電動(dòng)變距拉桿旋翼平衡在線調(diào)整試驗(yàn)研究

汪文濤，易 暉，黃國(guó)科，樂 娟，程起有

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

直升機(jī)區(qū)別于固定翼飛機(jī)的最主要特征是其具有旋翼，旋翼作為直升機(jī)的升力面、操縱面，其平衡狀態(tài)直接關(guān)系到直升機(jī)振動(dòng)水平。旋翼平衡狀態(tài)分為質(zhì)量平衡和旋翼氣動(dòng)平衡，質(zhì)量不平衡是由于在制造過程中，各個(gè)槳葉的離心力不能互相抵消，引起縱向和橫向的激振力；旋翼氣動(dòng)不平衡是由于各片槳葉的安裝角或扭轉(zhuǎn)變形的不相等引起各片槳葉的升力不相等，從而引起各片槳葉的槳尖軌跡不在統(tǒng)一高度，使得直升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在氣動(dòng)不平衡，進(jìn)而造成機(jī)體振動(dòng)水平上升[1-2]，影響直升機(jī)的舒適性和使用經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)重時(shí)甚至影響飛行安全性。因此需要對(duì)旋翼平衡狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

目前，旋翼平衡狀態(tài)測(cè)量與調(diào)整是直升機(jī)使用維護(hù)過程中重要且關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。直升機(jī)旋翼質(zhì)量平衡通常是通過分析測(cè)量的機(jī)體振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行槳葉配重調(diào)整以降低質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)；旋翼氣動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了手工標(biāo)桿法、頻閃儀觀測(cè)法、照相機(jī)測(cè)量法、光學(xué)錐體測(cè)量法等幾個(gè)階段的發(fā)展，從發(fā)展趨勢(shì)可以看出，直升機(jī)旋翼錐體測(cè)量技術(shù)逐步由機(jī)械式向電子自動(dòng)化、光學(xué)非接觸式的技術(shù)方向發(fā)展。但是直升機(jī)旋翼氣動(dòng)平衡調(diào)整方法卻很單一，即根據(jù)測(cè)量結(jié)果通過手動(dòng)調(diào)整拉桿的長(zhǎng)度。但是上述2 種旋翼平衡調(diào)整方式都不能在旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行調(diào)整，影響調(diào)整效率，降低了直升機(jī)使用維護(hù)性[2-4]。

針對(duì)上述問題，研制了一種可在旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)過程中根據(jù)控制指令調(diào)整拉桿長(zhǎng)度的電動(dòng)變距拉桿。在此基礎(chǔ)上，在旋翼模型試驗(yàn)臺(tái)上安裝了電動(dòng)變距拉桿，進(jìn)行了旋翼平衡在線調(diào)整效果驗(yàn)證試驗(yàn)，在懸停和前飛狀態(tài)下，進(jìn)行了電動(dòng)變距拉桿固定和作動(dòng)狀態(tài)下的臺(tái)體一階振動(dòng)水平對(duì)比，結(jié)果表明電動(dòng)變距拉桿作動(dòng)狀態(tài)下較電動(dòng)變距拉桿固定狀態(tài)下，旋翼模型試驗(yàn)臺(tái)3個(gè)方向的一階振動(dòng)下降40%左右，振動(dòng)水平能夠維持在0.2 ⅠPS 以內(nèi)，驗(yàn)證了電動(dòng)變距拉桿可在線實(shí)現(xiàn)旋翼平衡調(diào)整。

1 電動(dòng)變距拉桿

1.1 基本構(gòu)造

電動(dòng)變距拉桿主要由直流無刷電機(jī)、力矩限制器、絲桿組件、絲母、輸出軸、角度編碼器、導(dǎo)向管、桿端軸承等組成。電動(dòng)變距拉桿以直流無刷電機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng)直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)輸出軸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，分別通過電機(jī)尾部及輸出軸處的角度編碼器實(shí)現(xiàn)輸出軸位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制。電動(dòng)變距拉桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)變距拉桿的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

電動(dòng)變距拉桿主要用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通拉桿，用于自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)和槳轂支臂之間的連接，是直升機(jī)操縱變距系統(tǒng)中的重要一環(huán)，與傳統(tǒng)的普通拉桿相比，電動(dòng)變距拉桿可實(shí)現(xiàn)旋翼在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中拉桿長(zhǎng)度的在線調(diào)節(jié)。電動(dòng)變距拉桿和普通拉桿對(duì)比如表1 所示。

表1 電動(dòng)變距拉桿和普通拉桿對(duì)比

1.3 電動(dòng)變距拉桿控制器

由于電動(dòng)變距拉桿控制器主要作用一方面是為電動(dòng)變距拉桿供電、傳輸控制指令，另一方面接收電動(dòng)變距拉桿的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。試驗(yàn)中，電動(dòng)變距拉桿控制器通過設(shè)計(jì)的工裝安裝在旋翼槳轂上方，控制器的供電和地面通訊信號(hào)通過集流環(huán)傳輸。電動(dòng)變距拉桿的控制系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 電動(dòng)變距拉桿的控制系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本試驗(yàn)主要研究目的是驗(yàn)證不同飛行狀態(tài)下電動(dòng)變距拉桿對(duì)旋翼平衡的在線調(diào)整效果。在模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)換裝電動(dòng)變距拉桿代替原有普通拉桿，在風(fēng)洞中進(jìn)行懸停、前飛狀態(tài)試驗(yàn)，利用振動(dòng)傳感器測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)值，獲得電動(dòng)拉桿變化前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與狀態(tài)

本試驗(yàn)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等搭建而成，其中試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)是由三軸振動(dòng)傳感器測(cè)得，傳感器布置方在旋翼試驗(yàn)臺(tái)主軸上，試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速由光電傳感器反饋獲得。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成圖

試驗(yàn)中旋翼系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 旋翼系統(tǒng)主要參數(shù)

為了獲得不同飛行狀態(tài)下電動(dòng)變距拉桿的氣動(dòng)不平衡調(diào)整效果，在旋翼轉(zhuǎn)速880 r/min 轉(zhuǎn)速下每個(gè)飛行狀態(tài)進(jìn)行了電動(dòng)變距拉桿固定狀態(tài)和電動(dòng)變距拉桿作動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)獲取試驗(yàn)。試驗(yàn)狀態(tài)如表3 所示。

表3 電動(dòng)變距拉桿和普通拉桿對(duì)比

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

時(shí)域圖為旋翼旋轉(zhuǎn)1 圈的振動(dòng)信號(hào)通過滑動(dòng)平均處理得到的，而旋翼旋轉(zhuǎn)1 圈的振動(dòng)信號(hào)則是由旋翼旋轉(zhuǎn)80 圈的振動(dòng)數(shù)據(jù)平均處理后得到的。頻域圖為狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，10 s 的時(shí)域信號(hào)通過傅里葉變換得到的幅頻圖。

2.3.2 懸停狀態(tài)1 下電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果分析

圖4 和圖5 分別為懸停狀態(tài)1 下試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域圖。其中，從時(shí)域圖可以看出拉桿調(diào)整前后，時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)比不是很明顯，在某些方位略有降低，某些方位略有升高，這可能是由于拉桿調(diào)整前后，氣動(dòng)不平衡的相位發(fā)生改變。從頻域圖可以看出，在拉桿調(diào)整前后，試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的一階振動(dòng)信號(hào)降低較為明顯，航向一階振動(dòng)降低了49%左右，垂向一階振動(dòng)降低了56%左右，側(cè)向一階振動(dòng)降低了48%左右。

圖4 懸停狀態(tài)1 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)時(shí)域圖

圖5 懸停狀態(tài)1 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻域圖

2.3.3 懸停狀態(tài)2 下電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果，在懸停狀態(tài)1 的基礎(chǔ)上，通過改變槳轂配重，來改變?cè)囼?yàn)臺(tái)初始振動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證不同振動(dòng)初始狀態(tài)下的調(diào)整效果。圖6 和圖7 分別為懸停狀態(tài)2 下試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域和頻域圖。從時(shí)域圖可以看出，懸停狀態(tài)2時(shí)試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)與懸停狀態(tài)1 的時(shí)域信號(hào)不同。此外，從頻域圖也可以看出，懸停狀態(tài)2下試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的一階振動(dòng)幅值不同，其中側(cè)向振動(dòng)幅值相差0.05 ⅠPS 左右。在拉桿調(diào)整前后，試驗(yàn)臺(tái)3個(gè)方向的一階振動(dòng)信號(hào)降低較為明顯，航向一階振動(dòng)降低了43%左右，垂向一階振動(dòng)降低了53%左右，側(cè)向一階振動(dòng)降低了41%左右。

圖6 懸停狀態(tài)2 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)時(shí)域圖

圖7 懸停狀態(tài)1 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻域圖

2.3.4 前飛狀態(tài)下電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果分析

圖8～圖11 分別為2 種前飛狀態(tài)下的試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域圖和頻域圖。從圖中可以看出，前飛狀態(tài)下試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的五階振動(dòng)幅值比懸停狀態(tài)大很多，但是并不影響驗(yàn)證電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果，由于各片槳葉的安裝角或扭轉(zhuǎn)變形的不相等，引起的振動(dòng)成分主要是一階振動(dòng)值。

圖8 前飛狀態(tài)1 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)時(shí)域圖

圖11 前飛狀態(tài)2 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻域圖

從2 種前飛狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，電動(dòng)變距拉桿調(diào)整效果較好，前飛狀態(tài)2 下的調(diào)整效果較前飛狀態(tài)1下的3 個(gè)方向振動(dòng)調(diào)整效果好。原因可能是前飛狀態(tài)1 總距較小，各片槳葉差異不大。前飛狀態(tài)2 下在拉桿調(diào)整前后，試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向的一階振動(dòng)信號(hào)降低較為明顯，航向一階振動(dòng)降低了38%左右，垂向一階振動(dòng)降低了66%左右，側(cè)向一階振動(dòng)降低了51%左右。

圖9 前飛狀態(tài)1 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)頻域圖

圖10 前飛狀態(tài)2 試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)時(shí)域圖

3 結(jié)論

通過模型旋翼試驗(yàn)驗(yàn)證了電動(dòng)變距拉桿氣動(dòng)不平衡在線調(diào)整效果，主要結(jié)論如下。

通過在線調(diào)整電動(dòng)變距拉桿，在4 種試驗(yàn)狀態(tài)均實(shí)現(xiàn)了旋翼試驗(yàn)臺(tái)3 個(gè)方向一階振動(dòng)幅值的降低，航向一階振動(dòng)最大降低了49%左右，垂向一階振動(dòng)最大降低了66%左右，側(cè)向一階振動(dòng)最大降低了51%左右，表明電動(dòng)變距拉桿一階振動(dòng)在線調(diào)整效果較好，驗(yàn)證了電動(dòng)變距拉桿能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼平衡的在線調(diào)整。