直升机旋翼锥体与动平衡测量技术研究

摘 要 根据直升机旋翼锥体和动平衡维护工作的重要性，分析了锥体和动平衡测量的特点，得出空中旋翼锥体测量是锥体测量的主要难点、空中动平衡测量是动平衡测量的主要难点。对锥体和动平衡测量的微弱信号高精度数据采集技术、动平衡数字信号分析技术、频闪仪测量锥体高精度跟踪测量技術和光学传感器测量锥体数字处理技术等4个关键技术进行了研究，提出了解决方向。并对进一步的研究发展给出了建议。

【关键词】旋翼锥体测量 动平衡测量 直升机

直升机旋翼锥体和动平衡一直是直升机生产、使用、维护等过程中的重要检查项目之一。长期以来，研究人员一直在努力研究如何减少直升机的振动水平。直升机的振源主要有旋翼系统、发动机和传动部件等，其中，旋翼是影响直升机振动的最主要因素之一。由于旋翼是直升机减振的关键部件，旋翼桨叶锥体和桨叶动平衡调整的结果直接影响到直升机振动水平的大小，它对直升机的寿命、飞行性能、安全性、舒适性各方面都起着决定性的作用。因此，研究调整旋翼桨叶锥体和桨叶动平衡的方法是降低直升机振动水平、改善直升机振动环境、提高直升机飞行品质的有效途径。但首先需要精确测量直升机旋翼的锥体和动平衡值，只有取得准确的锥体和动平衡数据，才有可能研究和实施降振方法和措施。因此直升机旋翼锥体和动平衡的测量是直升机设计和维护保障工作中的重点研究课题之一。直升机旋翼锥体和动平衡测量设备的常见架构见图1所示。

1 锥体和动平衡测量特点和难点

现有直升机尤其是新研制的直升机在性能和乘员舒适性方面考虑得越来越多，对直升机的减振水平要求越来越高。按照现有直升机维护的要求，锥体和动平衡检查工作通常需要在地面慢车、地面大车、无地效悬停、有地效悬停、低速前飞、中速前飞和高速前飞共7种飞行状态下进行检查；某些新型的直升机的性能要求更高，提出需增加转弯、倒飞、侧飞和爬升四种状态的动平衡检查要求。从以上各种锥体和动平衡检查状态可看出，直升机锥体和动平衡检查的状态多，大体上可分为地面检查和空中检查两种状态。

地面锥体检查时，旋翼锥体受外界风的影响较大，当存在不确定的外界风力作用时，旋翼的锥体会出现较大的偏差变化。采用频闪仪测量旋翼锥体时，可通过长时间的观察识别出偏差的锥体；采用传感器数字化测量时，通常通过采用数字滤波和平均的方法可得到较好的效果。

地面动平衡检查时，由于旋翼不带总矩，旋翼系统的运行与常规的机电设备类似，其动平衡信号比较平稳，测量相对较为简单，可采用相关分析方法进行分析，测量结果相对较好。

空中旋翼锥体测量是锥体测量的主要难点。空中旋翼锥体状态受外界风和操纵影响很大，锥体变化可能会很大。采用频闪仪测量旋翼锥体时，有时甚至突然出现靶标超出观察视野的情况；采用传感器数字化测量时，测量到的锥体可能会突然发生变化，导致锥体多次测量的重复性很差，这种情况下，为了得到更好的测量结果，需要进行更复杂的数字信号处理过程。如果得不到准确、可靠的锥体测量值，直升机维护人员就难以判断锥体的准确状态。

空中动平衡测量是动平衡测量的主要难点。直升机在空中运行时不同于一般以地面为支撑面运行的机械设备，其支撑点为旋转的旋翼，而旋转的旋翼是柔性的，并不特别稳定，其受操纵、外界风、旋翼本身性能等影响。导致动平衡测量时会存在多种复杂且不稳定的振动信号，一般存在大量的偶然出现的非平稳低频信号，严重干扰运行在低频段的旋翼动平衡信号，且干扰难以得到抑制。为了获得准确的动平衡值，这就要求后端的测量分析功能非常完善，能从各种复杂的动平衡信号中提取出有用信号，能适应各种环境和干扰造成的影响。

2 锥体和动平衡测量关键技术及解决方法

2.1 微弱信号高精度数据采集技术

在直升机锥体和动平衡测量时，动平衡的振动信号是微弱信号。为同时满足直升机其他振动测量的维护需要，直升机锥体和动平衡测量分析设备通常的最大测量范围会达到20IPS，精度为0.01IPS，直升机旋翼和尾桨动平衡的幅值超标门限通常在0.20IPS附近。为使传感器尽量减少对被测体的影响，同时受安装空间和安装位置的限制，通常振动传感器只能选择体积较小的速度型振动传感器，这就决定了传感器的输出灵敏度不会很大，通常会在20mV/IPS左右。因此，为得到0.01IPS精度的测量，传感器的输出只有大约200μV。这么微弱的信号采用通常的数据采集电路设计，往往难以保证采集的精度，甚至出现数据错误。

需要采用适应微小振动信号的高精度电路拓扑结构，通过对微小振动信号的传输过程、滤波电路、放大调理电路和模数转换电路等进行优化设计和分析计算，解决直升机动平衡微弱信号的高精度采集难题。

在传感器信号的传输上，采用差分形式传输，电缆采用双绞屏蔽电缆，大幅度减少外界电磁干扰。在电路的前端设置射频滤波电路，滤除信号电缆上的共模射频干扰和差模射频干扰，消除放大电路产生直流失调误差的射频干扰。信号的放大采用仪表放大器进行放大，仪表放大器具有超过100dB的共模抑制比，具有高达10GΩ的输入阻抗，可提高信号的准确获取能力。采用多级滤波器进行信号的滤波，滤除电缆、导线、电源等各部分引入的高频干扰，利用集成滤波技术减少电路的复杂度。采用较高分辨率的模数转换器，至少采用16位或24位精度的模数转换器，以高精度、准确获取被测信号。

2.2 动平衡数字信号分析技术

理想情况下，动平衡测量时，振动传感器的输出应该是含有各振动频率的谐波的合成信号。实际工作中波形受直升机运行性能、外界风力、直升机操纵等方面的影响，波形中会包含随机脉冲干扰，尤其是大幅值低频随机信号的干扰，导致空中动平衡的信号非常复杂。采用频谱分析技术进行分析可以发现频谱不稳定，这直接反映采用傅立叶变换及引申的方法难以准确、快速地获取直升机桨叶的真实不平衡值，难以得出准确稳定的动平衡值。

常用的动平衡分析技术均采用快速傅立叶变换或其引申的技术，而这种方法对于直升机空中动平衡获得的不稳定信号很大程度上是不适应的。通过大量的直升机数据分析和数据仿真验证，采用时域的处理方法是再合适的处理方法，通过时域数字跟踪窄带滤波的方法，根据采集到的动平衡信号进行复杂度识别自动选取合适的判定阀值，可快速、准确地获得直升机地面、空中各状态的动平衡值。

2.3 频闪仪测量锥体高精度跟踪测量技术

采用频闪仪测量直升机旋翼锥体的原理是：频闪仪按照当前桨叶转速×桨叶片数的倍频率发光，依靠人眼的视觉延时，根据各片桨叶靶标的反光余辉，判断锥体的状态。为了能清晰、稳定地看到每片桨叶的靶标，需要频闪仪闪光的频率非常稳定，当频闪仪闪光的频率间隔相对桨叶转速绝对稳定是，所看到的桨叶靶标就是静止的。在设计的系统中，由于转速采集的滞后、软件指令的延时、频闪仪驱动延时等原因会导致频闪仪的闪光频率会出现波动。通常波动范围需要控制在纳秒级，当波动范围太大时，无法跟踪到桨叶靶标。

通过提高测量时观察效果的稳定度来提高频闪仪测量锥体的精度，主要有以下方法：

（1）采用高响应速度的频闪仪；

（2）采用反光效果好的反光纸；

（3）提高当前转速的测量精度；

（4）提高转速分频信号的计算速度。

2.4 光学传感器测量锥体数字处理技术

目前成熟的光学测量锥体的传感器有UTD、FasTrak和Optical Tracker。其工作原理均为在直升机旋转时采用光学的方法被动感知桨叶经过锥体传感器上方变化的光信号，通过几何运算得出每片桨叶的高度值，进而得到直升机的锥体。

由于光学传感器设计的特性，其工作时对变化的光信号均认为是直升机锥体信号，会转换为数字信号传输给采集设备，这就导致在实际的测量过程中可能会出现严重的干扰现象。甚至可能出现传感器灵敏度或响应速度的问题导致偶然丢失正常的锥体信号或出现测量结果完全错误。针对该特点，为获得准确、稳定的数据，经大量研究，目前的主要方法是先建立某个型号直升机的锥体信号模型，采集二周以上的锥体信号，再进行模型匹配，然后采用滤波、平均等技术来处理锥体信号，最终计算出锥体值。

现有的数据处理方法，需要较多的锥体数据，导致单次测量需要较长的时间，而为了确认测量结果的准确性，通常情况下还会通过采用多次重复测量的方法来检验测量结果的一致性，这样所需要花费的时间更长。通过转速跟踪，实时分析检判旋翼每一周采集到的锥体数据的有效性，实时剔除采集到的异常数据，这样可根据测量的需要，当采集到有效周期数量的锥体数据时，即可进行锥体的计算，解决锥体测量时采用的数据提取、分析和滤波方法存在的不足。

3 结论

目前，国内在直升机锥体和动平衡测量技术方面的研究范围较广，但研究理论较分散。经过多年的积累，已在多个方面有一些尝试，在理论方面有一定的突破，在研究范围上与国外已逐渐接轨，但这些技术绝大部分均停留在单个理论研究层面，未能进一步深入研究转化为成熟、可靠的市场化产品。建议重点在产品设计实践和产品的试验验证等方面开展研究。

参考文献

[1]商春雪.基于Wi-Fi的直升机旋翼锥体测量系统研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[2]李新民，等一种新型的直升机旋翼锥体和动平衡仪[J].第二届中国航空维修工程学术研讨会，2005（10）.

[3]邓景辉，等.直升机旋翼锥体与平衡调整方法研究[J].直升机技术，2004（01）.

[4]王强，等.基于Model 2020的直升机旋翼锥体及动平衡技术研究[A].航空维修与工程，2009（06）.

[5]雷运洪，等.直升机旋翼锥度测量技术[J].第十九届全国测控、计量、仪器仪表学术年会，2009（11）.

[6]杨宁，等.微弱信号高精度数据采集技术研究[A].现代电子技术，2013（09）.

作者简介

彭德润（1984-），男，湖南省宁乡县人。现为中航工业上海航空测控技术研究所第二研究室副主任、上海交通大学工程硕士在读、中航工业故障诊断与健康管理航空科技重点实验室研究员、工程师。主要研究方向为直升机综合测试与故障诊断技术。

孙灿飞（1979-），男，湖南省岳阳市人。硕士学位。现为中航工业故障诊断与健康管理航空科技重点实验室研究员、中航工业上海航空测控技术研究所副总工程師、高级工程师。主要研究方向为综合保障技术。

何泳（1977-），男，河南省洛阳市人。硕士学位。现为中航工业上海航空测控技术研究所副所长，研究员。主要研究方向为综合测试及维修保障技术。

作者单位

1.上海交通大学 上海市 200240

2.中航工业故障诊断与健康管理航空科技重点实验室 上海市 201601

3.中航工业上海航空测控技术研究所 上海市 201601