某直升机空中低频筛动故障分析

郑 坤，连林樱，薛 晨，张严林

(昌河飞机工业集团有限责任公司，江西 景德镇 333000)

直升机振动的主要原因是由工作原理、设计技术和制造工艺共同决定的。直升机传动部件将发动机的高速旋转动能减速传递给主旋翼、尾旋翼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。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。

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。

本文以某直升机在飞行过程中低频筛动故障为例，对振动数据和扭振机理进行研究和分析，为后续处理类似问题积累经验[1-2]。

1 故障现象

直升机(速度120～160 km/h、高度350 m以上)平飞或转弯过程中出现空中低频的侧向晃动现象，体感类似“坐船”，前舱飞行员体感更为显著，挡风玻璃、操纵台等均无异常抖动情况。飞行员操作驾驶杆改变当前飞行状态，直升机筛动现象立刻消除，保持类似当前状态则故障复现。

2 原因排查

2.1 故障发生原因

针对该架机出现的空中筛动问题，组织了多次排故，现对排故过程进行重新梳理，并对可能引起直升机机体侧向低频晃动的原因进行分析，主要有性能不佳、系统故障、固有特性这3类，具体排故情况如图1所示。

1)性能不佳：主、尾桨振动锥体不佳，主要排故历程见表1，完成相关工作后基本排除诱因的可能性。

2)系统故障：飞控、操纵等系统故障，主要排故历程见表2，完成相关工作后基本排除诱因的可能性。

图1 机体低频晃动主要原因

表1 性能不佳排故历程

表2 系统故障排故历程

3)固有特性。直升机的动力原理简化模型如图2所示。发动机动力输出轴通过主减速器经过传动轴驱动主/尾旋翼。旋翼/传动系统相当于一个柔性轴系，受到扭矩的作用会产生一定的固有扭转振动，具有一定的固有频率。如果发动机动力输出轴对旋翼/传动系统所施加的扭矩掺有此固有频率的波动，传动链的固有频率被激励出来，导致直升机筛动[3-5]。

图2 直升机的动力原理简化模型

飞行振动数据分析结果表明，当机体出现筛动时，存在2.7 Hz侧向低频振动，同时发动机参数显示双发扭矩存在同频的扭矩波动，横向周期变距杆位移也出现明显周期波动。传动链扭振表现为旋翼系统的摆振晃动导致机体发生偏航，人体感受主要为侧向晃动，与飞行员描述吻合。

综合上述原因分析和原因排查，初步认为该架机空中侧向低频晃动的原因是传动链2.7 Hz扭振引起的。下述进行飞行数据分析。

2.2 飞行数据分析

该型机传动链系统的固有频率在2.7 Hz附近(见图3)，如系统受到扰动，有可能激励出传动链扭振。

图3 某型机典型频谱图

分析直升机筛动时的FFT飞行振动数据可以得出，在2.7 Hz振动频率时，前舱脚蹬地板、中减、尾减侧向Y值的振幅明显，前舱脚蹬地板侧向Y值幅值约为0.049g，中减侧向Y值幅值约为0.082g，尾减侧向Y值幅值约为0.123g(见图4)。

a) 前舱脚蹬地板侧向Y值

c) 尾减侧向Y值

对比该型机其他直升机在2.7 Hz振动频率的连续谱飞行振动数据可以得出，该架机前舱Y值振幅已远超该型机平均值0.01g左右，且别架机出现峰值的维持时间非常短(见图5)。

a) 前舱脚蹬地板侧向Y值

b) 中减侧向Y值

c) 尾减侧向Y值

综合上述飞行振动数据基本认为，该架机空中侧向低频晃动的原因是传动链2.7 Hz扭振引起的。下述按对传动链扭振类故障进行问题处理。

2.3 传动链扭振

产生扭转振动的根本原因是旋转机械的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化，而该型机双发动力输出轴转动方向相反，在受到扰动时，必然导致扭振的发生[6]。

直升机传动链主要由发动机、旋翼、尾桨、传动系统组成，因此直升机传动链扭振主要与发动机、旋翼、尾桨、传动系统等系统状态有关(见图6)，具体排故情况如下[7]。

1)PAO现象。

PAO现象又称为飞行员辅助振荡，在机体振动时飞行员将随着机体振动，即直升机振动时飞行员握杆较紧时，通过飞行员手臂的牵连运动导致飞行操纵中引入与飞行员振动同频的波动，经飞控系统耦合作用后，就会进一步加剧机体的振动。

图6 传动链扭振的主要原因

经与飞行员沟通，飞行员在出现扭振时动作轻柔，做到总距稳定并轻微握杆，避免出现PAO现象，基本排除PAO现象的可能性。

2)旋翼系统。

按表3进行故障处理并开展试飞验证工作，筛动现象均未改善。

表3 旋翼系统排故历程

3)动力系统。

开展更换发动机(左右)的对比试飞，飞行员表示换发后有体感轻微改善。完成飞行试验后进行振动数据对比，换发后振动值明显下降(前舱侧向由0.05g降低至0.02g)。开展配平方式切换(温度配平/扭矩配平)的对比试飞，飞行员表示温度配平试飞有体感较大改善，完成飞行试验后进行振动数据对比，温度配平试飞的振动值明显下降(前舱侧向由0.05g降低至0.01g)。振动数据对比见表4。

表4 振动数据对比

从振动数据以及机组反馈情况表明，该架机由发动机输出的扭矩波动是扭振的驱动力，导致传动链系统出现较大的扭振响应，引起侧向低频筛动，因此可以认为改变扭振激励源是解决扭振问题的一种办法。

然而，飞行员反馈换发前后筛动体感略微改善，未达到可接受范围，而温度配平试飞可接受，但在使用上仍需解决扭矩配平试飞问题。

4)传动系统。

对传动系统进行基本的安装固定性检查，同时重新安装主减速器，重新安装尾传动轴并更换主减输出法兰，完成相应调整和检查工作后开展试飞验证，连续2个飞行员反馈未发生筛动现象，第3个飞行日故障复现，做数据对比可以得出飞行员反馈的筛动现象出现时间与振动数据基本吻合(见表5)。

表5 筛动前后振动数据

综合上述问题处理的过程可以基本确定是直升机扭振导致的侧向低频筛动，目前暂未确定故障点。

3 故障机理分析

从动力学角度，旋翼系统、传动系统和动力系统等旋转部件构成一个耦合扭转动力学系统，发动机是动力传动链的重要组成部分，因此动力传动链扭振系统是发动机的电调控制系统耦合在一起的(见图7)。

图7 扭转振动与发动机电调控制系统耦合图

当直升机双发转速不一致时，由于双发动力输出轴转动方向相反，故输出扭矩在同一直线上失去平衡，会导致直升机出现扭振现象；另外一方面机械传动链系统在受到外界干扰下，发动机转速发生变化，而发动机控制是以保持发动机转速恒定为目标，当发动机转速发生变化时(脉动或波动)，转速传感器感受到转速变化，并通过电调/燃调进行调整修正，通过改变燃油量来修正转速，因此当发动机转速有脉动时，燃油量也会有脉动变化，这样导致发动机输出扭矩出现脉动变化。这就相当于对传动链施加了激励，从而出现传动链扭振现象。虽然在这一回路中串入了凹陷滤波器降低振动的幅值，避免了扭振系统耦合振动的发散，但不能完全消除，而剩余的振幅又无法被系统阻尼(如旋翼阻尼器阻尼、气动阻尼等)很快消耗，就会导致机体出现长时间的晃动[8]。

4 后续工作

旋翼-传动-发动机组成的扭振系统在受到扰动发生振荡时会成为人体感受到侧向低频筛动的源头，离旋翼中心越远感受越显著。结合机理分析认为，后续工作主要在如下3个方面开展。

1)旋翼阻尼的影响。旋翼阻尼主要分为气动阻尼和旋翼阻尼器的阻尼，增大阻尼性能可以耗散旋翼系统摆振能量，降低该频点的振动值，所以认为通过优选主旋翼阻尼器和调整主旋翼动平衡来增大阻尼性能是排故方向之一。

2)发动机的影响。发动机的扭矩输出是扭振的激励源，发动机电调内的凹陷滤波器在2.7 Hz下能降低振动的幅值，上述飞行试验已经证明改变激励源能有效改善直升机振动，所以认为通过优选发动机改善激励源是排故方向之一。

3)传动系统的影响。传动系统存在膜片联轴节、主减底部金属弹性板及各轴的连接和同轴度等影响因素，如存在变化，会导致存在异常的冲击脉动激励，引发系统不稳定，上述飞行试验已经证明，改变传动系统的安装固定性可以改善扭振现象，所以认为通过优选传动系统中重要部件改善传动链连接性是排故方向之一。

5 结语

本文涉及的传动链扭振是直升机常见振动问题的一类，实际上直升机在试飞过程中还存在尾振、“拍频”振动、共振等多种振动问题，在不同频率下均存在振动超限的隐患，因此开展常态化振动监测和专业化数据分析已经势在必行。

通过持续采集整机不同部位振动的频谱，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，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，有助于提升直升机的可靠性和使用寿命[9-11]。