某型直升機座艙低頻振動現象分析及改善

沈安瀾，侯寶紅，江 安

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.解放軍66350部隊，河北 保定 071000)

0 引言

某型直升機在外場飛行過程中，飛行員反映在特定飛行狀態下，座艙出現低頻振動現象，影響飛行任務的執行。現象描述為：在特定飛行狀態下，機身出現異常的低頻振動,飛行員反映有類似騎馬的直觀感受。

直升機由于其獨特的構型和飛行方式，振動問題一直是困擾其發展的重要問題。直升機旋轉部件多，所處的氣動環境惡劣，造成直升機振動復雜，頻率成分多而且頻率跨度大。這在一定上給直升機振動問題的分析和解決帶來了困難。國外某些直升機型號[1,2]如NH90、EH101、AH-64D以及“科曼奇”，在試飛初期也都曾出現過類似“Tail shake/Buffet”低頻振動問題；國內有關型號[3,4]加裝測試設備后在試飛過程中也多次出現過低頻振動問題。

本文通過飛行振動數據分析，利用頻譜結合濾波分析的方法，確定了該座艙低頻振動現象的主要原因為旋翼二階通過頻率(2kΩ)和尾槳一階通過頻率(kΩt)在座艙處合成，形成拍頻現象。分析了拍頻的形成機理，給出了拍頻振動典型頻譜圖，提出了相應的改善建議，經外場試飛驗證，可在一定程度上改善座艙低頻(拍頻)振動。

1 原因分析

直升機的振源[3,5,6]一般為旋翼、尾槳、發動機及傳動系統等旋轉部件引起的周期激勵和氣動環境中的隨機激勵。相應地，座艙內的主要激勵頻率為旋翼的轉速頻率1Ω和一階通過頻率kΩ，尾槳的轉速頻率1Ωt和一階通過頻率kΩt以及傳動軸的轉速頻率等。

直升機低頻振動與上述頻率激勵下的振動現象有顯著區別。直升機低頻振動大多表現為抖動、晃動、篩動等現象[3]，依據低頻振動的頻率不同，飛行員會有類似騎馬或坐船等直觀感受，方向多為垂向或側向。

1.1 振動數據分析

直升機屬于多振源系統，包含旋翼、尾槳、傳動系統、發動機等多個振源，各個振源之間的激勵頻率各不相同，因此主要利用頻譜分析進行常規直升機振動分析。

針對直升機低頻振動飛行狀態進行70Hz以內的頻譜分析。如圖1所示，該機座艙測點在10Hz以內僅有一個1Hz左右的頻率成分較為明顯。但根據飛行員反映的振動感覺和振動傳感器頻率測試范圍，同時對比其余正常狀態下的頻譜圖(圖2所示)進行綜合分析判斷，1Hz以內的頻率應是系統測試誤差帶來的。

根據圖1所示，除1Hz外，座艙其余頻率下的振動水平均處于正常范圍內，因此飛行員不會感覺較大的低頻振動。對比圖1和圖2，進一步分析發現，座艙出現低頻振動時，座艙垂向通道旋翼二階通過頻率(2kΩ)振幅約為0.06g，尾槳一階通過頻率(kΩt)振幅約為0.06g，旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率相近。根據拍頻的形成機理，飛行員反映的座艙低頻振動預測為旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成拍頻導致的。

圖1 低頻振動狀態下的頻譜圖

圖2 其余正常狀態下的頻譜圖

1.2 拍頻現象及機理

拍頻振動現象常出現在回轉機械振動中，一方面可能是由于轉子中殘存的介質和轉子本身的失衡現象共同引起；另一方面可能是系統中一個或多個穩態振源的頻率振幅近似于另一個振源頻率振幅而引起的一種特殊的振動現象[7-9]。

為分析拍頻現象機理[3,7-9]，假設存在兩個簡諧振動：

u1=A1sin(ω1t+φ1)

(1)

u2=A2sin(ω2t+φ2)

(2)

通過三角函數合成后，其合成振動可以寫成：

u(t)=u1(t)+u2(t)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，A1,A2,ω1,ω2分別為兩個簡諧振動的振幅和頻率，當這兩個簡諧振動的頻率和振幅相等或相近時，根據式(5)所示，u2(t)等于或約等于0，此時合成振動u(t)即為“拍”，是一種頻率為(ω1+ω2)/2的變幅振動，其振幅按余弦函數以頻率(ω1-ω2)/2變化，是一種典型的幅值調制過程，實際呈現出的是幅值調制函數的特性，如圖3所示。人體實際感受到的應為該合成振動的外包絡，振動周期應為合成振動周期的一半，因此人體感受到的頻率其實應該為(ω1-ω2)。

圖3 典型拍頻現象

因為ω1與ω2非常接近時，合成后形成的(ω1-ω2)/2頻率很低，周期會較長，當此時幅值A1與A2相當或相等。由式(4)可知，合成后的u(t)，其振動幅值會在(A1+A2)到0之間以圓頻率做周期波動，此時人體感受到明顯的振動起伏。當A1與A2相差較大，其合成后的振動幅值以兩個簡諧振動中的振幅較大的簡諧振動振幅為主，即當A1遠大于A2時，其合成后的振動振幅約為A1，此時人體感受不到明顯的振動起伏。

1.3 座艙低頻振動原因分析

拍頻現象是一種特殊的振動現象，在各類旋轉機械振動中均出現過，例如各類壓縮機[7]、客車[9]以及直升機[3]等包含旋轉機械的系統，但針對拍頻的分析和故障源識別方法又有所差別：趙晴等[7]主要采用觀察有關測點頻譜圖的特點，逐一排除其他原因，確定低頻項為壓縮機的拍頻的方法；郭彬等[9]主要利用頻譜分析法和分別運轉法來確定振動源和振動頻率；王文濤等[3]則主要基于希爾伯特變換進行直升機拍頻振動分析；劉建禮等[4]則利用帶通濾波的方法進行直升機低頻振動分析。

為了進一步確認該直升機低頻振動的原因，同時更為直觀地判斷旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率是否合成形成拍頻，在1.1節振動數據分析的基礎上，利用帶通濾波[4]方法，得到旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成后的時域曲線圖，如圖4所示。通過對比圖1、圖3和圖4，進一步確定了該架機在飛行員反映低頻振動的飛行狀態下存在拍頻現象。綜合1.1節的分析結果，確定了該架機座艙低頻振動的原因為：座艙內兩個相近頻率旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在特定飛行狀態下振幅相等，導致這兩個頻率合成出現拍頻現象，同時飛行員感受到明顯的低頻振動。

圖4 低頻振動狀態下帶通濾波時域圖

2 改善建議及飛行驗證

通過飛行振動數據分析結果，確定了該架機出現座艙低頻振動的原因，針對座艙低頻振動的原因和拍頻形成機理，給出如下的改善建議和措施：

1) 增大旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的頻率差：更改旋翼2kΩ或更改尾槳kΩt頻率；

2) 增大座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅差，改變駕駛艙內兩頻率的振幅：調整旋翼錐體和動平衡，同時調整尾槳動平衡，必要時可以嘗試更換尾槳葉；

3) 由于座艙拍頻現象與座艙的旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅相關，而旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅與飛行狀態相關，因此當座艙出現低頻振動(拍頻)，可以嘗試改出當前飛行狀態進行改善。

更改直升機旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率，涉及到旋翼系統、發動機和尾槳等一系列系統參數的更改，涉及的系統較多而且有可能會影響全機主要性能指標，所以目前不具備更改條件。因此只能考慮對座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的振幅進行改善從而改善座艙低頻(拍頻)振動。

通過試飛驗證，飛行員反饋結果表明第2條和第3條措施均有效，具體為：①當座艙出現低頻振動(拍頻)時，飛行員改出當前飛行狀態，低頻(拍頻)振動現象消失；②對旋翼錐體和動平衡以及尾槳動平衡進行調整后，在特定飛行狀態下低頻(拍頻)振動現象仍存在，但振動感受(振幅)有所改善。

3 結論

為了改善某型直升機座艙低頻振動現象，通過飛行振動數據分析，確定了該問題原因，并通過分析該現象的形成機理，給出了相應的改善建議，并經過了實際飛行驗證，得出如下結論：

1)該架機座艙低頻振動現象是一種典型的拍頻現象，是由于在特定飛行狀態下座艙內旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率兩個相近頻率振幅相同或相近引起的；

2)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在座艙內的振幅一般都較小，在進行飛行振動分析時容易被忽略，因此在后續振動分析時需要對旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率引起的拍頻現象予以關注；

3)拍頻現象是一種特殊的振動現象，由于直升機振源多，頻率成分多，其振動問題較為復雜，因此在進行振動分析時，需要仔細區分拍頻振動現象與其他低頻振動現象；

4)本文分析了拍頻的形成機理，提出了相應的改善建議和措施，經實際飛行驗證，能夠在一定程度上改善座艙振動，為后續外場直升機低頻振動分析和解決提供了思路。