沈安瀾,侯寶紅, 李 平, 薛 晨

(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;3.昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

直升機(jī)動(dòng)部件多,振源多,而且頻率范圍較寬,導(dǎo)致引起直升機(jī)振動(dòng)的原因較為復(fù)雜,影響因素多[1-4],如局部結(jié)構(gòu)固有頻率不佳導(dǎo)致的局部結(jié)構(gòu)振動(dòng)偏大[5],當(dāng)兩個(gè)相近頻率的振幅相當(dāng)時(shí)形成的拍頻振動(dòng)[6],由于氣動(dòng)原因?qū)е碌牡皖l振動(dòng)問(wèn)題[7]以及由于高頻混疊導(dǎo)致出現(xiàn)異常的低頻振動(dòng)信號(hào)[8]等。由于直升機(jī)振動(dòng)影響因素多,在處理直升機(jī)異常振動(dòng)問(wèn)題時(shí),快速準(zhǔn)確地確定異常振動(dòng)原因就顯得尤為重要[6,7]。

本文針對(duì)一次典型的直升機(jī)機(jī)體側(cè)向異常低頻篩振(低頻振動(dòng))現(xiàn)象開展分析。為了確定引起機(jī)體側(cè)向異常篩振的原因,基于飛行振動(dòng)數(shù)據(jù),通過(guò)頻譜分析、濾波分析等方法,確定了引起篩振現(xiàn)象的振動(dòng)頻率為3 Hz;結(jié)合飛參和發(fā)參數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,確定了導(dǎo)致空中明顯低頻篩振的原因?yàn)镻AO現(xiàn)象[9](飛行員輔助振蕩)。根據(jù)分析結(jié)果,提出了相應(yīng)的改善建議。經(jīng)再次飛行驗(yàn)證,空中低頻篩振現(xiàn)象得到明顯改善。

1 低頻篩振現(xiàn)象

直升機(jī)某次正常飛行過(guò)程中,曾因出現(xiàn)典型的空中低頻篩振問(wèn)題而提前中斷飛行。根據(jù)飛行員反饋,該次空中低頻篩振現(xiàn)象的主要表現(xiàn):空中飛行時(shí),特別是在下滑和轉(zhuǎn)彎階段容易出現(xiàn)機(jī)體側(cè)向低頻篩振的現(xiàn)象;當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)側(cè)向低頻篩振時(shí),雙發(fā)輸出扭矩信號(hào)存在跳變的情況,而且機(jī)體側(cè)向低頻篩振的振感強(qiáng)烈,振幅呈現(xiàn)逐漸增大再減小的變化趨勢(shì),且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)飛行員反饋的機(jī)體側(cè)向低頻篩振現(xiàn)象,利用頻譜和濾波等方法對(duì)飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表1和圖1、圖2所示。飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示:當(dāng)該機(jī)出現(xiàn)低頻篩振時(shí),其機(jī)體側(cè)向0～10 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的3 Hz左右的振動(dòng)響應(yīng);座艙地板Y向、尾減速器機(jī)匣Y向以及尾傳動(dòng)軸平臺(tái)Y向等位置處的振動(dòng)水平均比主減機(jī)匣Y向振動(dòng)水平高;尾減速器機(jī)匣Y向振幅最高為0.12g;直升機(jī)主、尾槳等主要激勵(lì)頻率振幅則基本保持穩(wěn)定。

圖1 機(jī)體側(cè)向4 Hz低通濾波時(shí)域曲線

圖2 機(jī)體主要測(cè)點(diǎn)側(cè)向頻譜曲線

表1 各測(cè)點(diǎn)側(cè)向3 Hz振動(dòng)水平

根據(jù)飛行振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)分析結(jié)果,確定引起該起空中低頻篩振的主要來(lái)源為機(jī)體側(cè)向3 Hz振動(dòng)。而3 Hz為直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈固有頻率,且根據(jù)飛行員反饋當(dāng)出現(xiàn)空中低頻篩振時(shí)伴隨著雙發(fā)輸出扭矩跳變,因此進(jìn)一步對(duì)發(fā)參和飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3和圖4所示。飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及飛參、發(fā)參數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,當(dāng)空中低頻篩振時(shí),直升機(jī)正處于轉(zhuǎn)彎平飛狀態(tài),機(jī)體出現(xiàn)明顯3 Hz低頻振動(dòng)響應(yīng)的同時(shí),雙發(fā)輸出扭矩也出現(xiàn)同頻波動(dòng),右發(fā)排氣活門存在頻繁開閉的情況;另外橫向周期變距桿位移信號(hào)中存在3 Hz左右的波動(dòng),橫滾角有較大幅度變化;其他參數(shù)如發(fā)動(dòng)機(jī)自由渦輪轉(zhuǎn)速和燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速基本恒定,飛行速度基本保持恒定,旋翼轉(zhuǎn)速基本保持恒定,飛行高度基本保持恒定。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 飛參主要參數(shù)變化趨勢(shì)

3 原因分析

基于飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)、飛參和發(fā)參數(shù)據(jù)分析結(jié)果,研究認(rèn)為導(dǎo)致該起空中出現(xiàn)篩振的主要原因是在直升機(jī)空中飛行時(shí),飛行狀態(tài)變化等因素導(dǎo)致了右發(fā)放氣活門頻繁開閉,進(jìn)一步引起發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩出現(xiàn)較大幅度波動(dòng);發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩大幅波動(dòng)并持續(xù)激勵(lì)動(dòng)力傳動(dòng)鏈,從而引起直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈3 Hz扭振,并引起機(jī)體3 Hz低頻振動(dòng);機(jī)體側(cè)向3 Hz低頻振動(dòng)又通過(guò)飛行員傳遞至橫向周期變距桿的操縱信號(hào)中,導(dǎo)致機(jī)體側(cè)向3 Hz振動(dòng)水平進(jìn)一步增大。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)P3壓力處在放氣活門打開和關(guān)閉壓力區(qū)間附近時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門會(huì)出現(xiàn)頻繁打開和關(guān)閉的情況。放氣活門的打開和關(guān)閉會(huì)使流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量相應(yīng)地減少和增大?？諝饬髁康拿}動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩也隨之波動(dòng)。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為保持雙發(fā)扭矩匹配,會(huì)不斷調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供油量,發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速等參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)。

從動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振機(jī)理角度分析可見,直升機(jī)尾槳/旋翼/動(dòng)力傳動(dòng)鏈等旋轉(zhuǎn)部件構(gòu)成了一個(gè)耦合扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),其扭振固有頻率為3 Hz。機(jī)械扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)系統(tǒng)相互耦合。當(dāng)直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈?zhǔn)艿捷^強(qiáng)的干擾(操縱、突風(fēng)、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)等),在一定程度上會(huì)激起直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈3 Hz扭振響應(yīng),使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或輸出扭矩信號(hào)中會(huì)存在相應(yīng)頻率的扭振響應(yīng)(3 Hz)。雖然在設(shè)計(jì)中增加了凹陷濾波器的設(shè)計(jì),可以極大地降低該頻率響應(yīng)的幅值,但并不會(huì)完全消除該頻率的響應(yīng)。當(dāng)扭振頻率響應(yīng)信號(hào)進(jìn)入電調(diào)控制系統(tǒng)增益和控制,會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩含有3 Hz分量,并進(jìn)一步引起動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振響應(yīng);同時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速中也會(huì)存在同頻分量,導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)相應(yīng)頻率的振動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振現(xiàn)象發(fā)生時(shí),旋翼表現(xiàn)為集合型擺振,而阻尼器可以提供的阻尼相對(duì)較小;雖然旋翼、尾槳可以提供一定的氣動(dòng)阻尼,但是對(duì)直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振系統(tǒng)來(lái)說(shuō)仍然較小。所以,動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振一旦被激勵(lì)起來(lái),其振動(dòng)響應(yīng)衰減速度相對(duì)較慢。

4 改善建議

基于飛參、振動(dòng)以及發(fā)參數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論:該機(jī)空中篩振的原因?yàn)榉艢饣铋T頻繁開閉導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng),激勵(lì)起動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振;另外由于疊加了 PAO作用,進(jìn)一步導(dǎo)致直升機(jī)空中出現(xiàn)3 Hz低頻篩振,振幅持續(xù)增大,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)該起由動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振疊加PAO共同引起的空中篩振問(wèn)題,提出了相應(yīng)的改善建議:

1)飛行過(guò)程中,若機(jī)體出現(xiàn)3 Hz低頻振動(dòng),同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)存在放氣活門頻繁打開和關(guān)閉的情況,建議按照相關(guān)的要求,迅速改出該飛行狀態(tài),避免直升機(jī)在放氣活門打開、關(guān)閉的飛行狀態(tài)附近長(zhǎng)時(shí)間停留;

2)飛行過(guò)程中如果出現(xiàn)類似的低頻篩振情況,保持總距穩(wěn)定并輕握桿,避免出現(xiàn)PAO現(xiàn)象而導(dǎo)致機(jī)體低頻振動(dòng)幅值進(jìn)一步加劇。

隨后開展了飛行試驗(yàn)工作,飛行員反饋直升機(jī)狀態(tài)良好,未出現(xiàn)明顯的體感篩振現(xiàn)象;對(duì)飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)以及飛參、發(fā)參數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,未發(fā)現(xiàn)存在明顯的3 Hz低頻振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果如圖5-圖7所示。

圖5 機(jī)體側(cè)向4Hz低通濾波時(shí)域曲線

圖6 飛參主要參數(shù)變化趨勢(shì)

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)變化趨勢(shì)

5 結(jié)論

基于飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)、飛參數(shù)據(jù)以及發(fā)參數(shù)據(jù),針對(duì)該起典型的空中低頻篩振問(wèn)題進(jìn)行分析,確定了問(wèn)題原因,提出了改善建議,并為后續(xù)類似問(wèn)題的分析處理提供了思慮和借鑒。研究得出了如下結(jié)論:

1)該起空中低頻篩振現(xiàn)象是一起典型的動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振疊加PAO作用而導(dǎo)致的機(jī)體側(cè)向低頻篩振現(xiàn)象;

2)直升機(jī)空中出現(xiàn)低頻振動(dòng)(篩振),不僅與旋翼、尾槳等直升機(jī)主要振源振動(dòng)有關(guān),還有可能與直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈扭振相關(guān),因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)需要基于飛行振動(dòng)、飛參以及發(fā)參數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析;

3)發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門頻繁開閉,在一定程度上會(huì)對(duì)直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)鏈產(chǎn)生激勵(lì),有可能導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)鏈出現(xiàn)扭振現(xiàn)象,因此需要注意避免直升機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于發(fā)動(dòng)機(jī)放氣活門開閉狀態(tài)下飛行。