基于科里奥利效应的S-76直升机振动故障分析

2020-04-10周佰正交通运输部北海第一救助飞行队

航空维修与工程 2020年1期

■ 周佰正/交通运输部北海第一救助飞行队

0 引言

当前，在国家政策扶持的大背景下，通用航空产业蓬勃发展，直升机数量不断增加。与固定翼航空器相比，直升机具有更多的旋转部件，从而带来了更多的振动问题。其中主旋翼、尾桨等重要旋转部件的振动问题如不及时处理，轻则影响飞行员操纵，重则对部件造成严重损伤，乃至机毁人亡。因此，机务人员遇到此类故障时，必须引起足够重视。

1 故障现象

S-76直升机为4片主旋翼构型。某次飞行结束后，飞行员反映在悬停飞行阶段直升机主旋翼1P振动过大。目视检查了所有可接近的旋转部件，无损伤发现。对直升机进行振动测试，结果显示主旋翼1P振动值为0.25IPS（Inch Per Second），高于手册门限值0.2IPS，需进行振动调节。

依据振动测试结果，计算机给出了如表1所示的调节方案。该方案要求红色桨叶增加2.8磅的配重，超过了桨叶所能安装的最大配重量。机务人员尝试在红色桨叶上增加1磅配重，主旋翼振动值不降反升，证明直升机存在其他故障，常规的振动调节无法解决该问题。

表1 测试设备给出的配重调节建议

2 科里奥利效应

在旋转体系中进行直线运动的质点因惯性作用，具有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置有所变化，如果以旋转体系的视角去观察原有运动趋势的方向，会观察到沿垂直方向发生了一定程度的偏离，这种偏离即为科里奥利效应。计算公式如下：

其中，F为科里奥利力；m为质点的质量；V′为相对于转动参考系质点的运动速度（矢量）；ω为旋转体系的角速度（矢量）。

3 地面及悬停阶段的旋翼状态分析

如图1虚线所示，直升机地面运转阶段旋翼只产生很少的升力，此时旋翼重心m与主旋翼轴之间的距离为r。悬停时，旋翼需要增大升力，如图1实线所示。在升力的反作用力作用下，旋翼向上挥舞，导致旋翼重心m向主旋翼轴靠近，距离减小为r′。依据科里奥利效应，此时产生了垂直于主旋翼翼展方向的科里奥利力F，导致旋翼出现侧向摆动，如图2实线所示。对于主旋翼数量在2片以上的直升机，这种摆动通常依靠图2中的减摆器加以抑制，避免旋翼摆动幅度过大而对直升机的气动性能及飞行安全造成影响。

图1 地面及悬停状态的旋翼侧视图

4 减摆器对主旋翼振动影响分析

图3为S-76直升机减摆器结构图。该减摆器为液压阻尼式设计，当活塞杆受到拉伸或压缩时，一侧腔内的液压油通过活塞上的小孔高速流入另一侧腔内，通过液压油小孔摩擦产生的阻尼来抑制旋翼摆动。

此类减摆器故障一般有两种类型：

1）减摆器活塞出现内漏或有气体存在，减摆器“偏软”，出现欠阻尼。

2）因阻尼孔被堵塞，减摆器“偏硬”，出现过阻尼。

直升机进入悬停阶段，需要减摆器抑制旋翼摆动。图4所示为发生前述减摆器故障时旋翼的姿态情况，图中虚线为减摆器工作正常时旋翼相对于桨毂的位置。此时，旋翼重心相对转动中心的距离为r。当减摆器处于欠阻尼状态时，旋翼重心向转动中心靠拢，该距离变为r1；反之，过阻尼则远离，距离为r2。由图4可知，显然r2＞r＞r1。

当4片旋翼中只有一片旋翼的减摆器发生故障时，旋翼重心无论靠近或远离转动中心，4片旋翼的合重心位置都不再与主轴的旋转中心位置重合，从而产生主旋翼振动。

5 排故过程

在上述故障的排除过程中，当常规振动调节无法起作用时，机务人员也曾怀疑减摆器出现问题。依据S-76机身维护手册，关车状态下，旋翼刹车锁定后人工摆动旋翼，通过检查翼尖是否存在超过0.5英寸空行程即可判断减摆器是否有进气导致的欠阻尼问题。然而，人工施加载荷与飞行载荷差距过大，导致该检测方法过于粗糙，难以判断减摆器是否正常。为排除因进气导致的减摆器欠阻尼故障，对四个减摆器都进行了排气，但故障现象依旧。

振动测试过程中出现两个现象：地面大车阶段，旋翼1P振动并不明显；随着直升机悬停高度的提升，振动逐渐增大。

根据前面的分析，地面运转时，旋翼不产生摆动，故减摆器对于旋翼重心影响很小。当直升机由地面向悬停状态过渡过程中，科里奥利效应出现。此时，1P振动也同时出现，因此判断该振动可能与科里奥利效应有关，而减摆器作为克服科里奥利效应的关键部件，成为首先怀疑的对象。

接下来的问题是判断4个减摆器中哪个出现问题。根据前文的分析可知：

1）当减摆器处于欠阻尼状态时，r1＜r，对应旋翼重心靠近旋转中心，在测试设备上表现为该桨叶重量不足，振动测试结果为需增加配重。

2）当减摆器处于过阻尼状态时，r2＞r，对应旋翼重心远离旋转中心，在测试设备上表现为该桨叶重量过大，振动测试结果为需在对侧桨叶增加配重。