司丹宜 鄒炎彰

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 前言

直升機(jī)機(jī)械飛行操縱系統(tǒng)包括主槳操縱系統(tǒng)和尾槳操縱系統(tǒng)，分為3個(gè)通道：縱向和橫向的周期變距通道、總距通道、航向通道。其中縱、橫向和總距通道在復(fù)合搖臂處綜合。操縱系統(tǒng)是將駕駛員的操縱通過(guò)座艙操縱裝置（駕駛桿、總距桿、腳蹬）經(jīng)助力器傳遞到主、尾槳葉，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的姿態(tài)和狀態(tài)控制。原理框圖如圖1所示。

液壓助力器是直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，操縱裝置并不直接驅(qū)動(dòng)旋翼槳葉變距，而是操縱液壓助力器的伺服閥，由液壓助力器驅(qū)動(dòng)旋翼槳葉變距。旋翼槳葉產(chǎn)生的鉸鏈力矩全部由液壓助力器承擔(dān)，操縱裝置的力感是由助力器之前的操縱線系摩擦力、不平衡力和力感模擬裝置組合而成的，該操縱力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于旋翼槳葉產(chǎn)生的鉸鏈力。實(shí)際上直升機(jī)的操縱是由液壓助力器驅(qū)動(dòng)的，液壓助力器的性能在很大程度上決定了飛行操縱系統(tǒng)的性能，影響直升機(jī)的飛行穩(wěn)定性、操縱性和機(jī)動(dòng)性。

主、尾槳助力器均是一個(gè)機(jī)-液位置伺服裝置，用一個(gè)很小的力（一般≤10N）使輸入搖臂組件移動(dòng)，通過(guò)液壓作用可使助力器輸出相應(yīng)的移動(dòng)和較大的力，以減輕駕駛員手、腳上的操縱負(fù)荷。助力器減少了飛行操縱系統(tǒng)的操縱力，其不可逆設(shè)計(jì)消除了由旋翼傳給座艙操縱機(jī)構(gòu)的載荷和振動(dòng)。助力器的分油裝置為柱式轉(zhuǎn)閥，由主閥和副閥組成，當(dāng)任何一個(gè)主閥卡死時(shí)，由相應(yīng)的副閥分油，并通過(guò)故障報(bào)警裝置向駕駛員報(bào)警。

1 原理介紹

目前我國(guó)直升機(jī)使用數(shù)量最多的飛行操縱系統(tǒng)液壓助力器如圖2所示。該助力器為串聯(lián)式作動(dòng)筒機(jī)構(gòu)，作動(dòng)筒分隔為上下2個(gè)腔體，并由2個(gè)復(fù)式旋轉(zhuǎn)分配閥來(lái)分別進(jìn)行控制。其中活塞桿固定在主減速器殼體上，活塞桿不動(dòng)而由作動(dòng)筒殼體通過(guò)位移來(lái)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)傾斜器，活塞桿和作動(dòng)筒殼體共同構(gòu)成雙向液壓助力器。助力器主要由輸入搖臂、上復(fù)式旋轉(zhuǎn)分配閥、下復(fù)式旋轉(zhuǎn)分配閥、活塞桿、上作動(dòng)筒、下作動(dòng)筒和中間支座等組成。

1.1 助力器的工作原理

圖3所示的主槳助力器處在收縮狀態(tài)，當(dāng)座艙內(nèi)操縱桿的移動(dòng)使輸入搖臂向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)-α角，則引起伺服分配閥門以相同的方向旋轉(zhuǎn)-α角。每個(gè)作動(dòng)筒的A腔與壓力油路相通，B腔與回油路相通。主槳助力器縮回，只要駕駛員連續(xù)操縱主助力器的輸入搖臂，則主助力器就可以連續(xù)地縮回。

主槳助力器的輸出動(dòng)作是直接由駕駛員的輸入動(dòng)作控制的，它的原理是只要輸入搖臂在運(yùn)動(dòng)，則主助力器就隨著運(yùn)動(dòng)，當(dāng)搖臂停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，主助力器“趕上”搖臂，并使搖臂回到中立位置，這樣伺服分配閥就回到液壓零位，主助力器停止運(yùn)動(dòng)。

圖1 飛行操縱系統(tǒng)原理框圖

圖2 飛行操縱液壓助力器

同理，如果輸入搖臂向上偏轉(zhuǎn)一個(gè)+α角，則引起主助力器伸出。伺服分配閥的開(kāi)度角±α角，取決于駕駛員操縱周期內(nèi)變距桿或總距桿的速度，從而確定了主助力器的移動(dòng)速度。

2 影響分析

2.1 液壓油污染對(duì)助力器的影響分析

現(xiàn)有直升機(jī)液壓助力器一般使用YH-15（GJB 1177A—2013）航空液壓油和（MIL-PRF-83282）合成烴阻燃液壓油，液壓油的污染度等級(jí)分為9級(jí)、10級(jí)、11級(jí)、12級(jí)（GJB 420B—2006）。

液壓油污染對(duì)助力器的影響主要有以下3個(gè)方面。

2.1.1 助力器的輸出速度減小、跟隨性降低

液壓油受到污染后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作，大量的污染顆粒聚集在液壓助力器進(jìn)油口的油濾濾網(wǎng)表面，堵塞了濾網(wǎng)上的孔隙，油濾過(guò)油能力減小、流量減小，導(dǎo)致液壓助力器的輸出速度減小，助力器的跟隨性降低。由于助力器上所安裝的濾網(wǎng)為粗濾網(wǎng)，對(duì)微米級(jí)的顆粒過(guò)濾能力非常有限，所以堵塞濾網(wǎng)上孔隙的概率較低。

2.1.2 助力器閥操縱力增加

油液污染后進(jìn)入轉(zhuǎn)閥間隙內(nèi)的顆粒數(shù)量增加，顆粒堆積的概率增大，導(dǎo)致助力器主閥操縱力增加，并有可能導(dǎo)致主閥卡滯（卡死）。

圖3 主助力器的工作原理

轉(zhuǎn)閥類液壓助力器對(duì)污染顆粒大小為轉(zhuǎn)閥間隙1/3～1/2大小的最為敏感，液壓助力器轉(zhuǎn)閥配套間隙為（5μm～8μm），也就是說(shuō)轉(zhuǎn)閥對(duì)（1.7 μm～4 μm）大小的顆粒最為敏感。較大的顆粒無(wú)法進(jìn)入轉(zhuǎn)閥間隙內(nèi)，會(huì)通過(guò)分油口直接流走，而（1.7 μm～4 μm）大小的顆?？梢赃M(jìn)入轉(zhuǎn)閥間隙。隨著油液污染度的增加，油液中顆粒的數(shù)量急劇增加（見(jiàn)表1，錄自GJB 420B—2006），進(jìn)入轉(zhuǎn)閥間隙內(nèi)的顆粒數(shù)量急劇增加，顆粒堆積的概率增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)閥之間的摩擦力增加，主轉(zhuǎn)閥卡滯，導(dǎo)致液壓助力器操縱力增大。（受結(jié)構(gòu)及為了保證液壓流量等因素的影響，液壓助力器中不可能安裝精密油濾，助力器濾網(wǎng)規(guī)格按網(wǎng)孔直徑0.5 mm/金屬絲直徑0.224 mm，對(duì)微米級(jí)的顆?；酒鸩坏竭^(guò)濾的作用。）

表1 每100 mL油液中所含顆粒數(shù)

隨著油液污染度的增加，主轉(zhuǎn)閥與副轉(zhuǎn)閥之間顆粒堆積的數(shù)量也在增加，當(dāng)摩擦力增大到與副轉(zhuǎn)閥的操縱力相同時(shí)，主轉(zhuǎn)閥帶動(dòng)副轉(zhuǎn)閥分油，液壓助力器卡滯報(bào)警燈燃亮；當(dāng)助力器分油口處于鄰近關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，較大的顆?？赡芸ㄔ谥鬓D(zhuǎn)閥與副轉(zhuǎn)閥之間的分油口處，導(dǎo)致主轉(zhuǎn)閥與副轉(zhuǎn)閥卡死，主轉(zhuǎn)閥帶動(dòng)副轉(zhuǎn)閥分油，此時(shí)液壓助力器卡滯報(bào)警燈燃亮，導(dǎo)致液壓助力器操縱力增大。

2.1.3 助力器磨損加劇、使用壽命降低

液壓助力器長(zhǎng)期工作在具有高污染度的油液環(huán)境中，轉(zhuǎn)閥及活塞桿等與油液接觸的活動(dòng)部位的磨損會(huì)加劇，導(dǎo)致間隙增大、內(nèi)漏增加、磨損壽命減小，縮短產(chǎn)品正常的使用壽命。

如果液壓助力器長(zhǎng)期工作在9級(jí)（助力器正常工作規(guī)定值）以下的油液環(huán)境中，液壓助力器操縱力增大及發(fā)生故障告警的概率會(huì)增加，跟隨性降低導(dǎo)致液壓助力器操縱品質(zhì)降低，活動(dòng)部位磨損導(dǎo)致產(chǎn)品正常使用壽命縮短。

2.2 液壓油污染對(duì)操縱系統(tǒng)及全機(jī)的影響分析

根據(jù)上述分析可知，液壓油污染對(duì)助力器的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

（1）助力器的輸出速度減小、跟隨性降低。

（2）助力器閥操縱力增加。

（3）助力器磨損加劇、使用壽命縮短。

其中，輸出速度減小及閥操縱力增加對(duì)操縱系統(tǒng)乃至全機(jī)的操縱特性有影響，特別是閥操縱力增加所產(chǎn)生的影響更大。

2.2.1 助力器輸出速度減小的操縱影響分析

助力器輸出速度減小將直接導(dǎo)致操縱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差，即快速性及跟隨性下降，從而導(dǎo)致快速操縱時(shí)助力器可能出現(xiàn)速度飽和，影響直升機(jī)的操縱性和機(jī)動(dòng)性。

2.2.2 助力器閥操縱力增加的操縱影響分析

助力器閥操縱力增加使飛行操縱系統(tǒng)的操縱裝置啟動(dòng)力及操縱力變大，即需要的駕駛員操縱桿力幅值將比正常情況下大。由于助力器設(shè)計(jì)了主、副閥結(jié)構(gòu)，即使主閥芯與主閥套（即副閥芯）之間完全卡死，副閥芯仍能在副閥套內(nèi)完成分油，且有主閥卡死告警，此時(shí)副閥操縱力一般按傳動(dòng)比力值計(jì)算反映到操縱裝置處，各通道縱向和橫向操縱力、腳蹬操縱力均增加不大。而且，如果主閥芯與主閥套（即副閥芯）之間有卡滯但未完全卡死，操縱裝置處的操縱力的增加程度將更小。操縱力的增加程度對(duì)飛行員在力的負(fù)擔(dān)上并沒(méi)有太大影響。但是，由于操縱力幅值的增加、配合以同樣的操縱桿力梯度，則增加了飛行員過(guò)操縱的趨勢(shì)，從而增加了駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的趨勢(shì)。

還可能存在另外一種情況，即操縱力可能瞬時(shí)變大或卡滯。由于污染顆粒瞬時(shí)附著在分配閥主閥與副閥之間的間隙內(nèi)，導(dǎo)致助力器分配閥操縱啟動(dòng)力增加，分油活門打開(kāi)后，污染顆?？赡軙?huì)隨著液壓油的沖刷離開(kāi)，導(dǎo)致分配閥操縱力恢復(fù)正常。因此，飛行員的操縱感覺(jué)就是操縱力會(huì)發(fā)生突變。該現(xiàn)象也會(huì)影響飛行員對(duì)操縱的感覺(jué)，容易產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)操縱，這也是引起駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的因素之一。

助力器閥操縱力增加，促使助力器輸出位移相對(duì)駕駛員操縱桿力的相位滯后更加嚴(yán)重，從而大大增加了駕駛員誘發(fā)振蕩(PIO)的趨勢(shì)。

2.3 駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）形成機(jī)理

駕駛員誘發(fā)振蕩形成機(jī)理分析如下。

駕駛員精確地操縱飛機(jī)的飛行姿態(tài)（如瞄準(zhǔn)、編隊(duì)、空中加油或水平直線飛行、保持下滑著陸線軌跡等）時(shí)，因飛機(jī)受到擾動(dòng)或其他原因偏離欲保持的姿態(tài)，駕駛員對(duì)飛機(jī)姿態(tài)誤差的修正引起飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的振蕩，即為駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）。如果駕駛員穩(wěn)住駕駛桿不做修正動(dòng)作，則飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的振蕩一般會(huì)自行消失。但嚴(yán)重時(shí)，只要引起飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的振蕩，即使穩(wěn)住駕駛桿，飛機(jī)也會(huì)持續(xù)振蕩下去。精確修正飛機(jī)姿態(tài)時(shí)引起的PIO，駕駛員稱之為“縱向飄擺”“橫向晃動(dòng)”，會(huì)降低飛行平直精準(zhǔn)度。急劇開(kāi)環(huán)操縱（如大機(jī)動(dòng)）或受到強(qiáng)烈擾動(dòng)（如切斷自動(dòng)駕駛儀、發(fā)動(dòng)機(jī)斷加力）時(shí)，可能出現(xiàn)危及飛行安全的PIO，駕駛員稱之為“大飄搖”。

輕微的PIO在一般飛行情況下不易被察覺(jué)，但在空戰(zhàn)時(shí)不利于瞄準(zhǔn)，編隊(duì)時(shí)難以保持隊(duì)形。嚴(yán)重的PIO，由于飛機(jī)持續(xù)顛簸，駕駛員感到頭暈?zāi)垦Ｉ踔翋盒膰I吐，不能堅(jiān)持繼續(xù)飛行；著陸時(shí)駕駛員不能準(zhǔn)確控制飛機(jī)的姿態(tài)而導(dǎo)致出現(xiàn)險(xiǎn)情。

產(chǎn)生駕駛員誘發(fā)振蕩的原因主要包括3類：飛機(jī)特性、駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)飛機(jī)操縱性的適應(yīng)程度以及飛行控制（操縱）系統(tǒng)。

直升機(jī)飛行控制（操縱）系統(tǒng)影響PIO的參數(shù)主要有5種：桿力特性、系統(tǒng)傳動(dòng)系數(shù)與增強(qiáng)系統(tǒng)增益、系統(tǒng)間隙、助力器前系統(tǒng)摩擦力、助力器特性（包括速度特性、死區(qū)、操縱摩擦力）。其中特別強(qiáng)調(diào)的是助力器操縱摩擦力過(guò)大（超過(guò)助力器前系統(tǒng)摩擦力）將大大增加PIO發(fā)生的概率。

2.3.1 助力器前系統(tǒng)摩擦力的影響

助力器前系統(tǒng)摩擦力Fs使桿力矢量Fz有一超前于桿位移Dz和載荷機(jī)構(gòu)力P90°的分量，如圖4所示。且桿力越小，摩擦力Fs的影響越顯著。其效果是使操縱面偏度對(duì)桿力的滯后加大，并使桿力幅值增大。

2.3.2 助力器操縱（摩擦）力的影響

圖4 助力器前系統(tǒng)摩擦力的影響

由于助力器操縱（摩擦）力FV主要是由助力器主閥摩擦力造成的，該摩擦力的相位超前主閥位移e90°，而主閥位移的相位又超前助力器的輸入位移xi（一般小于90°）。因此，主閥摩擦力Fv對(duì)于駕駛桿位移Dz的相位超前介于90°～180°（小于180°），使桿力Fz中存在相位超前桿位移Dz90°～180°的分量，從而使操縱面對(duì)桿力的響應(yīng)大大滯后。因此，助力器操縱（摩擦）力的影響相對(duì)于助力器前的系統(tǒng)摩擦力影響更加顯著，并且使桿力幅值變小，如圖5所示。助力器操縱力（摩擦力）的影響效果與助力器前的系統(tǒng)質(zhì)量影響類似。

從圖6中可以看出，助力器操縱摩擦力FV對(duì)駕駛桿力FZ的相位有顯著的影響。當(dāng)助力器操縱摩擦力FV在橫軸上的投影值FVx小于載荷機(jī)構(gòu)力P時(shí)，桿力FZ處于矢量圖的第Ⅰ象限內(nèi)，系統(tǒng)摩擦力FS使FZ的相位進(jìn)一步超前；當(dāng)FVx大于P時(shí)，F(xiàn)x處于第Ⅱ象限內(nèi)，使FZ的相位大大超前。可見(jiàn)，在飛行操縱系統(tǒng)中助力器操縱摩擦力與系統(tǒng)摩擦力的匹配關(guān)系對(duì)PIO有很大影響。

圖5 助力器操縱（摩擦）力的影響

一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)傳輸信號(hào)的幅值大（即操縱面偏度對(duì)桿力響應(yīng)的幅值大），飛機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)桿力響應(yīng)的幅值就大，容易形成產(chǎn)生PIO的幅值（增益）條件；飛機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)桿力響應(yīng)的相位滯后接近180°時(shí)，就形成產(chǎn)生PIO的相位條件。當(dāng)這2個(gè)條件都具備時(shí)，就產(chǎn)生PIO。飛機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)桿力響應(yīng)的幅值與PIO敏感區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不像相位幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)單明確。不同飛機(jī)、不同系統(tǒng)參數(shù)組合，不同飛行狀態(tài)就會(huì)有不同的使PIO敏感的幅值范圍。從一般意義上講，具有共性的是在飛機(jī)操縱面效率較高的飛行狀態(tài)，象中低空、高空超音速，飛行控制（操縱）系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)就容易產(chǎn)生PIO。

圖6 具有機(jī)械指令助力器的飛行操縱系統(tǒng)——飛機(jī)運(yùn)動(dòng)矢量圖

2.4 由于液壓油污染導(dǎo)致直升機(jī)駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的案例及分析

《直升機(jī)縱向駕駛員誘發(fā)振蕩問(wèn)題的初步研究》描述了由于液壓油污染導(dǎo)致米-8直升機(jī)閥操縱力變大以致引起駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的故障。

研究表明，在操縱系統(tǒng)摩擦、質(zhì)量、彈性間隙及其他非線性因素中，由于桿系及助力器分油活門摩擦力所造成的系統(tǒng)突破力是造成系統(tǒng)相位滯后的重要原因之一。系統(tǒng)摩擦力有突破性和跌落性2個(gè)特點(diǎn)。由此可能造成操縱面對(duì)駕駛桿輸入飛相位延遲的影響。而有“集中性”的特點(diǎn)，加大了系統(tǒng)對(duì)突破力的作用及桿系彈性和間隙的影響。文獻(xiàn)明確飛機(jī)因駕駛員操縱系統(tǒng)及其他飛機(jī)上組合的不穩(wěn)定因素而產(chǎn)生操縱方面的困難，最終均與駕駛員操縱力和相關(guān)的操縱面之間明顯的相位差有關(guān)。并且發(fā)現(xiàn)液壓助力操縱系統(tǒng)控制閥中的摩擦力是引起這種不滿意特性的主要原因。由于液壓助力器系統(tǒng)閥摩擦力的存在使操縱力和最后的操縱運(yùn)動(dòng)之間引起約為180°的相差。根據(jù)有關(guān)資料提供的要求當(dāng)駕駛桿輸入位移正弦振蕩頻率為1周/s，振幅為駕駛桿最大幅值25 %時(shí)“系統(tǒng)相移”在20°～80°是滿足要求的。

伺服閥摩擦力和桿系摩擦力對(duì)具有液壓助力操縱系統(tǒng)的直升機(jī)操縱品質(zhì)也有影響，當(dāng)閥摩擦力增加時(shí)，操縱品質(zhì)變壞可能導(dǎo)致駕駛員誘發(fā)振蕩。米-8直升機(jī)一致存在嚴(yán)重的空中振動(dòng)故障，其故障的特點(diǎn)是隨機(jī)性和突發(fā)性。事后多次發(fā)現(xiàn)縱向分油活門摩擦力偏大與液壓油污染密切有關(guān)。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果表明，液壓油污染是分油活門在使用過(guò)程中摩擦力變大的主要原因。而且其具有明顯的隨機(jī)性和突發(fā)性。象故障直升機(jī)818號(hào)，分油活門摩擦力為18 N（要求不大于15 N），吸力為零，而液壓油污染度為9～10級(jí)。這種故障發(fā)生時(shí)還常與操縱的不當(dāng)、頻繁動(dòng)桿及操縱粗猛有關(guān)，并且全機(jī)明顯感到縱向俯仰振蕩。

3 結(jié)論

助力器液壓油污染可引起助力器輸出速度減小、助力器閥操縱力增加以及助力器磨損加劇、使用壽命縮短等問(wèn)題。其中助力器輸出速度減小將直接導(dǎo)致操縱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差，即快速性及跟隨性下降，從而導(dǎo)致快速操縱時(shí)助力器可能出現(xiàn)速度飽和，影響直升機(jī)的操縱性和機(jī)動(dòng)性。助力器閥操縱力增加使助力器輸出位移相對(duì)駕駛員操縱桿力的相位滯后更加嚴(yán)重，從而大大增加了駕駛員誘發(fā)振蕩（PIO）的可能性。

因此，直升機(jī)在設(shè)計(jì)和使用時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)直升機(jī)液壓油清潔方面的設(shè)計(jì)，做好使用過(guò)程中液壓油的定時(shí)檢查和維護(hù)管理。