直升機傳動軸系動平衡測量與調整技術研究

［關鍵詞］傳動軸；直升機；動平衡；振動

［中圖分類號］V275.1 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0033–03

現代直升機傳動系統是一個由各組件組成的傳遞能量的整體[1]，一般由動力裝置、各減速器及傳動軸和軸向聯軸節組成。為保證傳動系統的振動值在相關技術文件所規定的范圍，必須對直升機傳動系統進行機上動平衡及現場動平衡工作。其中，機上動平衡主要是在動平衡試驗機上進行，一般由傳動軸生產廠商實施；而直升機傳動系統在直升機出廠前，也必須進行傳動軸系的現場動平衡工作，以達到減少因軸系不平衡而引起的直升機振動的目的。

1軸系動平衡原理

由于設計和結構方面的因素，材質不均勻及制造安裝誤差等原因，所有實際轉子的中心慣性主軸都或多或少地偏離其旋轉軸線[2]。實際上軸系轉子一般由1 個或多個主軸、裝配在主軸上的各零部件及連接各主軸之間的附件組成，在直升機傳動系統中各傳動軸的連接方式及連接件有很多種類，如常見的有法蘭盤連接、花鍵連接、萬向連接、柔性連接等。若對軸系上的每個微小的橫截面進行分析會發現，每個橫截面上都有可能產生不平衡質量，實際上轉子的整體不平衡是由無數個沿橫截面分布的不平衡質量產生的，這些不平衡量的大小和位置基本上都不一致。可以用以下公式表示：

F（x）=m（x）ω²r（x） （ 1）

式中，F（x）為不平衡慣性力，m（x）為不平衡質量，ω為轉子旋轉角速度，r（x）為不平衡徑矢。

為了使軸系轉子達到完全的平衡狀態，必須把各橫截面上的不平衡慣性力平衡掉。這樣就必須找到各橫截面不平衡量的位置和大小，操作難度非常大，而且是無法實現的。前文講到動平衡的目的是減少軸系產生的振動，或者說減少軸系安裝結構處所引起的振動響應。根據振動響應，人為在旋轉軸系上的1 個或幾個有限的校正面上增加或減少配重，盡可能地使振動水平減小到規定的范圍內。但即使軸系完成了動平衡后，從任意橫截面進行分析，仍然存在不平衡現象。軸系動平衡原理就是在轉子上選取1個或多個校正面。在校正面上增加配重使配重的離心慣性力與不平衡慣性力相抵消，或者在校正面去掉相應的配重使得原有的不平衡力消除或減小。

2軸系動平衡方法與測量技術

2.1平衡方法

2.1.1單轉子動平衡法

單轉子動平衡法主要是把軸系中的多個轉子單獨出來，看成由一個個轉子組成的系統。逐個對轉子進行動平衡，一個轉子動平衡達到要求后，再對下一個轉子進行動平衡。實踐證明，這種方法非常可靠，但受設計等因素的影響，目前大部分動平衡試驗均需要對機械設備（或平衡機）進行停機后，才能進行加（或減）配重工作，且加（或減）配重工作未必一次就能達到想要的結果，這樣就導致需要反復進行開關機操作，影響試驗進度。

2.1.2多轉子動平衡法

多轉子動平衡法是把軸系中需要平衡的轉子都看成單轉子，轉子調整時將各處的動平衡配重都加上。當兩根不平衡轉子之間有平衡良好的轉子相隔，或兩根不平衡轉子之間距離較遠，轉子之間相互影響較小時，則可以采用多轉子平衡法進行軸系動平衡調整。多轉子動平衡法可以減少試車次數，平衡效果主要由操作者對方法的掌握及軸系不平衡的復雜程度決定。

2.2軸系平衡測量技術

2.2.1振動的測量

在直升機傳動軸系主要采用的測量方法是絕對軸承振動測量。絕對軸承振動測量是轉子支撐結構相對與靜止參考點的振動，在直升機上主要測量支撐結構與機身結構的相對振動。支撐結構（主要是軸承）存在3 個方向的振動，分別為軸向、水平、垂直。在實際的動平衡調整過程中，根據需求可測量某一或某幾向的振動水平，根據設計廠家給出的振動要求，確定振動值是否符合相應的標準，若不滿足要求，再進行動平衡調整。

2.2.2相位的測量

在軸系動平衡中廣泛使用的是脈沖法，使用脈沖法時，在測量的傳動軸上做好基準標記，在參考點附近的靜止結構上安裝振動傳感器和鍵相傳感器。這樣基準標記隨傳動軸轉動，每當基準標記點轉過鍵相傳感器時，鍵相傳感器就會輸出一個脈沖信號，如此周期性轉動，鍵相傳感器就會輸出一系列脈沖信號。這些脈沖信號通過解算可作為振動傳感器的參考相位，將脈沖信號與振動信號按一定的規律進行比較，計算兩個參考點的時間差，然后將時間差與脈沖的周期進行比較，轉變成以360°作分度的相位角，這樣就可以在頻譜分析儀上得到不平衡的振動相位。

3現場動平衡技術

傳動系統現場動平衡工作是直升機出廠前必須進行的工作之一。控制傳動軸系的振動水平，對直升機整機的性能提升十分有利。某型直升機傳動軸系振動傳感器的安裝位置如圖1 所示。

通過選取主減速器至中間減速器上的3個固定點（傳動軸支撐結構），在這3 個支撐點上安裝垂向振動傳感器，傳感器分別通過3 根電纜連接至振動頻譜分析儀上。通過頻譜分析儀可以直觀地顯示振動頻譜圖及在某一旋翼轉速下的振動數據。這里未采用相位傳感器進行振動相位測量，因為直升機傳動系統現場動平衡無法通過改變傳動軸的配重進行動平衡調整。

雖然無法通過改變傳動軸上的配重來調整軸系的動不平衡，但因為傳動軸之間的特殊連接關系，可以轉動傳動軸的角度來改變傳動軸相對軸向位置。這樣就從側面改變了軸系各項的不平衡力矩，通過多次轉動傳動軸角度最終達到調整傳動軸系不平衡的目的。某型直升機傳動軸法蘭盤連接如圖2所示。

從圖2可以看出， 該法蘭盤結構呈三角形對稱，即3 個法蘭盤頂角是相同的，頂點之間的角度為60°。這樣在現場動平衡調整過程中，操作者可以通過轉動傳動軸軸向120°來調整其安裝位置，此操作可重復兩次。當然假如某處或某幾處的傳動軸的尺寸、功能一致，如圖1中4號、5號、6號處傳動軸，可以通過調換傳動軸的前后位置來調整軸系振動水平，調整后若振動水平仍未能達到設計要求，操作者仍可以進行傳動軸的轉向工作。

4典型故障分析

在某型機一次外場維護過程中，尾傳動軸重新拆裝后，地面開車使旋翼達到額定轉速后，如圖1所示，用頻譜分析儀測量4號、5號、6號支點的振動，發現5 號點的振動值超限。此時按照第3 節的調整方法進行直升機傳動軸系動不平衡調整，多次試車后5號點的振動值均無法滿足設計要求的指標。而后操作者在尾梁內部向上用力頂住5號支點軸承支座下方的蒙皮，5號支點振動值明顯降低，而用力向上頂住4號支點軸承支座下方的蒙皮，4號點振動值無明顯變化，因此猜想5號軸的支撐平臺蒙皮可能發生變形。

為驗證是否是因為支撐座變形所導致的振動超限，操作者制作兩件長約30 mm、寬約40 mm、厚約3 mm 的支撐橫條分別安裝在5 號軸承支座下方。然后地面試車進行檢查，發現振動值仍無法滿足要求。

為了進一步確定問題原因，操作者在地面拆卸了5 號軸疊片聯軸節與法蘭盤的安裝螺栓，測量軸疊片聯軸節與法蘭盤之間的間隙，具體如圖3 所示，間隙X 值為1.5 mm，間隙Y 值為1.2 mm。這就導致了兩軸之間的軸系間隙出現不均衡的現象，確認該現象是導致整個傳動軸系不平衡的原因。而后調整X 處的調整墊片，重新進行動平衡檢查，振動值滿足要求。

此前在尾梁內部用力向上頂住5 號支點下方蒙皮的方法，經機上檢查發現，5號支點振動傳感器是利用膠水粘貼在結構上的，而4 號支點振動傳感器安裝在振動傳感器支架上。因為5 號支點振動傳感器直接與結構相連，由于人為向上的力直接作用于結構上，導致傳感器上的部分振動被外力吸收，所以導致5 號點的振動下降。這種方法對4號點的作用，因振動傳感器支架的影響，并不明顯。

綜上所述，直升機傳動軸系上某一點的位置發生改變或某一位置的配重發生變化，都會影響整個軸系的動平衡效果，進而影響傳動軸系的振動水平。雖然傳動軸系出廠后，無法對整個傳動軸上的配重進行調整，但在實際的現場動平衡過程中，可以通過調整傳動軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來達到預期的效果。

5結束語

通過分析直升機傳動軸系現場動平衡典型案例，得到了可以通過調整傳動軸的位置、安裝方位及軸系連接方式來實現現場動平衡的目的。目前國內外傳動軸系動平衡調整的方法很多，但傳動軸系調整過程中，不可避免地會出現多次停車進行檢查調整的情況，尋求一種較少停車的可自動調節軸系動平衡的方法目前仍在試驗階段。相信隨著科技的不斷發展，該技術在未來的傳動軸系動平衡調整過程中將得到廣泛應用。