某型机仪表板振动过大的分析及验证

苏 越

中国飞行试验研究院飞机所,陕西 西安 710089

1 概述

某型机在某架次颤振试飞应用颤振激励系统（FES）对副翼进行激励过程中，试飞员发现仪表板振动过大，严重影响判读，因此将激励切断后返航。在仪表板处装有一法向振动加速度传感器，其振动信号成为排故的主要依据。由于在所关注时间段采用FES进行扫频激励，振动加速度信号的主要频率也随之变化，因而是非平稳的。传统的频谱分析无法给出信号的频谱随时间变化的规律[1]，此时需进行时频分析。故本文运用时频分析方法进行数据处理，为振动排故提供帮助。

此外，为摸清仪表板的固有频率特性，进行了一项地面试验，结合飞行数据分析了仪表板振动过大的原因。之后采取了一些措施并进行了飞行试验验证，使得后续试飞能够安全、顺利进行。

2 飞行试验数据分析

根据试飞任务单，该架次计划在高度Hp=6km,马赫数M=0.6用FES对副翼进行激励（1～25Hz扫频，幅值为0.6°）。在执行该动作过程中，由于仪表板振动过大，扫到21Hz时，试飞员切断激励。图1即为该过程中FES信号的时频分析及时间历程。图中的横轴均为时间轴，时频分析纵轴为频率，时间历程纵轴为FES信号的幅值。可以看出，在人工切断之前，施加的FES激励是正常的。

图1 FES信号时频分析及时间历程

图2 仪表板法向振动时频分析及时间历程

图4 仪表板法向振动时间历程及频谱分析

对仪表板法向振动加速度分别进行时频分析和频谱分析，如图2和图3所示。

图2的时频分析图展示了此过程中振动频谱及振动水平的变化情况，图中的横轴为时间，纵轴为频率，图中用冷色到暖色的变化反映振动水平的增大。激励频率扫到17.5Hz后，仪表板法向振动开始明显增大，振动水平最大时对应的激励频率为19Hz，之后时频图中的振动水平和时间历程图中的幅值都逐渐减小，人工切断后，振动恢复正常。如图3所示，最大振动水平在频率19Hz处，幅值为0.18g。

3 仪表板固有频率特性地面试验

为摸清仪表板固有频率特性，进行了一次地面试验。分别对仪表板不同方向进行多次激振。将振动信号记录、分析后，得到了仪表板的不同方向的固有频率，如图4和图5所示。得到的仪表板法向固有频率为20.5Hz，仪表板垂向固有频率为18Hz。

4 综合分析和采取措施

图3 仪表板法向振动时间历程及频谱分析（振动过大段）

图5 仪表板垂向振动时间历程及频谱分析

综合对飞行试验和仪表板固有频率特性地面试验进行分析，认为仪表板振动过大是由于在FES扫频过程中，经过了仪表板固有频率所在的频段引起了仪表板的共振。而实际上在此架次之前，曾在飞行试验中应用FES系统对副翼进行过10Hz～20Hz的扫频，幅值也仅为0.4°，在此情况下飞行员并未反映有振动过大现象。因而需考虑本架次扫频范围的扩大和激励幅值增大两方面都可能引起此振动过大。在后续试飞中采取了以下措施：

(1) 机务人员认真检查了仪表板的安装状况，发现总体安装紧固良好，只是个别垫片有破损，故进行了更换。

(2) 针对仪表板仅存在法向振动传感器的情况，在其它两个方向也加装振动传感器，并在试飞中进行实时监控。

(3) 由于减小扫频范围将难以满足颤振试飞的需求，故在验证试飞中，只降低FES的激励幅值。一方面在飞行中观察是否还存在振动过大现象，另一方面在飞行后通过数据处理看是否满足颤振试飞的要求。

图6 仪表板法向振动时频分析及时间历程

图7 仪表板侧向振动时频分析及时间历程

图8 仪表板垂向振动时频分析及时间历程

5 飞行试验验证

采取了上述措施后，在验证试飞中，在高度Hp=6km,M=0.6用FES对副翼进行激励（1Hz～25Hz扫频，幅值为0.5°和0.55°）。飞行后飞行员认为振动水平可接受，颤振课题对数据处理后认为，降低FES系统激励幅值后，亦可满足试飞需求，后续试飞得以安全、顺利进行。

在该架次飞行中，仪表板三个方向都加装的振动加速度传感器，对振动数据进行了处理和分析。FES激励幅值0.5°和0.55°的情况类似，只是振动水平略小。以下以幅值0.55°的情况进行说明（图6，图7，图8）。

图6～8分别为仪表板法向、侧向、垂向振动的时频分析图。可以看到，随着FES激励频率的增大，在19Hz仪表板法向最先达到最大振动水平，然后迅速减小。而垂向和侧向振动继续增大，直到20.5Hz达到最大后迅速减小。从时间历程看，仪表板垂向振动最大，其次为侧向，而法向最小。

因此，在上一架次飞行试验中仪表板上先后有两个波次的振动：法向振动和垂向振动。飞行员所感受的“振动过大”主要为扫频到20.5Hz时仪表板垂向达到的最大振动水平令飞行员不可接受，且此时侧向振动也很大，这两个方向的振动严重影响了飞行员的判读。这正是直到扫频到21Hz时（仪表板垂向振动最大点附近）飞行员才将FES激励切断，而不是在19Hz时（仪表板法向振动最大）的原因。

6 结束语

在飞行试验中，飞机结构、设备和人员处的振动故障经常出现。通过有效的数据分析方法和合适的地面试验，为振动排故给出原理分析和改进措施，对于型号试飞的顺利开展是极为重要的。本文应用时频分析的方法对振动数据进行分析处理，展示出仪表板振动过程中频谱的演化情况。为摸清仪表板固有频率特性，安排了一次地面试验。采取一系列改进措施后进行了验证试飞，最终得出了仪表板振动过大现象的原因。验证试飞通过降低FES激励幅值，找到了兼顾飞行员的驾驶要求和课题试飞需求的更为合理的试飞方法，使得后续试飞得以安全顺利的开展。

[1] 丁玉美，阔永红，高新波.数字信号处理——时域离散随机信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版社,2002