無人機旋翼動平衡調整技術研究

旋翼動平衡調整，就是通過在相應槳葉上加載合適配重，改善當前不平衡度。動平衡調整的關鍵：一是準確測量當前動平衡狀態，包括不平衡度的數值和相位；二是了解配重塊對旋翼動平衡的影響系數和影響方向。對于第一項要求，目前的動平衡測量設備都能實現。第二項要求則需要該型號旋翼專用的動平衡圖或調整軟件的幫助。輸入當前動平衡狀態，通過繪圖投影關系或設備軟件給出的調整建議，直接得到各槳葉處的配重增減的情況。例如在S-70C直升機的動平衡檢查過程中，就是采用了1720監測儀和專用的旋翼平衡表。實際上，大部分動平衡調整現場都缺少專用的動平衡圖或調整軟件。無人機的槳葉構型有很多，常見的機型有2～4片槳葉，而大部分的無人機通常為兩片槳葉，其加載點一般布置在每片槳葉的兩個安裝螺栓上，加載點非均勻分布，造成其動平衡調整難度加大，增加整個調試時間。動平衡測量通常在額定轉速下進行，每一次開車都會影響到其他系統（例如發動機、傳動系統等）的壽命。因此，有必要探討缺乏相關工具軟件條件下的旋翼動平衡調整技術，盡量避免調整過程中的盲目性，減少調整次數，縮短整個調試時間，節約系統壽命。

旋翼動平衡調整的前提條件

根據回轉體的長度和直徑的比例關系，可以認為旋翼的動平衡調整屬于單面校正的范疇。調試現場條件有限，通過試配重手動計算各支臂的影響系數矩陣不太可能實現。通過對各套試驗槳葉觀察，可以認為每片槳葉配重塊的各加載點分布半徑是相同，處于同一個平面內，其夾角與槳葉的布置一致。根據動平衡影響系數原則得出以下3點前提條件：

（1）同一支臂加載所改變的動平衡變化矢量在幅值上與質量成正比，相位不變；

（2）各支臂加載相同質量，改變的動平衡矢量的幅值是相同；

（3）各支臂配重所引起的矢量變化的相位夾角與槳葉布置夾角一致。

旋翼動平衡調整的一般步驟

操作人員一般通過極坐標系（ρ，θ）來描述整個動平衡調整過程。ρ指的是動平衡測量值的大小（IPS）， θ指的是動平衡測量值的相位。一般按ρ@θ記錄數據，例如0.12@6：30，在極坐標中一個數據就是一個點位。接調整前、調整后的位置點，可以得到該支臂配重調整后動平衡的變化矢量。

現場需要筆、紙和三角板，為了便于現場繪制，可以事先準備調整參考圖，參考圖上繪制了不同半徑的同心圓和時鐘時刻，圓心代表0 IPS，半徑等比例遞增，代表相應的動平衡值大小。根據相關技術文件，槳葉的最終動平衡值要求小于0.2IPS。因此，如果動平衡調整合格，對應的動平衡點應該落在代表0.2IPS的圓形區域內。以下是旋翼動平衡調整和繪制初步動平衡圖的一般步驟：

（1） 測量當前動平衡的幅值和相位；

（2）試配重，在任意一處支臂上加載一個單位的配重塊，測量動平衡值；

（3） 繪出該支臂的動平衡影響矢量，與該矢量相同的方向作為該支臂的動平衡加載坐標軸；

（4） 以該支臂的加載坐標軸為基準，根據槳葉旋轉方向，按照當前槳葉布局，繞圓心旋轉相應角度，依次得到各支臂加載坐標軸。由于槳葉旋轉方向不同，各支臂經過同一位置的先后順序也是不相同的。槳葉順時針旋轉，各支臂動平衡坐標軸的布局方向應與當前配置支臂布局一致；槳葉逆時針旋轉，各支臂動平衡坐標軸的布局方向與各支臂布局相反。該多坐標圖即為初步的動平衡圖；

（5） 將動平衡矢量在坐標系內投影，找到合適的兩處加載支臂。具體配重質量，根據試配重塊的質量和動平衡幅值的比例關系確定；

（6）運用已有的數據對該圖的角度和刻度進行進一步修正。

常規4片槳葉構型的動平衡調整過程

以4片槳葉構型無人機的某次動平衡調整為例，對動平衡調整過程進行分析。

槳葉分布如圖1所示，分布夾角90°，槳葉仰視順時針旋轉，各片槳葉加載點與槳葉分布一致，用紅、黃、黑、藍來區分，黃色槳葉貼反光片，用來觸發轉速傳感器。

首次開車檢查結果為0.35IPS@9：57（A點），明顯不符合動平衡要求。操作員選擇了在黑色槳葉增加25g配重，開車后檢查結果為0.26IPS@8：59（B點）。以方向為黑色槳葉的動平衡加載坐標軸。長度約為17.6mm（圖2中最小同心圓半徑為10mm，10mm長度定義為0.1IPS），對應質量塊為25g。槳葉順時針旋轉，支臂配重坐標軸的布局形式與槳葉一致。將B點沿黃色槳葉坐標軸投影，可以看出通過加載合適配重，動平衡點將會落在C’點，此時長度約為25mm，參考首次配重的比例關系，預估在黃色槳葉上需要加載。由于現有的配重塊只有25g，因此在黃色槳葉上加25g后，實際動平衡落在了0.12IPS@9：57（C點）。符合小于0.2IPS的要求，調整完成。詳細調整步驟繪圖如圖2所示。

實際應用過程中，槳葉的顏色（或者序號）標注的旋轉方向可能是順時針也可能是逆時針，這里有個小技巧，通過仰視或俯視槳葉，均按順時針方向繪制槳葉排序，和動平衡調整圖的順時針方向一致，這樣在配重加載過程不容易加反或者搞混。

加載點非均勻分布的動平衡調整技巧

以兩片槳葉無人機為例，其加載點一般布置在每片槳葉的兩個安裝螺栓上，如3所示。由于4個加載點非均勻分布，且同一片槳葉上2個加載點位夾角很小，造成其動平衡調整難度加大，甚至有時候會出現一兩天多次調整還調不好的情況。

由于槳葉上4個加載點分布不均勻，其中單片槳葉2個加載點夾角較小，夾角小于8°，在單個位置加載配重后，實際測量值偏差較大，不方便繪圖計算。出于簡化計算的考量，可以成對加載配重，人為的形成直角分布的加載坐標軸系，虛擬成4片槳葉常規構型，方便調整計算。如圖3所示，在1#和2#同時加上相同的配重，相當于在1#和2#中間的X-方向加載配重，同理，在1#和3#同時加上相同的配重，相當于在1#和3#中間的Y+方向加載配重。這種方式也同樣適用于剪刀型槳葉（例如帶夾角的尾槳）或其他類型非均勻分布加載點的旋翼動平衡調整。

在實際工況中，3片槳葉，5片槳葉等單數槳葉構型中，也可以應用成對加載配重的方式，擬合坐標軸系，調整計算。根據實際工程經驗來看，這么做確實能夠簡化計算，比起單片加載配重來說能夠提高調整效率。

動平衡調整的實際應用

在實際工作中，同一副旋翼往往要經歷多階段的試驗。每次振動傳感器、轉速傳感器、反光片的安裝位置存在各不相同的情況。此時由于動平衡的參考零時刻改變了，不能直接套用該旋翼的動平衡圖進行調整。在實際操作中，可以先在任意一處支臂上增加一個質量很小的配重，在極坐標圖中繪出該配重塊引起的不平衡度矢量，繞圓心旋轉動平衡圖的各坐標軸，使該支臂坐標軸與該配重引起的不平衡度矢量的方向相反，完成對初始零位的重新標定，之后可以按變換后的動平衡圖進行調整了，如圖4所示。

例如，現場重新安裝了槳葉，重新調整動平衡。第一次動平衡測量值為0.2IPS@2：50，在圖2的原動平衡圖的坐標系中，繪出A點，選擇在黑色槳葉加配重塊25g，得到B點（0.25IPS@2：10），直線AB方向就是加載配重的槳葉方向。旋轉坐標軸，使坐標軸黑色槳葉方向與矢量平行。按照旋轉后的動平衡圖提示，卸載第一次黑色槳葉加的25g配重，改為黃色槳葉加配重25g，動平衡測量為0.09IPS@1：38，繪出C點，滿足動平衡調整小于0.2 IPS的要求。從新坐標軸的動平衡圖上可以看出，動平衡A點到C點移動的趨勢與坐標軸黃色槳葉的方向基本符合，質量-長度比例關系也很相符。整個調整過程配重兩次，實際情況如圖4所示。

在實際動平衡調整工作中，有時候會遇到初始測量的動平衡值較大的情況，出于安全考慮，加載的配重會比較謹慎。通過逐步增加配重，調整的次數也會相應增加。一般調整2～5次，可以滿足旋翼振動小于0.2IPS的要求。

結論

通過對以往旋翼動平衡的調整經驗總結，形成了旋翼動平衡調整的實施方法，并提供了動平衡圖的繪制和使用技巧。這種依據各支臂對不平衡矢量影響的大小和方向來決定加載配重位置的調整技術，可以避免以前盲目加載的被動性，不用考慮初始零點的相對位置，通過設備測量數據，在現場只需要筆、紙和三角板繪圖就能完成動平衡調整工作，具有良好的操作性。調整2～5次，動平衡就能達到要求。在現場工作中，極大的提高了動平衡調整的準確性和快速性，減少了無人機開車次數，節省系統壽命。這對于其他類型旋轉試驗臺的動平衡調整、以及有人無人直升機的動平衡調整都具有積極的借鑒意義。