直升机振动监测分析

曾烈田

【摘 要】直升机震动较大，不同的部件及位置震动形式不同，通过监控这些震动，可以发现部件功能失效，大大提高直升机的安全水平，节省维护时间。

【关键词】直升机；震动；HUMS；EC225

1.直升机振动形式

由于直升机设计及工作特性，转动部件很多，不可避免地存在振动。振动来自各种活动件，桨叶、传动机构、发动机、这些振动对机体结构产生应力，缩短部件的使用寿命，影响直升机的舒适程度，对安全威胁很大.本文主要分析来自于主桨及尾桨振动。

振动为一种快速的振荡运动。这样的振荡运动可以表述为：如左下图振动曲线，位移或振幅、频率。直升机描述旋翼系统中的振动水平，常用振动频率与旋翼旋转速率相比较。每圈一振：在旋翼旋转一周发生振动5个循环，也就是5R振动或者比率为5：1。

现代直升机通常使用了震动监控系统，可以采集到整机不同部位震动的频谱。这对于分析全机震动很直观。如右上图，可以在不同的震动频率看到振幅大小，不同频率通常指向不同的部件，震动值的突变，常可以发现部件的功能损伤失效。

2.引起振动的原因

转动部件的振动频率一般与部件的转动速度有关，而直升机上部件的转动速度各不相同，因此振动频率是识别振动来源主要指标。振动按频率一般分三类：低频振动，主要来自于主桨系统，中频振动，主要来自于尾桨系统，高频振动，主要来自于发动机和高速传动轴，一些固定频率的震动也指向特定转动附件。根据振动的幅度大小，再辅助以转动速度、飞行速度等其他因素，可以准确地找到振动的原因。

2.1低频振动

对各种主桨系统来说，最常见的振动原因是桨叶锥体偏差。锥体是指直升机所有桨叶叶尖转动轨迹都在一个平面内，首先应该在地面进行桨叶锥体的检查，合格后，再进行悬停状态的检查。一般振动可以分为两种形式：

垂直振动：是由于桨叶产生的升力不相等，即主桨锥体超标而引起，与飞行速度有直接关系，飞行速度越大，振动越大。如果振动发生在低速状态下可以通过调节变距拉杆长度来减小振动；如果振动发生在高速度状态下，调节桨叶调整片角度来减小振动值。频率匹配器失效也可产生意外震动。

横向振动：因主桨系统平衡超标而引起，与主桨转速有直接关系。如果振动随着旋翼转速的增大而增加，是展向平衡超标，应该在轻的一端加配重，通常有重量平衡片或铅沙。如果振动随着转速减小而增大，是弦向平衡超标引起桨叶后掠过大。频率匹配器设定及相位不正确，也会产生横向震动。

2.2中频振动

尾桨转速高，中频振动一般由尾桨引起。尾桨出现缺陷，中频振动值很可能超标。以下列举一些常见起因： 尾桨组件不平衡、尾减速器传动轴同轴度偏离设计值、 水平安定面连接点松动、 减速箱齿轮磨损。

2.3高频振动

高频振动是由高速运转部件产生，如发动机，有一些传动部件的转速与发动机相同，如：自由轮、飞轮机构、连接发动机与主减速箱的输入轴，进行高频振动分析时，这些部件也应被考虑为潜在起因。

3.主桨锥体校正

“打锥体”的定义就是尽量使所有主桨叶片翼尖轨迹在转动中处于同一平面上的过程。

锥体调整可以采用以下两种方法中的一种，或者同时两种：

地面锥体调整一般是通过调整变距杆的长度来实现。通常情况下的做法是将飞行控制系统以及变距杆恢复到其基准状态下，重新进行锥体检查。维护手册中通常会给出每个变距杆调整量相对于翼尖轨迹的移动变化量。调整量的单位通常为“圈“，维护手册还会注明变距杆伸长或缩短的最大允许长度。如下图欧直EC225飞机旋翼给出的固定Δi值，就是转动变距拉杆i/10圈，调整翼尖轨迹的同时还有调整了桨叶的攻角。经过这个粗调，翼尖旋转轨迹基本在同一平面了。

飞行锥体通常通过调整固定安装的调整片来实现，进行微小的锥体调整。主桨叶通常会有6到9片调整片，有二片是用来进行飞行锥体调整的，其它的都是不可调的，保持出厂时设定的状态。维护手册中会给出调整片的最大允许调整量，如EC225直升机最大调整量是正负7度。下图所示，左面的桨叶当将调整片向下扳动调整后，将会使桨叶迎角变大；右面的桨叶当将调整片向上扳动调整后，桨叶迎角变小。

桨叶后缘调整片

使用“弯板器”和量角器对调整片进行调整。弯板器必须与需要进行调整的调整片尺寸长度是一致的，这样调整时整个调整片都被扳动，而不会造成变形或裂纹。

4.尾桨叶锥体校正

应用于主桨叶锥体检查中的方法也可以应用于尾桨叶锥体检查中。尾桨叶片一般没有桨叶后缘调整片，锥体调整一般通过改变变距杆长度来实现，通过调整置于偏心的重量调整片，也能达到一定效果。

5.机载震动监控系统

大型现代直升机加装了直升机应用及监控系统（HUMS）。该系统是用来监控一些影响飞行安全的参数。其中的一部分就是探测及记录桨叶、传动机构和机体的振动水平。

图示欧直EC225，有多达23个加速度计来探测传动机构振动的幅度，频率，方向。3个探测主桨；2探测尾桨，4个探测发动机上，另外有11个探测机体振动，主要探测各个减速器、传动轴、滑油散热风扇轴的震动。

飞行后的报告对分析振动很必要，数据通常包含（下转第186页）（上接第142页）振动出现位置、振动的频率、幅度、发生的阶段、飞行速度等、有无直接后果等。下载机载CMDR上的数据至地面站分析，可以看到振动水平，与设定的阈值比较，常可以发现潜在的故障，可以大大节省排故时间，提高直升机维护的质量。如上图0.25ips黄色的提示阈值，0.35ips的红色警告阈值。一旦震动指标跨越了红色警告区，必须仔细检查飞机，判断出失效部件，进行必要的维修处理。 [科]

【参考文献】

[1]EUrocopterEC225MMAR24，2013，8.

[2]M‘ARMSEurocopter training services，2011，26.

[3]陈慷，刘建新.直升机结构与系统.兵器工业出版社，2007.