直升機(jī)錐體測(cè)量與調(diào)整技術(shù)研究

［摘 要］文章介紹了直升機(jī)錐體測(cè)量的目的，分析了旋翼錐體測(cè)量方法，探討了旋翼錐體調(diào)整方法，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)例分析了旋翼錐體錐度調(diào)整對(duì)旋翼系統(tǒng)振動(dòng)值的影響。研究結(jié)果表明，微小的錐度差可能會(huì)帶來(lái)更好的動(dòng)平衡效果。

［關(guān)鍵詞］錐體；轉(zhuǎn)子；動(dòng)平衡；錐度；振動(dòng)

［中圖分類號(hào)］V275.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0149–03

直升機(jī)錐體測(cè)量技術(shù)是直升機(jī)旋翼動(dòng)平衡測(cè)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，錐體的調(diào)整會(huì)影響旋翼動(dòng)平衡結(jié)果，進(jìn)而影響旋翼系統(tǒng)振動(dòng)水平。錐體或打錐體的定義是盡量使所有主槳葉片翼尖軌跡在轉(zhuǎn)動(dòng)中處于同一面上的過(guò)程。而槳葉作為為直升機(jī)提供升力的重要部件，其性能參數(shù)直接影響直升機(jī)的飛行品質(zhì)，若直升機(jī)的錐體不理想，可能會(huì)造成直升機(jī)在水平或垂直方向上產(chǎn)生振動(dòng)，影響飛行員的體感或使機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生不正常的晃動(dòng)，影響飛行員對(duì)參數(shù)的判讀等。假如振動(dòng)持續(xù)產(chǎn)生并作用于直升機(jī)上，甚至?xí)斐蓹C(jī)身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋、操縱設(shè)備抖動(dòng)等異常問(wèn)題。因此對(duì)直升機(jī)同錐度問(wèn)題的研究，在直升機(jī)日常維護(hù)中占據(jù)著重要地位。

1 旋翼錐體測(cè)量目的

直升機(jī)在地面試車或在飛行過(guò)程中，每片主槳葉的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)形成以主槳轂為中心、以槳葉弦長(zhǎng)為母線的倒立錐面，如圖1（a）所示。在直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量時(shí)，一般會(huì)選擇1 片槳葉為基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)槳葉一般在旋翼系統(tǒng)裝機(jī)后不允許通過(guò)調(diào)節(jié)變距拉桿來(lái)改變槳葉的安裝位置，但可以通過(guò)測(cè)量方法來(lái)比較基準(zhǔn)槳葉與其他非基準(zhǔn)槳葉的高度差，來(lái)判斷錐體的好壞。若某1 片或某幾片的槳葉軌跡所形成的錐面與基準(zhǔn)槳葉所形成的錐面重合，可認(rèn)為該片（幾片）槳葉與基準(zhǔn)槳葉處于同一錐面內(nèi)。否則，該片（幾片）槳葉就與基準(zhǔn)槳葉存在高度差，需要通過(guò)調(diào)整變距拉桿或槳葉后緣調(diào)整片來(lái)調(diào)整，旋翼槳葉錐體高度差示意如圖1（b）所示。

直升機(jī)錐體測(cè)量技術(shù)是旋翼動(dòng)平衡測(cè)量的重要指標(biāo)，因?yàn)殄F體測(cè)量與旋翼動(dòng)平衡存在密切的關(guān)系。旋翼在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際上就是一個(gè)轉(zhuǎn)子，對(duì)于轉(zhuǎn)子而言，由于設(shè)計(jì)、材質(zhì)不均勻及制造安裝誤差等原因，所有實(shí)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[3]。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就不一定是一個(gè)平衡力系。即只要改變主槳葉某一或某幾個(gè)錐面的高度，均會(huì)導(dǎo)致旋翼動(dòng)平衡發(fā)現(xiàn)變化。此外，從空氣動(dòng)力學(xué)分析，主槳葉的錐面差異易導(dǎo)致各槳葉的升力產(chǎn)生較大的差異，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)身出現(xiàn)不穩(wěn)等異常問(wèn)題。所以對(duì)直升機(jī)進(jìn)行錐體測(cè)量非常重要。

2 旋翼錐體測(cè)量方法

傳統(tǒng)的旋翼錐體測(cè)量方法有紙筒法、頻閃儀測(cè)量法、照相機(jī)測(cè)量法等，較先進(jìn)的測(cè)量方法有激光測(cè)量、紅外無(wú)線測(cè)量等。為了研究其方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及其在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用的廣泛程度，文章將選取幾個(gè)較為典型的方法進(jìn)行闡述。

2.1 紙筒法

20 世紀(jì)70 年代，根據(jù)國(guó)家發(fā)展需求，我國(guó)引進(jìn)了法國(guó)造的“超黃蜂”運(yùn)輸直升機(jī)，該直升機(jī)旋翼材質(zhì)為金屬材料，所采用的旋翼錐體測(cè)量方法就是紙筒法。紙筒法也叫旗桿法，該方法使用1 個(gè)支架，支架上套有1 個(gè)加長(zhǎng)的圓筒，圓筒的另一端裝有卷成圓柱體的牛皮紙。試車前操作者在每片主槳葉的翼尖處使用蠟筆依次在每片槳葉上凃上不同的顏色，這里有1種顏色標(biāo)記了基準(zhǔn)槳葉。以上工作操作完成后，地面進(jìn)行試車，操作者舉起旗桿緩慢地靠近主槳葉的翼尖處，這樣所有的顏色都會(huì)在牛皮紙上標(biāo)記。通過(guò)測(cè)量標(biāo)記的高度，可以知道每片槳葉與基準(zhǔn)槳葉的高度差，通過(guò)高度差調(diào)整主槳轂變距拉桿的高度齒輪，就可以完成錐體調(diào)整的任務(wù)。

從以上的操作過(guò)程中可以看出，測(cè)量時(shí)需要人為地使用旗桿靠近高速旋轉(zhuǎn)的槳葉，而且測(cè)量數(shù)據(jù)需要在牛皮紙上進(jìn)行。所以這種方法存在不安全、不精確等問(wèn)題，此外，由于旗桿只能在地面上使用，所以該方法并不適用空中飛行時(shí)的錐體檢查。

2.2 頻閃儀測(cè)量法

隨著振動(dòng)測(cè)量技術(shù)及光電傳感器技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了以頻譜分析為主的測(cè)振技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)安裝于旋翼附近相對(duì)靜止部件上的振動(dòng)傳感器和光電傳感器來(lái)采集信號(hào)，振動(dòng)傳感器采集旋翼的振動(dòng)信號(hào)，光電傳感器則采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，兩路信號(hào)通過(guò)連接線纜分別傳輸至頻譜分析儀主機(jī)上。分析儀主機(jī)通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換將兩路傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，在主機(jī)上顯示旋翼振動(dòng)及轉(zhuǎn)速數(shù)值。當(dāng)主機(jī)上的轉(zhuǎn)速信號(hào)達(dá)到旋翼的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)連接在頻譜分析儀主機(jī)上的頻閃儀發(fā)射頻閃信號(hào)，頻閃信號(hào)照射在安裝于主槳葉末端的靶標(biāo)紙（靶標(biāo)紙上標(biāo)記可識(shí)別的符號(hào)/數(shù)字，如1、2、3、4…等），可以在直升機(jī)的某幾個(gè)固定位置觀測(cè)到連續(xù)并排出現(xiàn)的標(biāo)記數(shù)字（符號(hào)）。通過(guò)基準(zhǔn)槳葉標(biāo)記的數(shù)字與非基準(zhǔn)槳葉標(biāo)記的數(shù)字之間的位置關(guān)系，來(lái)調(diào)整其他槳葉數(shù)字對(duì)應(yīng)的變距拉桿的長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)錐體調(diào)整的目的。

頻閃儀測(cè)量法具有測(cè)量直觀、測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各型直升機(jī)的錐體測(cè)量工作中。但其也具有受人為因素影響較大、測(cè)量精度低、測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

2.3 激光測(cè)量法

在直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量過(guò)程中，所有非基準(zhǔn)槳葉都是以基準(zhǔn)槳葉為參考點(diǎn)進(jìn)行錐度調(diào)整的。若槳葉之間存在高度差，則在槳葉旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，它們之間所形成的軌跡的高度也會(huì)出現(xiàn)差值，可通過(guò)計(jì)算各主槳葉與基準(zhǔn)槳葉的高度差來(lái)確定旋翼的同錐度水平。若從某幾個(gè)位置發(fā)射激光，那么主槳葉在切割這些由激光構(gòu)成的圖形時(shí)，所使用的時(shí)間必然不同。這樣就可以把測(cè)量錐度差問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算問(wèn)題，激光測(cè)量法就是通過(guò)這個(gè)原理來(lái)測(cè)量旋翼錐體的。激光測(cè)量法具有自動(dòng)化測(cè)量、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，激光測(cè)量法也逐漸地應(yīng)用于直升機(jī)維護(hù)工作中。

3 旋翼錐體調(diào)整方法

上文講到可通過(guò)調(diào)整主槳轂變距拉桿的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整直升機(jī)主槳葉錐度，一般情況下主槳轂的變距拉桿都安裝在主槳轂各支臂的正下方，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變距拉桿的螺紋結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)變距拉桿的伸長(zhǎng)（或收縮），這樣就可以實(shí)現(xiàn)槳轂支臂的上下調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整安裝于主槳轂支臂上的主槳葉的高度的效果，一般變距拉桿上，“+”號(hào)代表往這個(gè)方向。

因主槳葉在直升機(jī)飛行或開(kāi)車過(guò)程中，特別是在飛行過(guò)程中受空氣動(dòng)力的影響很大，所以略微的氣流變化就很有可能影響主槳葉產(chǎn)生的升力，進(jìn)而對(duì)直升機(jī)的錐體產(chǎn)生影響?；谝陨显?，設(shè)計(jì)出了第2 種錐體調(diào)整方法，即調(diào)整安裝于主槳葉外部后緣調(diào)整片的彎曲角度來(lái)調(diào)整錐體。一般情況下，飛行錐體通常通過(guò)固定安裝的調(diào)整片來(lái)實(shí)現(xiàn)，主槳葉通常會(huì)有6～9片調(diào)整片，大多數(shù)情況只有1 片調(diào)整片是用來(lái)調(diào)整飛行錐體的，主槳葉調(diào)整片如圖2 所示。直升機(jī)維護(hù)手冊(cè)會(huì)給出調(diào)整片上下最大的允許調(diào)整角度，當(dāng)向下扳動(dòng)后緣調(diào)整片時(shí)，主槳葉會(huì)下降，即錐體錐度向下；當(dāng)向上扳動(dòng)后緣調(diào)整片時(shí)，主槳葉會(huì)上升，即錐體錐度向上。當(dāng)然由于調(diào)整片外形尺寸較小，對(duì)錐體的影響也較小，所以該方法僅適用于進(jìn)行微小的錐體調(diào)整。

4 典型故障分析

在直升機(jī)旋翼維護(hù)過(guò)程中，旋翼動(dòng)平衡與旋翼錐體調(diào)整是密不可分的兩項(xiàng)工作，只有當(dāng)兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，旋翼錐體動(dòng)平衡工作才算完成。但這兩項(xiàng)工作又相互影響，所以現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡工作通常較復(fù)雜。

某次現(xiàn)場(chǎng)錐體檢查結(jié)果如圖3（a）所示，其中1號(hào)點(diǎn)為基準(zhǔn)主槳葉靶標(biāo)，可以看出在地面時(shí)，錐體基本在一條直線上，振動(dòng)值也滿足要求（≤ 0.3 IPS）；懸停時(shí)2 號(hào)點(diǎn)的靶標(biāo)錐度差為1 個(gè)靶標(biāo)，不滿足要求（≤ 1/2 個(gè)靶標(biāo)），振動(dòng)值超限（0.35 IPS）；平飛時(shí)2 號(hào)點(diǎn)的靶標(biāo)錐度差為3/4 個(gè)靶標(biāo)，不滿足要求（≤ 1/2 個(gè)靶標(biāo)），振動(dòng)值合格。此時(shí)進(jìn)行第1 次調(diào)整，將2 號(hào)靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的變距拉桿下調(diào)，使錐度下調(diào)1 個(gè)靶標(biāo)，結(jié)果如圖3（b）所示，可以看出，地面和懸停狀態(tài)的指標(biāo)不滿足要求。為了保證地面和飛行狀態(tài)的錐體與振動(dòng)值均滿足要求，進(jìn)行第2 次調(diào)整，將2 號(hào)靶標(biāo)上調(diào)1/2 個(gè)靶標(biāo)，結(jié)果如圖3（c）所示，可以看出，此時(shí)地面的錐體最大錐度差為1/2 個(gè)靶標(biāo)，振動(dòng)為0.08 IPS，懸停時(shí)的錐體最大錐度差也為1/2 個(gè)靶標(biāo)，振動(dòng)值為0.14 IPS，平飛時(shí)的錐體最大錐度差約為1/4 個(gè)靶標(biāo)，振動(dòng)值為0.11 IPS，第2 次調(diào)整后的結(jié)果均滿足要求。

從第2 次的調(diào)整結(jié)果可以看出，雖然該型機(jī)在地面開(kāi)車和懸停的過(guò)程中，錐體的錐度差并不是特別小，但該狀態(tài)的振動(dòng)值卻能夠滿足設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明微小的軌跡分離可能帶來(lái)更好的振動(dòng)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)分析旋翼錐體的調(diào)整方法和過(guò)程，得到了旋翼錐體調(diào)整可導(dǎo)致旋翼轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡發(fā)生變化的結(jié)論，即可通過(guò)調(diào)整旋翼錐體來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡，使旋翼系統(tǒng)的振動(dòng)達(dá)到令人滿意的結(jié)果。未來(lái)，可深入研究旋翼錐體的調(diào)整方法，為直升機(jī)的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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