某型直升機(jī)座艙低頻振動(dòng)現(xiàn)象分析及改善

沈安瀾，侯寶紅，江 安

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.解放軍66350部隊(duì)，河北 保定 071000)

0 引言

某型直升機(jī)在外場(chǎng)飛行過程中，飛行員反映在特定飛行狀態(tài)下，座艙出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，影響飛行任務(wù)的執(zhí)行?，F(xiàn)象描述為：在特定飛行狀態(tài)下，機(jī)身出現(xiàn)異常的低頻振動(dòng),飛行員反映有類似騎馬的直觀感受。

直升機(jī)由于其獨(dú)特的構(gòu)型和飛行方式，振動(dòng)問題一直是困擾其發(fā)展的重要問題。直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件多，所處的氣動(dòng)環(huán)境惡劣，造成直升機(jī)振動(dòng)復(fù)雜，頻率成分多而且頻率跨度大。這在一定上給直升機(jī)振動(dòng)問題的分析和解決帶來了困難。國(guó)外某些直升機(jī)型號(hào)[1,2]如NH90、EH101、AH-64D以及“科曼奇”，在試飛初期也都曾出現(xiàn)過類似“Tail shake/Buffet”低頻振動(dòng)問題；國(guó)內(nèi)有關(guān)型號(hào)[3,4]加裝測(cè)試設(shè)備后在試飛過程中也多次出現(xiàn)過低頻振動(dòng)問題。

本文通過飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，利用頻譜結(jié)合濾波分析的方法，確定了該座艙低頻振動(dòng)現(xiàn)象的主要原因?yàn)樾矶A通過頻率(2kΩ)和尾槳一階通過頻率(kΩt)在座艙處合成，形成拍頻現(xiàn)象。分析了拍頻的形成機(jī)理，給出了拍頻振動(dòng)典型頻譜圖，提出了相應(yīng)的改善建議，經(jīng)外場(chǎng)試飛驗(yàn)證，可在一定程度上改善座艙低頻(拍頻)振動(dòng)。

1 原因分析

直升機(jī)的振源[3,5,6]一般為旋翼、尾槳、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等旋轉(zhuǎn)部件引起的周期激勵(lì)和氣動(dòng)環(huán)境中的隨機(jī)激勵(lì)。相應(yīng)地，座艙內(nèi)的主要激勵(lì)頻率為旋翼的轉(zhuǎn)速頻率1Ω和一階通過頻率kΩ，尾槳的轉(zhuǎn)速頻率1Ωt和一階通過頻率kΩt以及傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速頻率等。

直升機(jī)低頻振動(dòng)與上述頻率激勵(lì)下的振動(dòng)現(xiàn)象有顯著區(qū)別。直升機(jī)低頻振動(dòng)大多表現(xiàn)為抖動(dòng)、晃動(dòng)、篩動(dòng)等現(xiàn)象[3]，依據(jù)低頻振動(dòng)的頻率不同，飛行員會(huì)有類似騎馬或坐船等直觀感受，方向多為垂向或側(cè)向。

1.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

直升機(jī)屬于多振源系統(tǒng)，包含旋翼、尾槳、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等多個(gè)振源，各個(gè)振源之間的激勵(lì)頻率各不相同，因此主要利用頻譜分析進(jìn)行常規(guī)直升機(jī)振動(dòng)分析。

針對(duì)直升機(jī)低頻振動(dòng)飛行狀態(tài)進(jìn)行70Hz以內(nèi)的頻譜分析。如圖1所示，該機(jī)座艙測(cè)點(diǎn)在10Hz以內(nèi)僅有一個(gè)1Hz左右的頻率成分較為明顯。但根據(jù)飛行員反映的振動(dòng)感覺和振動(dòng)傳感器頻率測(cè)試范圍，同時(shí)對(duì)比其余正常狀態(tài)下的頻譜圖(圖2所示)進(jìn)行綜合分析判斷，1Hz以內(nèi)的頻率應(yīng)是系統(tǒng)測(cè)試誤差帶來的。

根據(jù)圖1所示，除1Hz外，座艙其余頻率下的振動(dòng)水平均處于正常范圍內(nèi)，因此飛行員不會(huì)感覺較大的低頻振動(dòng)。對(duì)比圖1和圖2，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，座艙出現(xiàn)低頻振動(dòng)時(shí)，座艙垂向通道旋翼二階通過頻率(2kΩ)振幅約為0.06g，尾槳一階通過頻率(kΩt)振幅約為0.06g，旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率相近。根據(jù)拍頻的形成機(jī)理，飛行員反映的座艙低頻振動(dòng)預(yù)測(cè)為旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成拍頻導(dǎo)致的。

圖1 低頻振動(dòng)狀態(tài)下的頻譜圖

圖2 其余正常狀態(tài)下的頻譜圖

1.2 拍頻現(xiàn)象及機(jī)理

拍頻振動(dòng)現(xiàn)象常出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)中，一方面可能是由于轉(zhuǎn)子中殘存的介質(zhì)和轉(zhuǎn)子本身的失衡現(xiàn)象共同引起；另一方面可能是系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)態(tài)振源的頻率振幅近似于另一個(gè)振源頻率振幅而引起的一種特殊的振動(dòng)現(xiàn)象[7-9]。

為分析拍頻現(xiàn)象機(jī)理[3,7-9]，假設(shè)存在兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)：

u1=A1sin(ω1t+φ1)

(1)

u2=A2sin(ω2t+φ2)

(2)

通過三角函數(shù)合成后，其合成振動(dòng)可以寫成：

u(t)=u1(t)+u2(t)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，A1,A2,ω1,ω2分別為兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅和頻率，當(dāng)這兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率和振幅相等或相近時(shí)，根據(jù)式(5)所示，u2(t)等于或約等于0，此時(shí)合成振動(dòng)u(t)即為“拍”，是一種頻率為(ω1+ω2)/2的變幅振動(dòng)，其振幅按余弦函數(shù)以頻率(ω1-ω2)/2變化，是一種典型的幅值調(diào)制過程，實(shí)際呈現(xiàn)出的是幅值調(diào)制函數(shù)的特性，如圖3所示。人體實(shí)際感受到的應(yīng)為該合成振動(dòng)的外包絡(luò)，振動(dòng)周期應(yīng)為合成振動(dòng)周期的一半，因此人體感受到的頻率其實(shí)應(yīng)該為(ω1-ω2)。

圖3 典型拍頻現(xiàn)象

因?yàn)棣?與ω2非常接近時(shí)，合成后形成的(ω1-ω2)/2頻率很低，周期會(huì)較長(zhǎng)，當(dāng)此時(shí)幅值A(chǔ)1與A2相當(dāng)或相等。由式(4)可知，合成后的u(t)，其振動(dòng)幅值會(huì)在(A1+A2)到0之間以圓頻率做周期波動(dòng)，此時(shí)人體感受到明顯的振動(dòng)起伏。當(dāng)A1與A2相差較大，其合成后的振動(dòng)幅值以兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的振幅較大的簡(jiǎn)諧振動(dòng)振幅為主，即當(dāng)A1遠(yuǎn)大于A2時(shí)，其合成后的振動(dòng)振幅約為A1，此時(shí)人體感受不到明顯的振動(dòng)起伏。

1.3 座艙低頻振動(dòng)原因分析

拍頻現(xiàn)象是一種特殊的振動(dòng)現(xiàn)象，在各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)中均出現(xiàn)過，例如各類壓縮機(jī)[7]、客車[9]以及直升機(jī)[3]等包含旋轉(zhuǎn)機(jī)械的系統(tǒng)，但針對(duì)拍頻的分析和故障源識(shí)別方法又有所差別：趙晴等[7]主要采用觀察有關(guān)測(cè)點(diǎn)頻譜圖的特點(diǎn)，逐一排除其他原因，確定低頻項(xiàng)為壓縮機(jī)的拍頻的方法；郭彬等[9]主要利用頻譜分析法和分別運(yùn)轉(zhuǎn)法來確定振動(dòng)源和振動(dòng)頻率；王文濤等[3]則主要基于希爾伯特變換進(jìn)行直升機(jī)拍頻振動(dòng)分析；劉建禮等[4]則利用帶通濾波的方法進(jìn)行直升機(jī)低頻振動(dòng)分析。

為了進(jìn)一步確認(rèn)該直升機(jī)低頻振動(dòng)的原因，同時(shí)更為直觀地判斷旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率是否合成形成拍頻，在1.1節(jié)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，利用帶通濾波[4]方法，得到旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成后的時(shí)域曲線圖，如圖4所示。通過對(duì)比圖1、圖3和圖4，進(jìn)一步確定了該架機(jī)在飛行員反映低頻振動(dòng)的飛行狀態(tài)下存在拍頻現(xiàn)象。綜合1.1節(jié)的分析結(jié)果，確定了該架機(jī)座艙低頻振動(dòng)的原因?yàn)椋鹤搩?nèi)兩個(gè)相近頻率旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在特定飛行狀態(tài)下振幅相等，導(dǎo)致這兩個(gè)頻率合成出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象，同時(shí)飛行員感受到明顯的低頻振動(dòng)。

圖4 低頻振動(dòng)狀態(tài)下帶通濾波時(shí)域圖

2 改善建議及飛行驗(yàn)證

通過飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定了該架機(jī)出現(xiàn)座艙低頻振動(dòng)的原因，針對(duì)座艙低頻振動(dòng)的原因和拍頻形成機(jī)理，給出如下的改善建議和措施：

1) 增大旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的頻率差：更改旋翼2kΩ或更改尾槳kΩt頻率；

2) 增大座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅差，改變駕駛艙內(nèi)兩頻率的振幅：調(diào)整旋翼錐體和動(dòng)平衡，同時(shí)調(diào)整尾槳?jiǎng)悠胶猓匾獣r(shí)可以嘗試更換尾槳葉；

3) 由于座艙拍頻現(xiàn)象與座艙的旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅相關(guān)，而旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅與飛行狀態(tài)相關(guān)，因此當(dāng)座艙出現(xiàn)低頻振動(dòng)(拍頻)，可以嘗試改出當(dāng)前飛行狀態(tài)進(jìn)行改善。

更改直升機(jī)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率，涉及到旋翼系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和尾槳等一系列系統(tǒng)參數(shù)的更改，涉及的系統(tǒng)較多而且有可能會(huì)影響全機(jī)主要性能指標(biāo)，所以目前不具備更改條件。因此只能考慮對(duì)座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的振幅進(jìn)行改善從而改善座艙低頻(拍頻)振動(dòng)。

通過試飛驗(yàn)證，飛行員反饋結(jié)果表明第2條和第3條措施均有效，具體為：①當(dāng)座艙出現(xiàn)低頻振動(dòng)(拍頻)時(shí)，飛行員改出當(dāng)前飛行狀態(tài)，低頻(拍頻)振動(dòng)現(xiàn)象消失；②對(duì)旋翼錐體和動(dòng)平衡以及尾槳?jiǎng)悠胶膺M(jìn)行調(diào)整后，在特定飛行狀態(tài)下低頻(拍頻)振動(dòng)現(xiàn)象仍存在，但振動(dòng)感受(振幅)有所改善。

3 結(jié)論

為了改善某型直升機(jī)座艙低頻振動(dòng)現(xiàn)象，通過飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，確定了該問題原因，并通過分析該現(xiàn)象的形成機(jī)理，給出了相應(yīng)的改善建議，并經(jīng)過了實(shí)際飛行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1)該架機(jī)座艙低頻振動(dòng)現(xiàn)象是一種典型的拍頻現(xiàn)象，是由于在特定飛行狀態(tài)下座艙內(nèi)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率兩個(gè)相近頻率振幅相同或相近引起的；

2)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在座艙內(nèi)的振幅一般都較小，在進(jìn)行飛行振動(dòng)分析時(shí)容易被忽略，因此在后續(xù)振動(dòng)分析時(shí)需要對(duì)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率引起的拍頻現(xiàn)象予以關(guān)注；

3)拍頻現(xiàn)象是一種特殊的振動(dòng)現(xiàn)象，由于直升機(jī)振源多，頻率成分多，其振動(dòng)問題較為復(fù)雜，因此在進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，需要仔細(xì)區(qū)分拍頻振動(dòng)現(xiàn)象與其他低頻振動(dòng)現(xiàn)象；

4)本文分析了拍頻的形成機(jī)理，提出了相應(yīng)的改善建議和措施，經(jīng)實(shí)際飛行驗(yàn)證，能夠在一定程度上改善座艙振動(dòng)，為后續(xù)外場(chǎng)直升機(jī)低頻振動(dòng)分析和解決提供了思路。