轉(zhuǎn)動，每當(dāng)基準(zhǔn)標(biāo)記點轉(zhuǎn)過鍵相傳感器時，鍵相傳感器就會輸出一個脈沖信號，如此周期性轉(zhuǎn)動，鍵相傳感器就會輸出一系列脈沖信號。這些脈沖信號通過解算可作為振動傳感器的參考相位，將脈沖信號與振動信號按一定的規(guī)律進(jìn)行比較，計算兩個參考點的時間差，然后將時間差與脈沖的周期進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)變成以360°作分度的相位角，這樣就可以在頻譜分析儀上得到不平衡的振動相位。

3現(xiàn)場動平衡技術(shù)

傳動系統(tǒng)現(xiàn)場動平衡工作是直升機(jī)出廠前必須進(jìn)行的工作之一?？刂苽鲃虞S系的振動水平，對直升機(jī)整機(jī)的性能提升十分有利。某型直升機(jī)傳動軸系振動傳感器的安裝位置如圖1 所示。

通過選取主減速器至中間減速器上的3個固定點（傳動軸支撐結(jié)構(gòu)），在這3 個支撐點上安裝垂向振動傳感器，傳感器分別通過3 根電纜連接至振動頻譜分析儀上。通過頻譜分析儀可以直觀地顯示振動頻譜圖及在某一旋翼轉(zhuǎn)速下的振動數(shù)據(jù)。這里未采用相位傳感器進(jìn)行振動相位測量，因為直升機(jī)傳動系統(tǒng)現(xiàn)場動平衡無法通過改變傳動軸的配重進(jìn)行動平衡調(diào)整。

雖然無法通過改變傳動軸上的配重來調(diào)整軸系的動不平衡，但因為傳動軸之間的特殊連接關(guān)系，可以轉(zhuǎn)動傳動軸的角度來改變傳動軸相對軸向位置。這樣就從側(cè)面改變了軸系各項的不平衡力矩，通過多次轉(zhuǎn)動傳動軸角度最終達(dá)到調(diào)整傳動軸系不平衡的目的。某型直升機(jī)傳動軸法蘭盤連接如圖2所示。

從圖2可以看出， 該法蘭盤結(jié)構(gòu)呈三角形對稱，即3 個法蘭盤頂角是相同的，頂點之間的角度為60°。這樣在現(xiàn)場動平衡調(diào)整過程中，操作者可以通過轉(zhuǎn)動傳動軸軸向120°來調(diào)整其安裝位置，此操作可重復(fù)兩次。當(dāng)然假如某處或某幾處的傳動軸的尺寸、功能一致，如圖1中4號、5號、6號處傳動軸，可以通過調(diào)換傳動軸的前后位置來調(diào)整軸系振動水平，調(diào)整后若振動水平仍未能達(dá)到設(shè)計要求，操作者仍可以進(jìn)行傳動軸的轉(zhuǎn)向工作。

4典型故障分析

在某型機(jī)一次外場維護(hù)過程中，尾傳動軸重新拆裝后，地面開車使旋翼達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，如圖1所示，用頻譜分析儀測量4號、5號、6號支點的振動，發(fā)現(xiàn)5 號點的振動值超限。此時按照第3 節(jié)的調(diào)整方法進(jìn)行直升機(jī)傳動軸系動不平衡調(diào)整，多次試車后5號點的振動值均無法滿足設(shè)計要求的指標(biāo)。而后操作者在尾梁內(nèi)部向上用力頂住5號支點軸承支座下方的蒙皮，5號支點振動值明顯降低，而用力向上頂住4號支點軸承支座下方的蒙皮，4號點振動值無明顯變化，因此猜想5號軸的支撐平臺蒙皮可能發(fā)生變形。

為驗證是否是因為支撐座變形所導(dǎo)致的振動超限，操作者制作兩件長約30 mm、寬約40 mm、厚約3 mm 的支撐橫條分別安裝在5 號軸承支座下方。然后地面試車進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)振動值仍無法滿足要求。

為了進(jìn)一步確定問題原因，操作者在地面拆卸了5 號軸疊片聯(lián)軸節(jié)與法蘭盤的安裝螺栓，測量軸疊片聯(lián)軸節(jié)與法蘭盤之間的間隙，具體如圖3 所示，間隙X 值為1.5 mm，間隙Y 值為1.2 mm。這就導(dǎo)致了兩軸之間的軸系間隙出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象，確認(rèn)該現(xiàn)象是導(dǎo)致整個傳動軸系不平衡的原因。而后調(diào)整X 處的調(diào)整墊片，重新進(jìn)行動平衡檢查，振動值滿足要求。

此前在尾梁內(nèi)部用力向上頂住5 號支點下方蒙皮的方法，經(jīng)機(jī)上檢查發(fā)現(xiàn)，5號支點振動傳感器是利用膠水粘貼在結(jié)構(gòu)上的，而4 號支點振動傳感器安裝在振動傳感器支架上。因為5 號支點振動傳感器直接與結(jié)構(gòu)相連，由于人為向上的力直接作用于結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致傳感器上的部分振動被外力吸收，所以導(dǎo)致5 號點的振動下降。這種方法對4號點的作用，因振動傳感器支架的影響，并不明顯。

綜上所述，直升機(jī)傳動軸系上某一點的位置發(fā)生改變或某一位置的配重發(fā)生變化，都會影響整個軸系的動平衡效果，進(jìn)而影響傳動軸系的振動水平。雖然傳動軸系出廠后，無法對整個傳動軸上的配重進(jìn)行調(diào)整，但在實際的現(xiàn)場動平衡過程中，可以通過調(diào)整傳動軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來達(dá)到預(yù)期的效果。

5結(jié)束語

通過分析直升機(jī)傳動軸系現(xiàn)場動平衡典型案例，得到了可以通過調(diào)整傳動軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來實現(xiàn)現(xiàn)場動平衡的目的。目前國內(nèi)外傳動軸系動平衡調(diào)整的方法很多，但傳動軸系調(diào)整過程中，不可避免地會出現(xiàn)多次停車進(jìn)行檢查調(diào)整的情況，尋求一種較少停車的可自動調(diào)節(jié)軸系動平衡的方法目前仍在試驗階段。相信隨著科技的不斷發(fā)展，該技術(shù)在未來的傳動軸系動平衡調(diào)整過程中將得到廣泛應(yīng)用。