浅析直升机振动故障的排查

■ 陈池礼/国营锦江机器厂

1 直升机振动的现状

直升机振动的主要原因是由工作原理和设计技术水平所共同决定的。直升机的机身前粗后细、长细比较大,并尽可能减轻结构重量,这就降低了它的刚度；旋翼和尾桨相对厚度较小、长细比较大,工作旋转时形成的气动作用面与机体和水平安定面等共同作用于空气,既形成了飞行所需的气动力,又受到来自空气动力的扰动；传动部件将发动机的高速旋转动能减速传递给旋翼、尾桨和其他需要旋转动能的部件,机械的转动载荷与动不平衡也就产生了相应幅度的振动,因此除了发动机外,旋翼、尾桨和传动部件也是直升机主要的振动载荷源。正是由于这种差异,直升机的振动和噪声问题一直很突出。时至今日,直升机的振动水平仍是衡量直升机先进程度的最主要指标之一。

从1942年西柯斯基公司研制的R-4型直升机投入使用以来,人们一直致力于振动和噪声水平的降低。上世纪60年代以前采用静态设计,振动和噪声水平很高；70年代采用半动态设计,局部考虑了振动与动不稳定性问题；80年代以来大量采用新材料、新结构以及各种振动控制措施,振动水平有所降低。不同时期直升机振动水平及代表机型如表1所示。

振动对机体结构和部件产生应力,缩短使用寿命,影响直升机驾驶和乘坐的舒适程度；过大的振动不仅使乘员感觉难受,飞行操纵困难,而且加速形成对直升机旋转部件的损伤及结构件的磨损、疲劳直至断裂,影响飞行安全。因此,无论是直升机设计制造单位、使用单位还是维修单位,振动都是必须严肃认真对待的问题。

2 直升机振动水平的指标化

虽然振动水平对于直升机来讲非常重要,但是在很多型号的直升机技术资料中都很难发现关于振动的技术指标,更难有关于振动检测和排查的系统性支持资料,即便配装的发动机有振动检查标准,但只能作为台架试车的要求,在装机后对机体的振动却不适用。日常工作中,多是通过人体感知来判断振动的水平,这种判断的误差较大,特别是机组提出振动问题后分析是何种原因引起的就更显不足。

表1 直升机的振动水平与代表机型

直升机上的振动源很多,直升机任何部位、任何时刻的振动都是各振动源共同振动激励在该部位的振动响应结果,其中旋翼振动分量尤其明显。为了认识和查找振动的来源,必须进一步细化识别。根据振动产生的机理,直升机转动部件的振动频率一般与部件的转动速度相关,而直升机上部件的转动速度各不相同,因此可以通过振动频率来识别振动的来源。在机外增加了外挂、吊舱等设备系统的直升机,当直升机飞行速度增大时,相应外挂部位与高速气流之间的作用力与反作用力等引发的额外振动也会部分传递至机身结构,从而导致相应振动,该类振动与直升机的飞行速度密切相关,因而对其的判断排除相对容易。

依据直升机的设计原理,按各部件转动的速度,可分为低速转动部件、中速转动部件和高速转动部件,其对应产生的振动也为三类：低频振动,主要来自于旋翼系统；中频振动,主要来自于尾桨系统；高频振动,主要来自于发动机和高速传动轴。另外,一些固定频率的振动也指向特定转动附件。

除了频率外,直升机振动关注的指标还有振幅和方向,而且这两项指标都应建立在相应的频率基础上,即“X部位：X频率振动的振幅为Y、方向为Z”—— 直升机振动水平的指标化描述,在此基础上建立振动指标,通过具体指标数据评价振动的水平。

3 直升机振动的检测

就目前而言,要降低已有直升机的振动水平是很难实现的,但是通过科学的振动检测,采取必要的修理、调整方法,将直升机振动水平保持在合理的范围内,不降低安全和舒适性还是可行的。

3.1 振动测试采集系统的安装

从直升机振动的原因出发,根据各机型的特点,科学选择振动监测点很重要。对于任何投入使用的直升机而言,驾乘人员的振动直观感受最为重要,因此驾乘人员座椅安装部是最基本的振动监测点；直升机的旋翼、发动机、主减和尾桨等是直升机的主要振动源,为了监控其工作状态（包括动平衡、内部运转部件间的间隙、有无松动等异常情况）,对其振动参数进行测试往往也是很有必要的；主减作为旋翼与机身之间的固定连接承力构件,同样也是旋翼振动的传导体,将旋翼振动传导到机身的承力主框梁上,因此该承力主框梁与机舱地板连接的刚性部位也是旋翼振动、主减振动的重要监测点；为了减小振动、优化驾乘人员的感受,部分直升机在一些部位设计、安装有用于减振的结构优化设计,包括被动式减振部件（系统）和主动式减振部件（系统）,针对该部分的减振性能情况,有时也需补充监控。

为了提高效率,应优先采用多通道动态信号采集测试分析系统（支持移动电源）,通过在振动监测点上安装配套的振动传感器,同时采集、记录和分析直升机上的振动源、机体的振动参数,如图1所示。其中,驾驶员座椅安装部地板的振动采集测试是直升机振动测试的基本部位,若仪器通道受限制,每次测试时都应保留该部位。

图1 直升机振动测试连接图

结合各机型传感器的安装条件,优先采用在振动监测点上直接安装振动传感器监测,如发动机、主减和驾驶员座椅安装部地板等,对于因整体在转动而不便直接安装的振动源,如传动轴、刹车盘等,可通过在其机上支撑固定安装部或机体刚性部间接测量。

根据传感器测试的方向性,分为单轴向、三轴向等类型,用于精密测量的振动传感器通常采用单轴向类型,因此振动传感器测试时的安装方向非常重要,必须将传感器轴朝着需要的方向,并尽量使其轴向与希望测试的振动轴向一致,这时传感器测试输出的信号才能最贴近实际,误差最小,否则,随轴向偏离,误差会越来越大。为此,部分安装部位需制作相应的安装支架,或对轴向偏离角度进行测量,通过三角函数矢量分解换算出真实的振动参数。

实际中,部分振动源引起的振动方向存在多个,如直升机旋翼系统会引发机体纵向、横向和垂直等三个方向上的振动,这时可能需对其各个振动方向进行测试监控,因此需在这三个方向上都安装振动传感器。

振动传感器安装时,必须固定牢靠,对于其测试轴向上的连接必须采用刚性连接,最好采用钢体螺纹连接,确不能实现时,在保证安全的前提下也可采用502胶等硬胶接办法安装。采用捆绑式、装在柔软或弹性材料部位上等安装方式都是不正确的。

采集仪和便携计算机可安装在驾驶舱内（采用内置电池或移动电源供电）,由专人操作测量。

另外,因传感器输出信号都比较微弱,对传感器与采集仪之间连接电缆的屏蔽也十分必要,以避免机上复杂电磁兼容环境对振动测试的影响。

最后,由于传感器个体和电缆的差异,应注意按计量校准（标定）时的通道连接状态对应接线,避免量值传递误差。

3.2 振动的测试与设置

通常,振动传感器输出的是测试时刻感受到的加速度信号,经采集仪换算处理后得到传感器安装部位的瞬时振动值（时域分析）,即常说的直升机振动水平。但直升机的机身结构具有一定的弹性,该特性对于不同的频率激波具有不同的振动响应,同样人体对于不同频率的振动感知也是不同的。该振动大小主要由哪些振动源产生的,能否进一步改善,从何处入手等都无法直接做出回答,因此仅从时域上进行总振动水平大小的检测是不够。

因此,按照振动水平的指标化方法,为了分析各振动源各自振动的情况,必须对该总振动参数进行分解——FFT变换（频域分析）,这是振动测试必需的功能。目前,很多先进的采集测试系统在采集记录的同时还具备直接FFT分析显示的功能,既满足了实时监控,又便于后期多维度分析。通过FFT变换,得出各频率对应的振幅,再通过频率与各振动源转速等的对应,即可得出各振动源在传感器安装部位的实际振动响应值,从而判断该振动源振动水平是否合格。

由于直升机上振动源很多,机身结构与气动部件等共同导致直升机上的振动环境十分复杂。具体在频域上表现为：在宽带随机振动上叠加很强的振动峰值,这些峰值正是由直升机上的旋转部件（振动源）产生的。若仅按常规测试采集,则信号复杂异常,难于分析。因此,系统需具备振动测试相关的滤波器及算法,如低通滤波、抗混滤波等,滤除干扰,使测试关注有用信号；同时还必须结合直升机特点,在不同监测点合理进行频率范围和幅度设置,便于筛选和识别。表2给出了常见振动源的振动频率关系。

直升机在地面、空中以及不同飞行状态下的振动水平都存在差异,引起振动的原因也各有不同。因此,实际工作中需要一直测试监控比对,通过检查各频率振幅的变化,找出使机组乘员有不适感受的确切振动源。

表2 常见振动源的振动频率关系

4 直升机振动的故障排查

排查的主要思路是：通过对振动参数的检测,依据各频率的振幅大小直接或间接得出各振动源的振动水平,如有超出范围则应针对该振动源及其安装等做进一步检查。

4.1 发动机、变速箱等刚性很强的旋转部件的频率振幅超标

对于驾驶员座椅安装部地板检测发现的超标,可能涉及的原因包括部件本身（如动不平衡、间隙不合理、零件磨损、润滑不良等）以及机上安装不合理或用于减振的部件失效等,需逐项排查；对于在部件上直接检测发现的超标,则基本说明该部件本身振动超标,应对该部件进行检修。

主减作为直升机的传动中枢,其各传动轴系的工作转速差别很大,如行星齿轮传动轴的,连接旋翼的、发动机的、尾桨的、滑油泵的、旋翼刹车盘的、发电机的、液压泵的等；同时,各传动轴系的转速也存在多个,如输入、输出轴的,变换转速大小与方向齿轮的等。这些频率振幅除了涉及主减,还与连接的旋转部件有关。同样,发动机内部也存在多个不同速度的转动机构,在进行频谱和故障排查时,应注意仔细识别。

4.2 尾传动轴的频率振幅超标

应检查机上配套轴承、安装法兰盘的状况和角度,检查轴系的同轴度及其自身的动平衡情况等。

4.3 尾桨的频率振幅超标

应重点检查系统组件的平衡性、尾桨叶的状况、尾减速器传动轴的同轴度、水平安定面连接点是否松动、减速箱齿轮有无磨损,以及安装固定是否合格等。

4.4 旋翼的频率振幅超标

旋翼振动超标比较复杂,不仅涉及桨叶平衡（重量/几何）、旋翼同锥度、频率匹配器、旋翼轴、主减传动轴、自动倾斜器、铰链、球铰、伺服机构等各相关操纵和旋转部件的状况和安装情况,还涉及水平安定面等气动部件的安装情况。

旋翼最常见的振动原因是桨叶锥体超差和桨叶不平衡。

锥体超差引起桨叶升力不平衡,导致垂直振动,飞行速度越大振动越大。检查的方法有翼尖着色打锥体法和采用频闪仪等测量法,具体通过调节变距拉杆长度粗调,再通过调节桨叶调整片角度细调,尽量减小锥体的误差。

桨叶不平衡既可能引起锥体超差,又可能导致旋翼系统不平衡,产生横向振动。如果旋翼转速越大振动越大,说明桨叶重量不平衡；如果振动随着转速减小而增大,说明桨叶弦向平衡超标,引起了桨叶后掠过大。为此应通过桨叶静平衡测量和称重,找出差异,调整一致。

因此,有必要对单片桨叶、对称桨叶、全桨叶的振动频率进行检测,才能结合直升机相关结构和工作原理进一步排除故障。如直升机飞行中垂直（Z）方向1ω频率振幅超标,应进一步采用频闪仪等检查旋翼桨叶的同锥度。

4.5 其他类型振动超标

该部分振动主要由机外吊舱、外挂等设备系统因安装不当引起,与直升机飞行速度密切相关,频率也不固定,随飞行速度变化而变化。通常采用增加减振装置或调整相应部位的避振安装支座等方法处理。

有些直升机在随机技术资料中也会给出该型直升机出现振动故障后的排除方法,但其总体的思路同样是建立在对直升机进行振动测量后,根据超标的结果对应给出振动可能的原因、检查和处理方法。

5 总结建议

由于振动的危害,随着科技发展,欧美先进的直升机已经开始配装振动监测系统,通过持续采集整机不同部位振动的频谱,发现直升机基本系统状态的变化,及时采取必要的维修处理,提升直升机的可靠性和使用寿命。

鉴于目前国内大部分直升机都没有配装振动监测系统,作为使用、修理单位,有必要对直升机开展相关的振动检测工作,收集、分析直升机的振动性能,及时发现问题和隐患。

为了进一步提高检测数据的质量,还可将振动测试采集系统的数据与飞行参数记录系统的数据融合,得出振动出现位置、频率、幅度,发生的阶段,飞行状态、速度、重量等。通过测量直升机在合格时（通常由机组人员感觉判断）的各项振动指标,经过多架机合格数据的统计,得出该型机振动的基本数据,并以此合理设定阀值,再将检测数据与阀值相比较,一方面可准确判断直升机的振动性能,另一方面可以发现一些潜在的故障,降低维护成本,节省排故时间,提高维护质量、效益和使用安全。

［1］ 倪先平. 直升机手册[M].北京：航空工业出版社,2003.

［2］ 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(9).