电动变距拉杆旋翼平衡在线调整试验研究

汪文涛，易 晖，黄国科，乐 娟，程起有

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

直升机区别于固定翼飞机的最主要特征是其具有旋翼，旋翼作为直升机的升力面、操纵面，其平衡状态直接关系到直升机振动水平。旋翼平衡状态分为质量平衡和旋翼气动平衡，质量不平衡是由于在制造过程中，各个桨叶的离心力不能互相抵消，引起纵向和横向的激振力；旋翼气动不平衡是由于各片桨叶的安装角或扭转变形的不相等引起各片桨叶的升力不相等，从而引起各片桨叶的桨尖轨迹不在统一高度，使得直升机运转过程中存在气动不平衡，进而造成机体振动水平上升[1-2]，影响直升机的舒适性和使用经济性，严重时甚至影响飞行安全性。因此需要对旋翼平衡状态进行监测和维护。

目前，旋翼平衡状态测量与调整是直升机使用维护过程中重要且关键的一项内容。直升机旋翼质量平衡通常是通过分析测量的机体振动数据进行桨叶配重调整以降低质量不平衡引起的振动；旋翼气动平衡监测经历了手工标杆法、频闪仪观测法、照相机测量法、光学锥体测量法等几个阶段的发展，从发展趋势可以看出，直升机旋翼锥体测量技术逐步由机械式向电子自动化、光学非接触式的技术方向发展。但是直升机旋翼气动平衡调整方法却很单一，即根据测量结果通过手动调整拉杆的长度。但是上述2 种旋翼平衡调整方式都不能在旋翼运转过程中进行调整，影响调整效率，降低了直升机使用维护性[2-4]。

针对上述问题，研制了一种可在旋翼运转过程中根据控制指令调整拉杆长度的电动变距拉杆。在此基础上，在旋翼模型试验台上安装了电动变距拉杆，进行了旋翼平衡在线调整效果验证试验，在悬停和前飞状态下，进行了电动变距拉杆固定和作动状态下的台体一阶振动水平对比，结果表明电动变距拉杆作动状态下较电动变距拉杆固定状态下，旋翼模型试验台3个方向的一阶振动下降40%左右，振动水平能够维持在0.2 ⅠPS 以内，验证了电动变距拉杆可在线实现旋翼平衡调整。

1 电动变距拉杆

1.1 基本构造

电动变距拉杆主要由直流无刷电机、力矩限制器、丝杆组件、丝母、输出轴、角度编码器、导向管、杆端轴承等组成。电动变距拉杆以直流无刷电机为动力源，经直齿减速齿轮减速后，通过行星滚柱丝杠副将旋转运动转化为机构输出轴的直线往复运动，同时，分别通过电机尾部及输出轴处的角度编码器实现输出轴位置的实时检测与闭环控制。电动变距拉杆结构示意图如图1 所示。

图1 电动变距拉杆的结构示意图

1.2 主要结构参数

电动变距拉杆主要用来代替传统的普通拉杆，用于自动倾斜器动环和桨毂支臂之间的连接，是直升机操纵变距系统中的重要一环，与传统的普通拉杆相比，电动变距拉杆可实现旋翼在运转过程中拉杆长度的在线调节。电动变距拉杆和普通拉杆对比如表1 所示。

表1 电动变距拉杆和普通拉杆对比

1.3 电动变距拉杆控制器

由于电动变距拉杆控制器主要作用一方面是为电动变距拉杆供电、传输控制指令，另一方面接收电动变距拉杆的反馈信号实现闭环控制。试验中，电动变距拉杆控制器通过设计的工装安装在旋翼桨毂上方，控制器的供电和地面通讯信号通过集流环传输。电动变距拉杆的控制系统示意图如图2 所示。

图2 电动变距拉杆的控制系统示意图

2 试验与分析

2.1 试验目的

本试验主要研究目的是验证不同飞行状态下电动变距拉杆对旋翼平衡的在线调整效果。在模型旋翼试验台换装电动变距拉杆代替原有普通拉杆，在风洞中进行悬停、前飞状态试验，利用振动传感器测量试验台振动值，获得电动拉杆变化前后的振动数据。

2.2 试验设备与状态

本试验主要由动力系统、机械系统、测试系统以及控制系统等搭建而成，其中试验振动数据是由三轴振动传感器测得，传感器布置方在旋翼试验台主轴上，试验台转速由光电传感器反馈获得。系统构成图如图3 所示。

图3 系统构成图

试验中旋翼系统的主要参数如表2 所示。

表2 旋翼系统主要参数

为了获得不同飞行状态下电动变距拉杆的气动不平衡调整效果，在旋翼转速880 r/min 转速下每个飞行状态进行了电动变距拉杆固定状态和电动变距拉杆作动状态下的振动数据获取试验。试验状态如表3 所示。

表3 电动变距拉杆和普通拉杆对比

2.3 结果与分析

2.3.1 试验数据处理

时域图为旋翼旋转1 圈的振动信号通过滑动平均处理得到的，而旋翼旋转1 圈的振动信号则是由旋翼旋转80 圈的振动数据平均处理后得到的。频域图为状态稳定时，10 s 的时域信号通过傅里叶变换得到的幅频图。

2.3.2 悬停状态1 下电动变距拉杆调整效果分析

图4 和图5 分别为悬停状态1 下试验台3 个方向的振动信号时域和频域图。其中，从时域图可以看出拉杆调整前后，时域数据对比不是很明显，在某些方位略有降低，某些方位略有升高，这可能是由于拉杆调整前后，气动不平衡的相位发生改变。从频域图可以看出，在拉杆调整前后，试验台3 个方向的一阶振动信号降低较为明显，航向一阶振动降低了49%左右，垂向一阶振动降低了56%左右，侧向一阶振动降低了48%左右。

图4 悬停状态1 试验台振动时域图

图5 悬停状态1 试验台振动频域图

2.3.3 悬停状态2 下电动变距拉杆调整效果分析

为了进一步验证电动变距拉杆调整效果，在悬停状态1 的基础上，通过改变桨毂配重，来改变试验台初始振动状态，验证不同振动初始状态下的调整效果。图6 和图7 分别为悬停状态2 下试验台3 个方向的振动信号时域和频域图。从时域图可以看出，悬停状态2时试验台3 个方向的振动时域信号与悬停状态1 的时域信号不同。此外，从频域图也可以看出，悬停状态2下试验台3 个方向的一阶振动幅值不同，其中侧向振动幅值相差0.05 ⅠPS 左右。在拉杆调整前后，试验台3个方向的一阶振动信号降低较为明显，航向一阶振动降低了43%左右，垂向一阶振动降低了53%左右，侧向一阶振动降低了41%左右。

图6 悬停状态2 试验台振动时域图

图7 悬停状态1 试验台振动频域图

2.3.4 前飞状态下电动变距拉杆调整效果分析

图8～图11 分别为2 种前飞状态下的试验台3 个方向的振动数据时域图和频域图。从图中可以看出，前飞状态下试验台3 个方向的五阶振动幅值比悬停状态大很多，但是并不影响验证电动变距拉杆调整效果，由于各片桨叶的安装角或扭转变形的不相等，引起的振动成分主要是一阶振动值。

图8 前飞状态1 试验台振动时域图

图11 前飞状态2 试验台振动频域图

从2 种前飞状态数据结果可知，电动变距拉杆调整效果较好，前飞状态2 下的调整效果较前飞状态1下的3 个方向振动调整效果好。原因可能是前飞状态1 总距较小，各片桨叶差异不大。前飞状态2 下在拉杆调整前后，试验台3 个方向的一阶振动信号降低较为明显，航向一阶振动降低了38%左右，垂向一阶振动降低了66%左右，侧向一阶振动降低了51%左右。

图9 前飞状态1 试验台振动频域图

图10 前飞状态2 试验台振动时域图

3 结论

通过模型旋翼试验验证了电动变距拉杆气动不平衡在线调整效果，主要结论如下。

通过在线调整电动变距拉杆，在4 种试验状态均实现了旋翼试验台3 个方向一阶振动幅值的降低，航向一阶振动最大降低了49%左右，垂向一阶振动最大降低了66%左右，侧向一阶振动最大降低了51%左右，表明电动变距拉杆一阶振动在线调整效果较好，验证了电动变距拉杆能够实现旋翼平衡的在线调整。