淺析直升機振動故障的排查

■ 陳池禮/國營錦江機器廠

1 直升機振動的現狀

直升機振動的主要原因是由工作原理和設計技術水平所共同決定的。直升機的機身前粗后細、長細比較大,并盡可能減輕結構重量,這就降低了它的剛度；旋翼和尾槳相對厚度較小、長細比較大,工作旋轉時形成的氣動作用面與機體和水平安定面等共同作用于空氣,既形成了飛行所需的氣動力,又受到來自空氣動力的擾動；傳動部件將發動機的高速旋轉動能減速傳遞給旋翼、尾槳和其他需要旋轉動能的部件,機械的轉動載荷與動不平衡也就產生了相應幅度的振動,因此除了發動機外,旋翼、尾槳和傳動部件也是直升機主要的振動載荷源。正是由于這種差異,直升機的振動和噪聲問題一直很突出。時至今日,直升機的振動水平仍是衡量直升機先進程度的最主要指標之一。

從1942年西柯斯基公司研制的R-4型直升機投入使用以來,人們一直致力于振動和噪聲水平的降低。上世紀60年代以前采用靜態設計,振動和噪聲水平很高；70年代采用半動態設計,局部考慮了振動與動不穩定性問題；80年代以來大量采用新材料、新結構以及各種振動控制措施,振動水平有所降低。不同時期直升機振動水平及代表機型如表1所示。

振動對機體結構和部件產生應力,縮短使用壽命,影響直升機駕駛和乘坐的舒適程度；過大的振動不僅使乘員感覺難受,飛行操縱困難,而且加速形成對直升機旋轉部件的損傷及結構件的磨損、疲勞直至斷裂,影響飛行安全。因此,無論是直升機設計制造單位、使用單位還是維修單位,振動都是必須嚴肅認真對待的問題。

2 直升機振動水平的指標化

雖然振動水平對于直升機來講非常重要,但是在很多型號的直升機技術資料中都很難發現關于振動的技術指標,更難有關于振動檢測和排查的系統性支持資料,即便配裝的發動機有振動檢查標準,但只能作為臺架試車的要求,在裝機后對機體的振動卻不適用。日常工作中,多是通過人體感知來判斷振動的水平,這種判斷的誤差較大,特別是機組提出振動問題后分析是何種原因引起的就更顯不足。

表1 直升機的振動水平與代表機型

直升機上的振動源很多,直升機任何部位、任何時刻的振動都是各振動源共同振動激勵在該部位的振動響應結果,其中旋翼振動分量尤其明顯。為了認識和查找振動的來源,必須進一步細化識別。根據振動產生的機理,直升機轉動部件的振動頻率一般與部件的轉動速度相關,而直升機上部件的轉動速度各不相同,因此可以通過振動頻率來識別振動的來源。在機外增加了外掛、吊艙等設備系統的直升機,當直升機飛行速度增大時,相應外掛部位與高速氣流之間的作用力與反作用力等引發的額外振動也會部分傳遞至機身結構,從而導致相應振動,該類振動與直升機的飛行速度密切相關,因而對其的判斷排除相對容易。

依據直升機的設計原理,按各部件轉動的速度,可分為低速轉動部件、中速轉動部件和高速轉動部件,其對應產生的振動也為三類：低頻振動,主要來自于旋翼系統；中頻振動,主要來自于尾槳系統；高頻振動,主要來自于發動機和高速傳動軸。另外,一些固定頻率的振動也指向特定轉動附件。

除了頻率外,直升機振動關注的指標還有振幅和方向,而且這兩項指標都應建立在相應的頻率基礎上,即“X部位：X頻率振動的振幅為Y、方向為Z”—— 直升機振動水平的指標化描述,在此基礎上建立振動指標,通過具體指標數據評價振動的水平。

3 直升機振動的檢測

就目前而言,要降低已有直升機的振動水平是很難實現的,但是通過科學的振動檢測,采取必要的修理、調整方法,將直升機振動水平保持在合理的范圍內,不降低安全和舒適性還是可行的。

3.1 振動測試采集系統的安裝

從直升機振動的原因出發,根據各機型的特點,科學選擇振動監測點很重要。對于任何投入使用的直升機而言,駕乘人員的振動直觀感受最為重要,因此駕乘人員座椅安裝部是最基本的振動監測點；直升機的旋翼、發動機、主減和尾槳等是直升機的主要振動源,為了監控其工作狀態（包括動平衡、內部運轉部件間的間隙、有無松動等異常情況）,對其振動參數進行測試往往也是很有必要的；主減作為旋翼與機身之間的固定連接承力構件,同樣也是旋翼振動的傳導體,將旋翼振動傳導到機身的承力主框梁上,因此該承力主框梁與機艙地板連接的剛性部位也是旋翼振動、主減振動的重要監測點；為了減小振動、優化駕乘人員的感受,部分直升機在一些部位設計、安裝有用于減振的結構優化設計,包括被動式減振部件（系統）和主動式減振部件（系統）,針對該部分的減振性能情況,有時也需補充監控。

為了提高效率,應優先采用多通道動態信號采集測試分析系統（支持移動電源）,通過在振動監測點上安裝配套的振動傳感器,同時采集、記錄和分析直升機上的振動源、機體的振動參數,如圖1所示。其中,駕駛員座椅安裝部地板的振動采集測試是直升機振動測試的基本部位,若儀器通道受限制,每次測試時都應保留該部位。

圖1 直升機振動測試連接圖

結合各機型傳感器的安裝條件,優先采用在振動監測點上直接安裝振動傳感器監測,如發動機、主減和駕駛員座椅安裝部地板等,對于因整體在轉動而不便直接安裝的振動源,如傳動軸、剎車盤等,可通過在其機上支撐固定安裝部或機體剛性部間接測量。

根據傳感器測試的方向性,分為單軸向、三軸向等類型,用于精密測量的振動傳感器通常采用單軸向類型,因此振動傳感器測試時的安裝方向非常重要,必須將傳感器軸朝著需要的方向,并盡量使其軸向與希望測試的振動軸向一致,這時傳感器測試輸出的信號才能最貼近實際,誤差最小,否則,隨軸向偏離,誤差會越來越大。為此,部分安裝部位需制作相應的安裝支架,或對軸向偏離角度進行測量,通過三角函數矢量分解換算出真實的振動參數。

實際中,部分振動源引起的振動方向存在多個,如直升機旋翼系統會引發機體縱向、橫向和垂直等三個方向上的振動,這時可能需對其各個振動方向進行測試監控,因此需在這三個方向上都安裝振動傳感器。

振動傳感器安裝時,必須固定牢靠,對于其測試軸向上的連接必須采用剛性連接,最好采用鋼體螺紋連接,確不能實現時,在保證安全的前提下也可采用502膠等硬膠接辦法安裝。采用捆綁式、裝在柔軟或彈性材料部位上等安裝方式都是不正確的。

采集儀和便攜計算機可安裝在駕駛艙內（采用內置電池或移動電源供電）,由專人操作測量。

另外,因傳感器輸出信號都比較微弱,對傳感器與采集儀之間連接電纜的屏蔽也十分必要,以避免機上復雜電磁兼容環境對振動測試的影響。

最后,由于傳感器個體和電纜的差異,應注意按計量校準（標定）時的通道連接狀態對應接線,避免量值傳遞誤差。

3.2 振動的測試與設置

通常,振動傳感器輸出的是測試時刻感受到的加速度信號,經采集儀換算處理后得到傳感器安裝部位的瞬時振動值（時域分析）,即常說的直升機振動水平。但直升機的機身結構具有一定的彈性,該特性對于不同的頻率激波具有不同的振動響應,同樣人體對于不同頻率的振動感知也是不同的。該振動大小主要由哪些振動源產生的,能否進一步改善,從何處入手等都無法直接做出回答,因此僅從時域上進行總振動水平大小的檢測是不夠。

因此,按照振動水平的指標化方法,為了分析各振動源各自振動的情況,必須對該總振動參數進行分解——FFT變換（頻域分析）,這是振動測試必需的功能。目前,很多先進的采集測試系統在采集記錄的同時還具備直接FFT分析顯示的功能,既滿足了實時監控,又便于后期多維度分析。通過FFT變換,得出各頻率對應的振幅,再通過頻率與各振動源轉速等的對應,即可得出各振動源在傳感器安裝部位的實際振動響應值,從而判斷該振動源振動水平是否合格。

由于直升機上振動源很多,機身結構與氣動部件等共同導致直升機上的振動環境十分復雜。具體在頻域上表現為：在寬帶隨機振動上疊加很強的振動峰值,這些峰值正是由直升機上的旋轉部件（振動源）產生的。若僅按常規測試采集,則信號復雜異常,難于分析。因此,系統需具備振動測試相關的濾波器及算法,如低通濾波、抗混濾波等,濾除干擾,使測試關注有用信號；同時還必須結合直升機特點,在不同監測點合理進行頻率范圍和幅度設置,便于篩選和識別。表2給出了常見振動源的振動頻率關系。

直升機在地面、空中以及不同飛行狀態下的振動水平都存在差異,引起振動的原因也各有不同。因此,實際工作中需要一直測試監控比對,通過檢查各頻率振幅的變化,找出使機組乘員有不適感受的確切振動源。

表2 常見振動源的振動頻率關系

4 直升機振動的故障排查

排查的主要思路是：通過對振動參數的檢測,依據各頻率的振幅大小直接或間接得出各振動源的振動水平,如有超出范圍則應針對該振動源及其安裝等做進一步檢查。

4.1 發動機、變速箱等剛性很強的旋轉部件的頻率振幅超標

對于駕駛員座椅安裝部地板檢測發現的超標,可能涉及的原因包括部件本身（如動不平衡、間隙不合理、零件磨損、潤滑不良等）以及機上安裝不合理或用于減振的部件失效等,需逐項排查；對于在部件上直接檢測發現的超標,則基本說明該部件本身振動超標,應對該部件進行檢修。

主減作為直升機的傳動中樞,其各傳動軸系的工作轉速差別很大,如行星齒輪傳動軸的,連接旋翼的、發動機的、尾槳的、滑油泵的、旋翼剎車盤的、發電機的、液壓泵的等；同時,各傳動軸系的轉速也存在多個,如輸入、輸出軸的,變換轉速大小與方向齒輪的等。這些頻率振幅除了涉及主減,還與連接的旋轉部件有關。同樣,發動機內部也存在多個不同速度的轉動機構,在進行頻譜和故障排查時,應注意仔細識別。

4.2 尾傳動軸的頻率振幅超標

應檢查機上配套軸承、安裝法蘭盤的狀況和角度,檢查軸系的同軸度及其自身的動平衡情況等。

4.3 尾槳的頻率振幅超標

應重點檢查系統組件的平衡性、尾槳葉的狀況、尾減速器傳動軸的同軸度、水平安定面連接點是否松動、減速箱齒輪有無磨損,以及安裝固定是否合格等。

4.4 旋翼的頻率振幅超標

旋翼振動超標比較復雜,不僅涉及槳葉平衡（重量/幾何）、旋翼同錐度、頻率匹配器、旋翼軸、主減傳動軸、自動傾斜器、鉸鏈、球鉸、伺服機構等各相關操縱和旋轉部件的狀況和安裝情況,還涉及水平安定面等氣動部件的安裝情況。

旋翼最常見的振動原因是槳葉錐體超差和槳葉不平衡。

錐體超差引起槳葉升力不平衡,導致垂直振動,飛行速度越大振動越大。檢查的方法有翼尖著色打錐體法和采用頻閃儀等測量法,具體通過調節變距拉桿長度粗調,再通過調節槳葉調整片角度細調,盡量減小錐體的誤差。

槳葉不平衡既可能引起錐體超差,又可能導致旋翼系統不平衡,產生橫向振動。如果旋翼轉速越大振動越大,說明槳葉重量不平衡；如果振動隨著轉速減小而增大,說明槳葉弦向平衡超標,引起了槳葉后掠過大。為此應通過槳葉靜平衡測量和稱重,找出差異,調整一致。

因此,有必要對單片槳葉、對稱槳葉、全槳葉的振動頻率進行檢測,才能結合直升機相關結構和工作原理進一步排除故障。如直升機飛行中垂直（Z）方向1ω頻率振幅超標,應進一步采用頻閃儀等檢查旋翼槳葉的同錐度。

4.5 其他類型振動超標

該部分振動主要由機外吊艙、外掛等設備系統因安裝不當引起,與直升機飛行速度密切相關,頻率也不固定,隨飛行速度變化而變化。通常采用增加減振裝置或調整相應部位的避振安裝支座等方法處理。

有些直升機在隨機技術資料中也會給出該型直升機出現振動故障后的排除方法,但其總體的思路同樣是建立在對直升機進行振動測量后,根據超標的結果對應給出振動可能的原因、檢查和處理方法。

5 總結建議

由于振動的危害,隨著科技發展,歐美先進的直升機已經開始配裝振動監測系統,通過持續采集整機不同部位振動的頻譜,發現直升機基本系統狀態的變化,及時采取必要的維修處理,提升直升機的可靠性和使用壽命。

鑒于目前國內大部分直升機都沒有配裝振動監測系統,作為使用、修理單位,有必要對直升機開展相關的振動檢測工作,收集、分析直升機的振動性能,及時發現問題和隱患。

為了進一步提高檢測數據的質量,還可將振動測試采集系統的數據與飛行參數記錄系統的數據融合,得出振動出現位置、頻率、幅度,發生的階段,飛行狀態、速度、重量等。通過測量直升機在合格時（通常由機組人員感覺判斷）的各項振動指標,經過多架機合格數據的統計,得出該型機振動的基本數據,并以此合理設定閥值,再將檢測數據與閥值相比較,一方面可準確判斷直升機的振動性能,另一方面可以發現一些潛在的故障,降低維護成本,節省排故時間,提高維護質量、效益和使用安全。

［1］ 倪先平. 直升機手冊[M].北京：航空工業出版社,2003.

［2］ 柳文林,穆志韜,段成美.直升機振動與減振特性分析[J].海軍航空工程學院學報,2004(9).