抖动问题辨识及机理分析

李家旭

（陕西飞机工业（集团）有限公司，陕西 汉中 723213）

某飞机在高度4000m，速度330～340km/h时，出现异常抖动，驾驶舱抖动明显。当飞机加速至380km/h以上平飞，抖动减弱，异常抖动不明显。

1 问题定位

1.1 建立故障树

根据故障现象，对可能引起飞机异常抖动的原因从动力装置诱发抖动、气动外形异常引发气流分离和活动舵面非指令偏转三方面进行分析，建立故障树，见图1。

图1 建立故障树

1.2 故障排查

根据故障树制定排查方案，分步进行排查，分别对故障树底事件进行逐一排查。

1.2.1 动力装置振动值偏大问题排查

（1）通过飞行检查和飞参记录数据分析表明，发动机的振动值未超过发动机允许范围，发动机和螺旋桨未发生故障。可排除动力装置故障引起的飞机异常抖动。

（2）复查发动机浆帽，浆盘动平衡，完成了动力装置水平测量，均无问题。检查了发动机主减振器，发现1号发动机主减振器下沉量比其他发动机下沉量略大，发动机对调后试飞验证，抖动未改善，排除了动力装置安装问题。

1.2.2 气动外形异常引起气流分离造成抖动的排查

（1）对机身、机翼、尾翼等的外观、操纵系统和收放机构的摩擦力及运动平稳性、机上设备的连接紧固性等进行了检查，未发现异常。从气动外形检查未发现外形异常引发的气流分离。

（2）飞行振动测试数据未能发现与机体异常抖动相关的振动源。从而排除外形异常引起气流分离造成的机体异常抖动。

1.2.3 活动舵面非指令偏摆造成机身抖动的排查

（1）方向舵、升降舵、副翼间隙排查。对舵面外形、对合情况、间隙以及调整片间隙进行了检查，均满足要求，可以排除由于上述舵面间隙引起的机身遗产抖动。

（2）襟翼游动间隙排查。检查发现，右侧襟翼后缘的有的间隙摆动量大于相关技术条件的要求。经分析和检查，发现右侧1号滑轮架处的襟翼安装位置下移了约3mm，改变了右侧襟翼游动间隙，同时产生了较大的装配应力，后续检飞，襟翼受载，游动间隙变化，从而偏大超标。

对检出的问题，通过拆下右侧襟翼，对1号、2号、3号滑轮架进行了检查和间隙调整。减小右侧襟翼后缘的游动间隙摆动量。经飞行验证，机身异常抖动现象有所改善。后，更换右侧襟翼2号滑轮架，并在原位置基础上下移1.2mm安装，减小并均衡了襟翼装配应力和游动间隙，经飞行验证，机上人员未感受到机身异常抖动。

2 问题定位

按照故障树逐一排查、排故及飞行验证表明：异常抖动时襟翼在产生较大的装配应力和游动间隙不均衡导致的。

3 机理分析

襟翼通过多个滑轨和滑轮与机翼连接，滑轨和滑轮典型连接形式见图1。右侧襟翼在1号滑轮架位置下移3mm安装，由于襟翼滑轨位置没有变化，导致襟翼强迫装配，襟翼滑轮架上每组上下滑轮与襟翼滑轨工作面间隙不均匀，1号2号襟翼滑轮架与襟翼滑轨下侧工作面、3号襟翼滑轮架与襟翼滑轨上侧工作面间隙变为0，襟翼在2号襟翼滑轮架位置区域存在沿襟翼展向的一定程度的微小变形，参见图2.

图2

由于襟翼存在以上问题，襟翼处于不稳定状态，在飞机飞行过程中，襟翼受一定载荷时，由于襟翼滑轮架与襟翼滑轨工作面间隙的不均匀以及襟翼存在一定的微小变形，导致各个襟翼滑轮架与襟翼滑轨工作面间的间隙不断变化，同时，襟翼沿展向不连续变形。

间隙引发复刚度动力学特性，间隙变化导致襟翼运动频率在一定范围内波动。当襟翼变化频率波动至动力装置的激振频率时，会导致振动急剧放大；同时，间隙的不规则变化和襟翼沿展向不连续变形易引发襟翼非指令偏摆，致使机翼的流场和气流分离规律变化。

当襟翼受到的气动载荷较小时，襟翼在游隙内微幅振动，随着气动载荷的增加，间隙不断变化，引发襟翼振动频率逐渐逼近激振频率，当襟翼振动频率接近激振频率时振动响应增大，舵面变形的非指令偏转引发的非定常扰动也增大，进一步加剧了襟翼振动，引发机体抖动。当襟翼受到的气动载荷达到一定程度时，襟翼振动频率越过激振频率，响应迅速衰减，同时，气动载荷迫使各个襟翼滑轮架与襟翼滑轨工作面间隙处于一定水平，襟翼变形也平衡和涵盖了襟翼强迫装配造成的微小变形，襟翼处于稳定状态，不会发生非指令偏摆。气动载荷与速度相关，故当飞行到达一定速度时，飞机出现异常抖动，当飞机超过一定速度范围后，异常抖动消失。

4 问题复现

为了验证含间隙模型的动力学特征，通过基于接触力方法并考虑材料阻尼效应的L-N模型，建立了简化的间隙旋转铰机构模型，进行了含不同大小间隙的机构动力学响应仿真，计算结果（见图3）表明，含间隙机构的加速度较理想机构出现了加速度波动毛刺，间隙的存在使铰关节间碰撞冲击加大，间隙越大，碰撞加速度波动量越大。

图3 含不同间隙的旋转铰机构响应仿真

通过地面模态试验，以渐进力法对过装配的襟翼运动模态进行了测试。采取渐进力法主要是为了克服襟翼面非线性因素，尤其是间隙非线性和摩擦非线性的影响。具体为，采用渐进加力的方式分别测试F=20N、30N、40N、…Fmax状态下的模态，得到不同激振力下的测试频率，绘出力-频曲线。试验结果(见图4)表明，襟翼运动模态随激振力的增加，呈现先降后升再平稳的形态，且动力装置频率正处于过装配的襟翼运动频率变化范围内。

图4 含间隙的襟翼力-频实测曲线

基于仿真和试验，可知，间隙是引发抖动（非线性振动）的主因，合理调配间隙及降低间隙是解决问题的关键。

机体异常抖动问题定位右襟翼后，通过拆下襟翼，对襟翼1号2号3号襟翼滑轮架进行了检查和间隙调整，经试飞验证，通过机上人员感受，发现异常抖动现象有所改善。

通过更换右侧襟翼2号滑轮架，并在原位置基础上下移1.5mm安装，调整并均衡了装配应力和游动间隙后再次试飞验证，机上人员未再感受到机体异常抖动。

5 举一反三

本次异常振动，是由于襟翼带应力安装和间隙控制不当引起的，过程中暴露的问题值得警醒：

（1）是否采用下压襟翼安装位置的方式来排除襟翼安装故障。

（2）在安装、调整襟翼间隙过程中，是否大幅单点调整。

（3）襟翼摆动量相关测量要求是否全面贯彻。

（4）对改装及排故过程涉及到活动部位的间隙变化，受力变化等可能影响力学特性、气动特性时，即使最终状态满足设计公差要求，也许综合评估其影响，加强过程控制。

6 结语

提出了抖振问题排查思路，识别出间隙导致了非指令偏转和非线性振动耦合，从而引发抖振的技术路径。分析了间隙抖振机理，给出了调整并均衡装配应力和游动间隙的解决措施，具有较高的工程指导意义。