某型直升机空中低频振动原因分析及问题处理

郑坤 薛晨 吕一鸣 周圣宏

摘 要：【目的】通过低频振源频率分析和机载振动监测系统监测来研判直升机的低频振动问题，为同类问题的分析与处理提供一定的参考。【方法】对某型机主旋翼1 Ω振动、主尾旋翼形成的拍振和传动链扭振进行振动机理分析，结合振动数据进行判读。【结果】从主桨振动和主桨锥体两个方面改善主旋翼1 Ω振动，从基础频率、振动水平和飞行姿态三个方面改善主尾旋翼形成的拍振，从旋翼、传动、动力三个系统及飞行姿态等方面改善传动链扭振。【结论】直升机振动故障排除需要通过振动的表象结合数据分析找到故障的根源，改善直升机振动问题，进一步保证飞行安全。

关键词：直升机；振动；飞行振动数据；使用维护建议

中图分类号：V217.33      文献标识码：A         文章编号：1003-5168（2023）10-0044-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.009

Abstract：[Purposes] Through the frequency analysis of low frequency vibration source and the monitoring of airborne vibration monitoring system， the low frequency vibration problem of helicopter is analyzed and judged， which provides some guiding significance for the analysis and treatment of similar problems. [Methods] Through analyzing the vibration mechanism of the 1 Ω vibration of the main rotor and the beat vibration formed by the main tail rotor and the torsional vibration of the transmission chain of a certain type of aircraft， and combing with the vibration data， relevant analysis was made. [Findings] The 1 Ω vibration of the main rotor was improved from the two aspects of the main rotor vibration and the main rotor cone. The beat vibration of the main and tail rotor was improved from the three aspects of basic frequency， vibration level and flight attitude. The torsional vibration of the transmission chain was improved from the three systems of rotor， transmission， power and flight attitude. [Conclusions] Helicopter vibration troubleshooting needs to find the root cause of the fault through the appearance of vibration combined with data analysis， improve helicopter vibration， and further ensure flight safety.

Keywords：helicopter; vibration; data of vibration during flight; maintenance suggestion

0 引言

低频振动对人体的危害主要是精神方面的刺激和身体功能的下降。直升机因其独特构型，容易出现低频振动类问题。国外某些直升机型号（如NH90、EH101及“科曼奇”）在试飞初期曾出现过“Tail shake /Buffet”低频振动问题；国内有关型号加装测试设备后在试飞过程中也多次出现过低频振动问题 ［1-2］。

1 典型故障描述

某型国产直升机在飞行过程中，部分架次容易出现低频振动现象，机身出现异常的低频振动，飞行员反馈存在明显体感晃动，影响飞行任务执行。

2 原因分析和问题处理

2.1 故障发生原因

飞行员反馈现象为直升机空中低频振动。该型机的主要低频振动源频率，见表1［3］。

人体多个部位都有固有频率，关键部位的固有频率在0～60 Hz，见表2。长时间处于低频振动的环境中会引起人体不适，甚至会导致灾难发生［4］。

初步判定低频振动的主要影响频率有以下三类。①主旋翼1 Ω转速频率5.1 Hz；②主旋翼5 Ω转速频率25.5 Hz和尾旋翼1 Ω转速频率26.8 Hz形成的1.3 Hz拍振；③传动链扭振固有频率2.7 Hz。直升机机体低频振动原因分析如图1所示。

对主要低频振动源频率进行综合分析，以某架机的低频振动故障为例，基于飞行振动数据和振动机理，从以下三个方向开展故障排除工作，并给出日后直升机使用维护建议。

2.2 主旋翼1 Ω振动

2.2.1 振动机理分析。主桨叶在出厂前进行过静平衡与动平衡检查，但主桨毂没有进行平衡检查。由于主桨毂的制造和安装偏差及其他因素的影响，主旋翼的锥体和平衡会出现一定的偏差。对主旋翼进行锥体和动平衡检查调整，将主旋翼桨尖锥度差、水平方向和垂直方向的振动水平控制在一定范围内，以满足整机的振动要求。为降低直升机振动，确保飛行安全，要定期对主旋翼系统进行动平衡调整［5］。该型机的主旋翼额定转速为306 r/min，主旋翼1 Ω转速频率为5.1 Hz，直升机试飞过程中主桨振动或主旋翼锥体不好时，均会导致一定程度的低频晃动，引起人体不适。

2.2.2 振动数据判读。5.1 Hz振动水平变化趋势如图2所示。从图2可以看出，该架机的主旋翼振动水平较低，在0.005 g左右，均在要求范围内，无须进行调整优化工作。

2.2.3 使用维护建议。根据主旋翼1 Ω振动的机理分析和以往维护经验，主要从以下两个方向来改善该型机的主旋翼基振。①主桨振动优化。包括调整主桨毂配重、更换主桨叶、更换主桨阻尼器、更换主桨毂；②主桨锥体优化。包括调整变距拉杆的长度、调整主桨叶后缘调整片的角度。

2.3 主尾旋翼形成的拍振

2.3.1 振动机理分析。拍频振动现象常出现在回转机械振动中，产生原因是该型直升机25.5 Hz和26.8 Hz频率比较靠近［6］，当这两个振动的振幅相等或相近时，就会形成一种合成的振动，即“拍”。人体实际感受到的应为两个合成振动的外轮廓，其频率应该为主旋翼5 Ω转速频率和尾旋翼1 Ω转速频率相减的1.3 Hz振动。此时，拍振频率为1.3 Hz，振动周期较长，人体感受到明显的振动起伏。典型拍频振动波形如图3所示。

2.3.2 振动数据判读。改变尾桨红色变距拉杆长度来改善尾桨Y向振动，水平变化趋势如图4、图5所示。从图4、图5可以看出，2022年6月后，26.8 Hz尾桨Y向振动振幅较之前有显著下降（由0.35 g左右下降至0.15 g左右）；同时，1.3 Hz拍频振动振幅也显著下降（由1.00 g左右下降至0.40 g左右），人体的振动感受有明显下降。

2.3.3 使用维护建议。根据主尾旋翼拍振的机理、振动数据和以往维护经验，若要改善该型机的拍振现象，主要从以下三个方面开展工作。①基础频率更改。更改主旋翼5 Ω和尾桨1 Ω的频率，增大两者之间的频率差。成品技术状态调整，旋翼、传动、动力等系统的更改（涉及的系统较多而且会影响全机主要性能指标，不建议轻易调整）；②振动水平优化。增大主旋翼5 Ω和尾桨1 Ω频率下的振幅差，改变驾驶舱内两频率的振幅：调整主旋翼锥体和动平衡、调整尾旋翼动平衡、调整尾旋翼变距拉杆长度、更换尾桨叶等旋翼部件；③飞行姿态更改。拍频现象与主尾旋翼转动的固有倍频的振幅相关，而主尾旋翼转动的固有倍频与飞行姿态息息相关，因此当座舱出现拍频振动时，可以尝试操纵直升机改变当前飞行状态进而改善拍频现象。

2.4 传动链扭振

2.4.1 振动机理分析。机械扭振系统由直升机旋翼、尾桨、动力传动系统和发动机组成，通用名称为传动链扭振系统。该系统承受旋翼、尾桨交变扭矩的激励。旋翼、尾桨、动力传动系统、发动机等旋转部件构成一个耦合扭振动力学系统，动力传动链扭振系统是与发动机的电调、燃调控制系统耦合在一起的。因此，现代直升机传动链扭振问题本质上是直升机机械扭振系统与发动机的电调、燃调控制系统的耦合动力学稳定性问题，如图6所示［7］。

该型直升机在科研阶段进行地面动力传动链扭振固有频率试验（地面开车时反复提放总距进行激励），实测动力传动链的扭振固有频率是2.7 Hz，并通过扭振稳定性试验验证该型机动力传动链稳定性满足要求［8］。

2.4.2 振动数据判读。2.7 Hz振动水平变化趋势如图7所示，2.7 Hz振动最长持续时间如图8所示。由图8可以看出，动力传动链扭振现象在每个飞行场次均持续存在。

2022年8月，更换两台发动机后开展新的试飞验证工作，对比结果如图9和图10所示。进一步对发动机主要参数进行分析和对比，结果见表3，换发后发动机主要参数的波动情况均有明显改善。

2.4.3 使用维护建议。根据传动链扭振的机理、振动数据和以往维护经验分析，改善该型直升机的扭振现象主要从以下四个方面开展工作。①旋翼系统优化。優选主旋翼阻尼器，增大机械阻尼性能；优化主旋翼振动、锥体，增大气动阻尼性能。②传动系统优化。通过优选传动系统关键部件和重要部件，改善传动系统连接性。③动力系统优化。优选发动机，改善振动激励源。④飞行姿态更改。操纵直升机改变当前状态，保持总距杆驾驶杆稳定，并轻微握杆驾驶直升机改变当前飞行姿态；拨动发动机配平开关，直升机若出现低频振动，由“扭矩配平”改至“温度配平”。

3 结语

直升机构型和工作原理独特，加之旋转部件多，飞行过程中的影响因素也相对较多，因此直升机比固定翼飞机振动水平要高。在对直升机振动故障进行排除时，只有通过振动的表象结合数据分析，才能找到故障根源，从而保证飞行安全。工作人员对异常频率的振动、特定频率振动幅值突变等情况要高度重视，对振动问题要甄别异常现象，并结合该型直升机主要的振源频率专业判断飞行数据，锁定振动来源开展排故工作，并总结经验，提出合理的使用维护建议，进而提升直升机构可靠性和延长使用寿命［8-9］。

参考文献：

［1］倪先平.直升机手册［M］.北京：航空工业出版社，2003.

［2］陈池礼.浅析直升机振动故障的排查［J］.航空维修与工程，2017（10）：77-10.

［3］苏世伟，秦亮，陈春源，等.某型直升机振动故障研究［J］.长沙航空职业技术学院学报，2021（3）：23-26.

［4］戴思亮，王波.人体振动模态的实验研究［J］.力学与实践，1996（1）：19-22.

［5］于懿源.浅谈某型直升机旋翼锥体及动平衡调整方法［J］.科技创新与应用，2017（23）：6-7.

［6］赵晴，贾民平，黄跃光.回转机械振动中的拍频分析［J］.东南大学学报（自然科学版），2003（3）：312-315.

［7］郑坤，连林樱，薛晨，等.某直升机空中低频筛动故障分析［J］.新技术新工艺，2022（5）：71-76.

［8］柳文林，穆志韬，段成美.直升机振动与减振特性分析［J］.海军航空工程学院学报，2004（5）：533-536.

［9］沈安澜，刘续兴，王文涛，等.某型直升机驾驶舱振动问题的分析与处理［J］.中国科技信息，2018（12）：31-33.

收稿日期：2022-10-17

作者简介：郑坤（1991—），男，硕士，工程师，研究方向：试飞技术。