某型直升机异常振动问题分析

2022-06-22张好府刘东亮沈安澜

直升机技术 2022年2期

张好府，刘东亮，张强，沈安澜

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001；2.解放军65529部队，辽宁辽阳 111000)

0 引言

直升机振动问题伴随着直升机的诞生就一直是困扰直升机发展的重要问题。直升机振动水平偏高将直接影响机载设备的寿命、结构的可靠性以及乘员的驾乘舒适性，因此用户以及直升机设计师对于直升机振动问题关注度较高。随着直升机的不断发展，用户对于直升机振动问题的关注度越来越高，相应的振动要求也越来越高，但是由于直升机独特的构型和特点决定了直升机振动问题复杂，解决直升机振动问题仍然是困难重重。相关文献的数据以及直升机飞行振动实测数据表明，直升机具有振源多，频率分布范围宽的特点，因此直升机振动测试结果的准确性将直接影响直升机振动问题的分析和定位。

某型机在外场飞行中机体出现了异常振动。本文通过机理分析、飞行振动对比测试等手段，对该振动问题进行分析，确定该异常的低频振动信号产生是一种频率混叠现象。频率混叠是数字信号处理中的一种特有现象，本文依据频率混叠形成机理，并结合测试和分析结果提出了相应的解决措施，经飞行验证解决措施有效。文章进一步验证了该异常振动信号系因测试系统抗混叠滤波性能不佳导致出现信号频率混叠，为后续直升机振动测试中对于异常振动信号的分析和处理提供分析和解决思路。

1 振动问题描述

某型机在外场飞行过程中，通过飞行振动数据分析发现机体主要测点均检测到42 Hz异常振动信号，由于现场无法确认该异常振动信号的来源，导致该机无法正常开展飞行活动。机体主要测点实测100 Hz以内振动数据分析结果表明：驾驶舱振动以旋翼一阶通过频率下的振动为主；中减处振动主要以尾桨一阶通过频率和尾桨的转速频率下振动为主；尾减处振动主要以旋翼一阶通过频率和尾桨的一阶通过频率下振动为主。主要位置的数据均正常，只是在不同位置测点均测到振幅不同的42 Hz振动信号，如图1所示，表明机载振动测试系统确实采集到了42 Hz异常振动信号。

图1 机体主要测点典型频谱图

2 飞行振动数据分析

针对该机出现42 Hz异常振动信号问题，为了确定该异常振动来源，基于机载振动测试系统飞行振动数据分析结果，通过加装高采样率振动测试系统(简称加装设备)，并相应增加振动测点数量，开展对比飞行振动测试，进行进一步分析确认。

2.1 机载系统数据分析

对机载振动测试系统数据进行分析，结果如图2和图3所示。根据42 Hz连续谱分析结果，并结合图1主要测点频率分析结果，该机主要测点均测到机体存在42 Hz异常振动且以中减处最大，同时该42 Hz异常振动的振幅随着飞行状态不同产生较大的变化。时频曲线显示，42 Hz的振动频率会出现频率波动的现象，频率波动范围基本处于38 Hz～50 Hz之间。

图2 中减42 Hz连续谱曲线

图3 中减测点时频曲线图

2.2 飞行振动对比测试数据分析

该型机主要激励频率并不包含42 Hz，但机载振动测试数据显示机体存在42 Hz振动，而且中减处振动幅值相对较大。为了确定42 Hz振动的来源，在该机上加装一套高采样率振动测试系统，并相应增加测点与机载振动测试系统，进行飞行振动对比测试。结果如表1以及图4-图8所示。

表1 典型状态下1066 Hz各测点幅值对比

图4 中减100 Hz以内频谱曲线(加装设备)

两套不同振动测试系统对比飞行振动测试结果表明：①机载测试系统测到机体存在42 Hz振动，但加装设备的测试结果表明机体不存在42 Hz振动，如图4-图5所示；②中减处机载系统测试的42 Hz振动连续谱曲线与加装设备测试的42 Hz曲线变化趋势不一致，如图6和图7所示；③根据加装设备的测试结果，机体存在1066 Hz振动，并且将机载系统测试的42 Hz振动连续谱曲线与加装设备测试得到的1066 Hz振动连续谱曲线对比发现，两者变化趋势基本一致，如图7和图8所示；④不同位置处1066 Hz振动水平对比结果表明，相比其他位置，中减处1066 Hz振动水平相对偏大，如表1所示。

图5 中减100 Hz以内频谱曲线(机载设备)

图6 中减42 Hz连续谱曲线(加装设备)

图7 中减42 Hz连续谱曲线(机载设备)

图8 中减1066 Hz连续谱曲线(加装设备)

3 原因及机理分析

基于两套振动测试系统的对比测试数据分析结果：机载系统测试的42 Hz振动连续谱曲线与加装设备测试的1066 Hz振动连续谱曲线的变化趋势基本一致。同时对机载测试系统测试的数据进行时频图分析时显示，中减处42 Hz振动信号频率存在大幅波动的情况。因此，初步判断该机42 Hz异常振动是由于机载测试系统抗混叠滤波性能不佳导致测试结果出现频率混叠现象，从而将1066 Hz振动误采集为42 Hz振动。

频率混叠是数字信号处理中的一种特有现象。在进行数字化测量采样时，需要对信号进行离散采样。正因为离散采样，造成采集的信号在其时域和频率产生混叠，凡是等步长离散采样一定会产生“混叠”现象，从而导致产生假频率和假信号，严重影响测量结果。在工程上也曾多次因为频率混叠导致数据结果出现假频率和假信号的情况。

如图9所示，当采样频率与原始信号频率一样时，其采集得到的信号频率为0 Hz；当采样频率等于原始信号频率的两倍时，其采集得到与原始信号频率和幅值相同的三角波信号；当采样频率小于原始信号频率的两倍时，其采集得到的信号就会产生混叠，得到一个低频的假信号。

图9 离散采样的信号混叠原理

根据相关文献以及频率混叠机理，分析信号频率混叠后的混叠频率计算公式如下：

混叠频率

=|-|

(1)

该机中减处存在1066 Hz振动信号，由于机载测试系统采样率为1024 Hz，根据混叠频率计算公式(1)，计算得到混叠后的频率为42 Hz，与实测结果一致。

4 解决措施

根据飞行振动对比测试数据分析结果，结合振动信号混叠机理，确认了该42 Hz异常振动信号产生的原因是机载测试系统因抗混叠滤波性能不佳等原因造成测试结果出现频率混叠现象，从而将高频振动信号误采集为低频振动信号。因此，需要解决采集信号频率混叠的问题。而目前解决测试数据频率混叠现象的主要方法有：

1)提高采样率：提高机载振动测试系统的采样频率，考虑中减的啮合频率，至少需要从现有的1024 Hz提升为4096 Hz；

2)增强抗混叠滤波性能：提高现有机载系统抗混叠滤波的性能，并且适当降低采集系统低通滤波回路中的分析截止频率；

3)改进算法：利用改进后的小波变换算法改进频率分析方法，消除频率混叠的现象。

上述3种改进方法都需要针对机载振动测试系统进行更改，短时间内无法实现，无法满足现场快速处理的要求。根据加装设备测试结果，如表1所示，1066 Hz在中减处振动幅值相对较大，因此结合现场情况决定对该机进行更换中减处理。

5 试飞验证

为了验证更换中减后的效果，开展验证试飞工作,结果如图10-图12所示。验证试飞结果表明：机载振动测试系统42 Hz振动水平大幅下降，并且在频谱上42 Hz频率峰值不明显；而对加装设备测试数据进行频谱分析，1066 Hz振动频率峰值也同样不明显。该机因频率混叠导致出现42 Hz异常振动信号问题顺利解决。