直升機旋翼錐體與動平衡測量技術研究

摘 要 根據直升機旋翼錐體和動平衡維護工作的重要性，分析了錐體和動平衡測量的特點，得出空中旋翼錐體測量是錐體測量的主要難點、空中動平衡測量是動平衡測量的主要難點。對錐體和動平衡測量的微弱信號高精度數據采集技術、動平衡數字信號分析技術、頻閃儀測量錐體高精度跟蹤測量技術和光學傳感器測量錐體數字處理技術等4個關鍵技術進行了研究，提出了解決方向。并對進一步的研究發展給出了建議。

【關鍵詞】旋翼錐體測量 動平衡測量 直升機

直升機旋翼錐體和動平衡一直是直升機生產、使用、維護等過程中的重要檢查項目之一。長期以來，研究人員一直在努力研究如何減少直升機的振動水平。直升機的振源主要有旋翼系統、發動機和傳動部件等，其中，旋翼是影響直升機振動的最主要因素之一。由于旋翼是直升機減振的關鍵部件，旋翼槳葉錐體和槳葉動平衡調整的結果直接影響到直升機振動水平的大小，它對直升機的壽命、飛行性能、安全性、舒適性各方面都起著決定性的作用。因此，研究調整旋翼槳葉錐體和槳葉動平衡的方法是降低直升機振動水平、改善直升機振動環境、提高直升機飛行品質的有效途徑。但首先需要精確測量直升機旋翼的錐體和動平衡值，只有取得準確的錐體和動平衡數據，才有可能研究和實施降振方法和措施。因此直升機旋翼錐體和動平衡的測量是直升機設計和維護保障工作中的重點研究課題之一。直升機旋翼錐體和動平衡測量設備的常見架構見圖1所示。

1 錐體和動平衡測量特點和難點

現有直升機尤其是新研制的直升機在性能和乘員舒適性方面考慮得越來越多，對直升機的減振水平要求越來越高。按照現有直升機維護的要求，錐體和動平衡檢查工作通常需要在地面慢車、地面大車、無地效懸停、有地效懸停、低速前飛、中速前飛和高速前飛共7種飛行狀態下進行檢查；某些新型的直升機的性能要求更高，提出需增加轉彎、倒飛、側飛和爬升四種狀態的動平衡檢查要求。從以上各種錐體和動平衡檢查狀態可看出，直升機錐體和動平衡檢查的狀態多，大體上可分為地面檢查和空中檢查兩種狀態。

地面錐體檢查時，旋翼錐體受外界風的影響較大，當存在不確定的外界風力作用時，旋翼的錐體會出現較大的偏差變化。采用頻閃儀測量旋翼錐體時，可通過長時間的觀察識別出偏差的錐體；采用傳感器數字化測量時，通常通過采用數字濾波和平均的方法可得到較好的效果。

地面動平衡檢查時，由于旋翼不帶總矩，旋翼系統的運行與常規的機電設備類似，其動平衡信號比較平穩，測量相對較為簡單，可采用相關分析方法進行分析，測量結果相對較好。

空中旋翼錐體測量是錐體測量的主要難點?？罩行礤F體狀態受外界風和操縱影響很大，錐體變化可能會很大。采用頻閃儀測量旋翼錐體時，有時甚至突然出現靶標超出觀察視野的情況；采用傳感器數字化測量時，測量到的錐體可能會突然發生變化，導致錐體多次測量的重復性很差，這種情況下，為了得到更好的測量結果，需要進行更復雜的數字信號處理過程。如果得不到準確、可靠的錐體測量值，直升機維護人員就難以判斷錐體的準確狀態。

空中動平衡測量是動平衡測量的主要難點。直升機在空中運行時不同于一般以地面為支撐面運行的機械設備，其支撐點為旋轉的旋翼，而旋轉的旋翼是柔性的，并不特別穩定，其受操縱、外界風、旋翼本身性能等影響。導致動平衡測量時會存在多種復雜且不穩定的振動信號，一般存在大量的偶然出現的非平穩低頻信號，嚴重干擾運行在低頻段的旋翼動平衡信號，且干擾難以得到抑制。為了獲得準確的動平衡值，這就要求后端的測量分析功能非常完善，能從各種復雜的動平衡信號中提取出有用信號，能適應各種環境和干擾造成的影響。

2 錐體和動平衡測量關鍵技術及解決方法

2.1 微弱信號高精度數據采集技術

在直升機錐體和動平衡測量時，動平衡的振動信號是微弱信號。為同時滿足直升機其他振動測量的維護需要，直升機錐體和動平衡測量分析設備通常的最大測量范圍會達到20IPS，精度為0.01IPS，直升機旋翼和尾槳動平衡的幅值超標門限通常在0.20IPS附近。為使傳感器盡量減少對被測體的影響，同時受安裝空間和安裝位置的限制，通常振動傳感器只能選擇體積較小的速度型振動傳感器，這就決定了傳感器的輸出靈敏度不會很大，通常會在20mV/IPS左右。因此，為得到0.01IPS精度的測量，傳感器的輸出只有大約200μV。這么微弱的信號采用通常的數據采集電路設計，往往難以保證采集的精度，甚至出現數據錯誤。

需要采用適應微小振動信號的高精度電路拓撲結構，通過對微小振動信號的傳輸過程、濾波電路、放大調理電路和模數轉換電路等進行優化設計和分析計算，解決直升機動平衡微弱信號的高精度采集難題。

在傳感器信號的傳輸上，采用差分形式傳輸，電纜采用雙絞屏蔽電纜，大幅度減少外界電磁干擾。在電路的前端設置射頻濾波電路，濾除信號電纜上的共模射頻干擾和差模射頻干擾，消除放大電路產生直流失調誤差的射頻干擾。信號的放大采用儀表放大器進行放大，儀表放大器具有超過100dB的共模抑制比，具有高達10GΩ的輸入阻抗，可提高信號的準確獲取能力。采用多級濾波器進行信號的濾波，濾除電纜、導線、電源等各部分引入的高頻干擾，利用集成濾波技術減少電路的復雜度。采用較高分辨率的模數轉換器，至少采用16位或24位精度的模數轉換器，以高精度、準確獲取被測信號。

2.2 動平衡數字信號分析技術

理想情況下，動平衡測量時，振動傳感器的輸出應該是含有各振動頻率的諧波的合成信號。實際工作中波形受直升機運行性能、外界風力、直升機操縱等方面的影響，波形中會包含隨機脈沖干擾，尤其是大幅值低頻隨機信號的干擾，導致空中動平衡的信號非常復雜。采用頻譜分析技術進行分析可以發現頻譜不穩定，這直接反映采用傅立葉變換及引申的方法難以準確、快速地獲取直升機槳葉的真實不平衡值，難以得出準確穩定的動平衡值。

常用的動平衡分析技術均采用快速傅立葉變換或其引申的技術，而這種方法對于直升機空中動平衡獲得的不穩定信號很大程度上是不適應的。通過大量的直升機數據分析和數據仿真驗證，采用時域的處理方法是再合適的處理方法，通過時域數字跟蹤窄帶濾波的方法，根據采集到的動平衡信號進行復雜度識別自動選取合適的判定閥值，可快速、準確地獲得直升機地面、空中各狀態的動平衡值。

2.3 頻閃儀測量錐體高精度跟蹤測量技術

采用頻閃儀測量直升機旋翼錐體的原理是：頻閃儀按照當前槳葉轉速×槳葉片數的倍頻率發光，依靠人眼的視覺延時，根據各片槳葉靶標的反光余輝，判斷錐體的狀態。為了能清晰、穩定地看到每片槳葉的靶標，需要頻閃儀閃光的頻率非常穩定，當頻閃儀閃光的頻率間隔相對槳葉轉速絕對穩定是，所看到的槳葉靶標就是靜止的。在設計的系統中，由于轉速采集的滯后、軟件指令的延時、頻閃儀驅動延時等原因會導致頻閃儀的閃光頻率會出現波動。通常波動范圍需要控制在納秒級，當波動范圍太大時，無法跟蹤到槳葉靶標。

通過提高測量時觀察效果的穩定度來提高頻閃儀測量錐體的精度，主要有以下方法：

（1）采用高響應速度的頻閃儀；

（2）采用反光效果好的反光紙；

（3）提高當前轉速的測量精度；

（4）提高轉速分頻信號的計算速度。

2.4 光學傳感器測量錐體數字處理技術

目前成熟的光學測量錐體的傳感器有UTD、FasTrak和Optical Tracker。其工作原理均為在直升機旋轉時采用光學的方法被動感知槳葉經過錐體傳感器上方變化的光信號，通過幾何運算得出每片槳葉的高度值，進而得到直升機的錐體。

由于光學傳感器設計的特性，其工作時對變化的光信號均認為是直升機錐體信號，會轉換為數字信號傳輸給采集設備，這就導致在實際的測量過程中可能會出現嚴重的干擾現象。甚至可能出現傳感器靈敏度或響應速度的問題導致偶然丟失正常的錐體信號或出現測量結果完全錯誤。針對該特點，為獲得準確、穩定的數據，經大量研究，目前的主要方法是先建立某個型號直升機的錐體信號模型，采集二周以上的錐體信號，再進行模型匹配，然后采用濾波、平均等技術來處理錐體信號，最終計算出錐體值。

現有的數據處理方法，需要較多的錐體數據，導致單次測量需要較長的時間，而為了確認測量結果的準確性，通常情況下還會通過采用多次重復測量的方法來檢驗測量結果的一致性，這樣所需要花費的時間更長。通過轉速跟蹤，實時分析檢判旋翼每一周采集到的錐體數據的有效性，實時剔除采集到的異常數據，這樣可根據測量的需要，當采集到有效周期數量的錐體數據時，即可進行錐體的計算，解決錐體測量時采用的數據提取、分析和濾波方法存在的不足。

3 結論

目前，國內在直升機錐體和動平衡測量技術方面的研究范圍較廣，但研究理論較分散。經過多年的積累，已在多個方面有一些嘗試，在理論方面有一定的突破，在研究范圍上與國外已逐漸接軌，但這些技術絕大部分均停留在單個理論研究層面，未能進一步深入研究轉化為成熟、可靠的市場化產品。建議重點在產品設計實踐和產品的試驗驗證等方面開展研究。

參考文獻

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作者簡介

彭德潤（1984-），男，湖南省寧鄉縣人。現為中航工業上海航空測控技術研究所第二研究室副主任、上海交通大學工程碩士在讀、中航工業故障診斷與健康管理航空科技重點實驗室研究員、工程師。主要研究方向為直升機綜合測試與故障診斷技術。

孫燦飛（1979-），男，湖南省岳陽市人。碩士學位?，F為中航工業故障診斷與健康管理航空科技重點實驗室研究員、中航工業上海航空測控技術研究所副總工程師、高級工程師。主要研究方向為綜合保障技術。

何泳（1977-），男，河南省洛陽市人。碩士學位?，F為中航工業上海航空測控技術研究所副所長，研究員。主要研究方向為綜合測試及維修保障技術。

作者單位

1.上海交通大學 上海市 200240

2.中航工業故障診斷與健康管理航空科技重點實驗室 上海市 201601

3.中航工業上海航空測控技術研究所 上海市 201601