PA—44—180飞机螺旋桨动平衡调整方法的研究

刘贝贝

摘 要：本文以PA-44-180飞机为研究对象对其螺旋桨动平衡校验中配重片的添加位置进行研究，并结合现在国内使用的振动测试仪测试情况，利用基于矢量分解的方法把配重片添加到桨毂上的4个可添加位置上，避免了多次进行“测量-配平-测试”的重复工作，从而为一次性配平成功提供了可行有效的科学依据，减少了工时，提高了螺旋桨动平衡的配平效率。

关键词：螺旋桨 动平衡 配重片

中图分类号：V21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0020-03

自古以来人类就从未放弃过能够像鸟儿一样翱翔蓝天的愿望。从1903年12月17日美国莱特兄弟成功试飞了人类第一架带有动力、重于空气、可控并可持续滞留空中的飞机之后，现代航空的新纪元就开启了。基于对速度和效率的追求，喷气式动力装置的出现使螺旋桨式动力装置转向了通用航空和支线运输航空领域；螺旋桨式动力装置以其良好的低速经济性使其在通用航空和支线运输航空领域获得较为广泛的应用。但作为一高速旋转部件，在制造和装配等工艺中的误差使螺旋桨在装机后不可避免地会在高速旋转过程中产生振动。这种振动通过减速器等螺旋桨-发动机间连接装置传递到发动机上，使发动机机匣承受很大的交变疲劳应力，对发动机的正常工作造成影响；这种振动还能通过发动机架等发动机-机体连接装置传递到机体上，使乘员感到不适，也使机体结构需要承受较大的交变载荷，造成结构疲劳破坏，所以必须对螺旋桨进行动平衡配平以降低其高速旋转过程中的振动值水平。

1 螺旋桨振动的原因

在航空器动力装置上，螺旋桨的叶片数量少多为双叶或者三叶，重量相对较重，使其单个叶片的载荷也相对较大。在实际制造过程中各个桨叶的质量分布和外形会有一定的偏差这也就是螺旋桨振动产生的最大诱因；其次螺旋桨在工作过程中各个桨叶前缘的磨损、腐蚀等程度的不同也會使螺旋桨承受载荷发生变化，这也是产生振动的又一个原因。当螺旋桨在制造和装配过程中以及日后的使用过程中的种种误差会是螺旋桨的质量中心位置和旋转中心不重合，这就使螺旋桨产生了静不平衡；当其在工作过程中高速旋转过程中各桨叶的质量中心位置不在同一个旋转平面内这就产生了动不平衡[1]。静不平衡和动不平衡的存在就会使螺旋桨产生振动，这也是螺旋桨产生振动的根本原因。

2 PA-44-180飞机及其螺旋桨振动测试仪器

2.1 PA-44-180飞机

PA-44-180型飞机是由美国派泊飞机制造公司生产的双发螺旋桨飞机。该型飞机为下直锥形机翼，左、右机翼上各安装一台莱康明公司生产的活塞发动机，使用Hartzell公司生产的二叶螺旋桨。尾翼由垂尾、方向舵和全动平尾组成，起落架为可收放前三点式起落架[2]。

2.2 Vibrex2000振动测试仪

PA-44-180飞机维护手册中提出如果进行了可能会影响飞机螺旋桨平衡的维修工作之后应对螺旋桨的平衡性进行配平校准工作，并且维修手册上推荐了Chadwick Helmuth System的测试系统，并且认可和采用了该系统提出的振动评价标准。国内在对航空器的维修过程中对维修设备的选购大都依靠手册上面的推荐，当然PA-44-180的螺旋桨振动测试仪也不例外。国内的PA-44-180飞机的振动测试大多都是采用由美国Honeywell Aerospace公司生产的基于Chadwick Helmuth System系统的Chadwick Helmuth Vibrex2000振动测试仪。

在Vibra2000型振动测试仪的使用说明书中规定了其振动值的单位为IPS（英寸/秒），转速单位为RPM（转/分），并以钟表的“点钟”表述法，表述螺旋桨旋转平面上的相对位置[3]。在日常维修过程中习惯性规定该飞机的12点钟（或称为0点钟）方向为螺旋桨桨叶平行于水平面时的垂线方向。螺旋桨以参考零位为起始点按螺旋桨的旋转方向将整个旋转方向分为12等份，依次为1、2、3……11，就如同钟表表盘上点钟位置的标识方法，但站在飞机正前方向螺旋桨看去其标识方式和螺旋桨的旋转方向相同。维修工作过程中振动测试仪会根据螺旋桨的工作情况显示出在不同方位添加不同质量的配重使螺旋桨达到动平衡。

在维修工作过程中螺旋桨动平衡的测试是依据Chadwick Helmuth System系统对振动峰值的评价标准，其振动峰值可分为6个等级，如表1所示。

根据PA-44-180维修手册的规定在维修工作过程中只要振动峰值低于0.20就达到了可接受的范围，并且在实际的维修工作过程中也是按照该标准在实施。

3 适航要求

由中国民航总局颁布的中国民用航空规章第23部《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》中的第907 条对螺旋桨振动有明确规定，必须通过直接试验、与类似装置比较或者使用维修经验等方法证明在正常工作条件下，除常规的定距木制螺旋桨外，螺旋桨的振动应力不会超过螺旋桨制造商规定的连续安全使用应力值。中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》的907条对螺旋桨振动的规定与23部是基本一致的，即必须按实际测量或同已作过实测的类似安装进行相互比较，从而表明任何正常的使用条件下的螺旋桨桨叶振动应力不会超过连续安全工作应力值。通常情况下，飞机设计时会选用成熟的发动机，并选择匹配的螺旋桨，这样可以从发动机和螺旋桨制造商那里得到以往的使用数据，通过类比分析向适航表明符合条款要求。但对于新的发动机螺旋桨组合，或采用特殊布局（如推进式）的飞机，只能进行实际测量[4]。

4 配重片安装过程中遇到的问题

由于PA-44-180飞机的螺旋桨只有两个桨叶这也就决定了桨毂上可安装配平片位置的数量和方位。在实际过程中该振动测试仪给出的配平数据是分布在桨毂周围360°范围内的其中一个方位添加配重片的重量值，但可添加配重片的位置是固定的，在实际工作过程中并不能按照振动测试仪上显示的数值在理想的位置添加合适的配重片。在实际维修工作过程中配重片的添加常常是凭借以往的工作经验和感觉进行的并没有理论和科学依据支持。添加后需要再次进行螺旋桨测试看振动值是否在可接受的阈值范围内。完成螺旋桨动平衡的校验工作需要进行多次“测量-配平-测试”的重复工作，这也使维修工时增加，提高了维修成本，降低了维修效率。

5 配重片的添加方法研究

P4-44-180型飞机使用的是Hartzell公司生产的紧凑型恒速可顺浆螺旋桨，为铝质金属二叶螺旋桨[5]。其螺旋桨直径为74.0INCH，重量约为30kg，桨毂上能添加配重片的位置只有4个。其分别位于2点10钟、3点50钟、8点10分和9点50分4个方位，一周按照12h划分则每分钟为0.5°，这也就决定了配重片的添加位置为65°、115°、245°、295°[6]。螺旋桨通过Vibrex2000振动测试仪测量后可给出理论数据为某一点钟添加一定质量的配重。由于共有4个位置以可安装的4个配重的位置为边界将其分为4个区域，分别定义为区域一（AOB）、区域二（BOD）、区域三（COD）、区域四（AOC）。下面分别当所加配重的方位和重量分别落到4个区域进行具体理论分析。

当在区域一时振动测试仪显示在X点Y钟分添加G克配重如图1所示。

则根据正弦定理可以得出：

则当振动测试仪显示测试数据时即可代入相对应的区域解析式中，根据点钟和配重轻松算出在4个可添加方向上添加的配重质量，使用该可以达到一次性配平成功。解决了配重安装过程中位置有限的问题也解决了在日常维护中憑借经验和感觉添加配重的问题，也为该项工作增加了一些科学依据，达到了该项课题研究的目的。

6 结语

本篇文章是通过一种基于矢量分解的数学算法，考虑目前使用的振动设备存在的问题以及螺旋桨上配重片可添加位置的限制因素等问题，以一种简单的方法解决了机务维修人员在工作过程中遇到的问题，也为日常的螺旋桨动平衡校验和校准提供了科学依据。最主要的是发动机进行一次试车得到发动机螺旋桨振动数据信息以后，通过简单的数学运算就可以算出如何添加配重，避免了螺旋桨动平衡的校验工作中需要进行多次“测量-配平-测试”的重复工作，这也使维修工时得以降低，节约了维修成本，提高了维修效率。

参考文献

[1] 仲志丹，孟现召，吴江.飞机螺旋桨动平衡算法研究[J].航空维修与工程，2015，285（3）.

[2] 朱航，周彬.PA-44-180型飞机失速警告控制方式的改进研究[J].科技创新导报，2017，14（22）：13-15.

[3] Honeywell Aerospace.Chadwick Helmuth Vibrex2000 operators manual[M].Honeywell Aerospace，2000.

[4] 田傲，张庆.一种通用飞机螺旋桨振动测试方法[J].中国科技信息，2017，（13）：19-20.

[5] 杨秀峰.PA-44-180型飞机培训教材[M].成都：西南交通大学出版社，2015.

[6] Hartzell Propeller Inc. Hartzell Propeller Owners Manual 115N[M].Hartzell Propeller Inc.2012.