抖動問題辨識及機理分析

李家旭

（陜西飛機工業（集團）有限公司，陜西 漢中 723213）

某飛機在高度4000m，速度330～340km/h時，出現異常抖動，駕駛艙抖動明顯。當飛機加速至380km/h以上平飛，抖動減弱，異常抖動不明顯。

1 問題定位

1.1 建立故障樹

根據故障現象，對可能引起飛機異常抖動的原因從動力裝置誘發抖動、氣動外形異常引發氣流分離和活動舵面非指令偏轉三方面進行分析，建立故障樹，見圖1。

圖1 建立故障樹

1.2 故障排查

根據故障樹制定排查方案，分步進行排查，分別對故障樹底事件進行逐一排查。

1.2.1 動力裝置振動值偏大問題排查

（1）通過飛行檢查和飛參記錄數據分析表明，發動機的振動值未超過發動機允許范圍，發動機和螺旋槳未發生故障。可排除動力裝置故障引起的飛機異常抖動。

（2）復查發動機漿帽，漿盤動平衡，完成了動力裝置水平測量，均無問題。檢查了發動機主減振器，發現1號發動機主減振器下沉量比其他發動機下沉量略大，發動機對調后試飛驗證，抖動未改善，排除了動力裝置安裝問題。

1.2.2 氣動外形異常引起氣流分離造成抖動的排查

（1）對機身、機翼、尾翼等的外觀、操縱系統和收放機構的摩擦力及運動平穩性、機上設備的連接緊固性等進行了檢查，未發現異常。從氣動外形檢查未發現外形異常引發的氣流分離。

（2）飛行振動測試數據未能發現與機體異常抖動相關的振動源。從而排除外形異常引起氣流分離造成的機體異常抖動。

1.2.3 活動舵面非指令偏擺造成機身抖動的排查

（1）方向舵、升降舵、副翼間隙排查。對舵面外形、對合情況、間隙以及調整片間隙進行了檢查，均滿足要求，可以排除由于上述舵面間隙引起的機身遺產抖動。

（2）襟翼游動間隙排查。檢查發現，右側襟翼后緣的有的間隙擺動量大于相關技術條件的要求。經分析和檢查，發現右側1號滑輪架處的襟翼安裝位置下移了約3mm，改變了右側襟翼游動間隙，同時產生了較大的裝配應力，后續檢飛，襟翼受載，游動間隙變化，從而偏大超標。

對檢出的問題，通過拆下右側襟翼，對1號、2號、3號滑輪架進行了檢查和間隙調整。減小右側襟翼后緣的游動間隙擺動量。經飛行驗證，機身異常抖動現象有所改善。后，更換右側襟翼2號滑輪架，并在原位置基礎上下移1.2mm安裝，減小并均衡了襟翼裝配應力和游動間隙，經飛行驗證，機上人員未感受到機身異常抖動。

2 問題定位

按照故障樹逐一排查、排故及飛行驗證表明：異常抖動時襟翼在產生較大的裝配應力和游動間隙不均衡導致的。

3 機理分析

襟翼通過多個滑軌和滑輪與機翼連接，滑軌和滑輪典型連接形式見圖1。右側襟翼在1號滑輪架位置下移3mm安裝，由于襟翼滑軌位置沒有變化，導致襟翼強迫裝配，襟翼滑輪架上每組上下滑輪與襟翼滑軌工作面間隙不均勻，1號2號襟翼滑輪架與襟翼滑軌下側工作面、3號襟翼滑輪架與襟翼滑軌上側工作面間隙變為0，襟翼在2號襟翼滑輪架位置區域存在沿襟翼展向的一定程度的微小變形，參見圖2.

圖2

由于襟翼存在以上問題，襟翼處于不穩定狀態，在飛機飛行過程中，襟翼受一定載荷時，由于襟翼滑輪架與襟翼滑軌工作面間隙的不均勻以及襟翼存在一定的微小變形，導致各個襟翼滑輪架與襟翼滑軌工作面間的間隙不斷變化，同時，襟翼沿展向不連續變形。

間隙引發復剛度動力學特性，間隙變化導致襟翼運動頻率在一定范圍內波動。當襟翼變化頻率波動至動力裝置的激振頻率時，會導致振動急劇放大；同時，間隙的不規則變化和襟翼沿展向不連續變形易引發襟翼非指令偏擺，致使機翼的流場和氣流分離規律變化。

當襟翼受到的氣動載荷較小時，襟翼在游隙內微幅振動，隨著氣動載荷的增加，間隙不斷變化，引發襟翼振動頻率逐漸逼近激振頻率，當襟翼振動頻率接近激振頻率時振動響應增大，舵面變形的非指令偏轉引發的非定常擾動也增大，進一步加劇了襟翼振動，引發機體抖動。當襟翼受到的氣動載荷達到一定程度時，襟翼振動頻率越過激振頻率，響應迅速衰減，同時，氣動載荷迫使各個襟翼滑輪架與襟翼滑軌工作面間隙處于一定水平，襟翼變形也平衡和涵蓋了襟翼強迫裝配造成的微小變形，襟翼處于穩定狀態，不會發生非指令偏擺。氣動載荷與速度相關，故當飛行到達一定速度時，飛機出現異常抖動，當飛機超過一定速度范圍后，異常抖動消失。

4 問題復現

為了驗證含間隙模型的動力學特征，通過基于接觸力方法并考慮材料阻尼效應的L-N模型，建立了簡化的間隙旋轉鉸機構模型，進行了含不同大小間隙的機構動力學響應仿真，計算結果（見圖3）表明，含間隙機構的加速度較理想機構出現了加速度波動毛刺，間隙的存在使鉸關節間碰撞沖擊加大，間隙越大，碰撞加速度波動量越大。

圖3 含不同間隙的旋轉鉸機構響應仿真

通過地面模態試驗，以漸進力法對過裝配的襟翼運動模態進行了測試。采取漸進力法主要是為了克服襟翼面非線性因素，尤其是間隙非線性和摩擦非線性的影響。具體為，采用漸進加力的方式分別測試F=20N、30N、40N、…Fmax狀態下的模態，得到不同激振力下的測試頻率，繪出力-頻曲線。試驗結果(見圖4)表明，襟翼運動模態隨激振力的增加，呈現先降后升再平穩的形態，且動力裝置頻率正處于過裝配的襟翼運動頻率變化范圍內。

圖4 含間隙的襟翼力-頻實測曲線

基于仿真和試驗，可知，間隙是引發抖動（非線性振動）的主因，合理調配間隙及降低間隙是解決問題的關鍵。

機體異常抖動問題定位右襟翼后，通過拆下襟翼，對襟翼1號2號3號襟翼滑輪架進行了檢查和間隙調整，經試飛驗證，通過機上人員感受，發現異常抖動現象有所改善。

通過更換右側襟翼2號滑輪架，并在原位置基礎上下移1.5mm安裝，調整并均衡了裝配應力和游動間隙后再次試飛驗證，機上人員未再感受到機體異常抖動。

5 舉一反三

本次異常振動，是由于襟翼帶應力安裝和間隙控制不當引起的，過程中暴露的問題值得警醒：

（1）是否采用下壓襟翼安裝位置的方式來排除襟翼安裝故障。

（2）在安裝、調整襟翼間隙過程中，是否大幅單點調整。

（3）襟翼擺動量相關測量要求是否全面貫徹。

（4）對改裝及排故過程涉及到活動部位的間隙變化，受力變化等可能影響力學特性、氣動特性時，即使最終狀態滿足設計公差要求，也許綜合評估其影響，加強過程控制。

6 結語

提出了抖振問題排查思路，識別出間隙導致了非指令偏轉和非線性振動耦合，從而引發抖振的技術路徑。分析了間隙抖振機理，給出了調整并均衡裝配應力和游動間隙的解決措施，具有較高的工程指導意義。