测试系统在某直升机高频尾桨振动的应用

吕一鸣，刘 旭，李志林，肖 柱，张文晟

(昌河飞机工业集团有限责任公司，江西 景德镇 333000)

航空技术发展的历史表明，大部分航空技术的突破，都是通过飞行试验研究和试飞验证下取得的。不管在地面试验或飞行试验都离不开测试改装，只有在安装了测试系统后，才可以实时获得飞行器的各项功能、性能指标数据，从而判断它是否像设计预期的那样安全、平稳[1]。本文通过某架机尾桨高频振动异常的情况，结合机上加装的振动测试系统进行飞行姿态判断、振动数据处理。诠释振动测试系统在直升机上应用的必要性。

1 振动测试系统

1.1 振动监测系统简介

某型机加装了振动监测系统，主要用于保障载机飞行安全，同时提高三大动部件的维护工作效率。其加装的振动监测系统可以视为一套较为完整的整机振动水平测量采集/分析系统，其主要由监测处理机、数据卡、振动传感器等LRU组成。主要部件见表1。

表1 系统组成

各个部件之间的交联关系如下。

1)振动监测处理机通过硬线与系统所属的9只振动传感器进行交联，完成对振动传感器振动信号的采集。

2)振动监测处理机通过RS422A总线与飞参系统进行交联，不仅用于采集飞参系统内3只传感器

的数据和部分特定的飞行参数数据，也用于下发需要记录的特征数据、告警信息。

3)振动监测处理机通过RS422A总线与告警灯控制盒交联，主要在发生超限振动时，点亮告警灯。

1.2 振动监测系统原理

机上加装的振动监测系统的工作原理如图1所示。

图1 振动监测系统原理图

主要原理如下。

1)振动传感器测量安装位置处的振动值，并将其按照线性关系转变为电信号，输出给监测处理机。

2)监测处理机通过信号接口采集振动传感器输出的电信号，并编码生成含有时序、校验等信息的数据源；对数据进行处理，生成能够反映被监测对象振动特性的数据。

3)监测处理机通过预设的告警阀值标准，对处理后数据检查，生成枚举的有界状态指标。

4)告警灯盒对监测处理发送的阀值超限警报译码，输出对应的离散信号，驱动告警灯盒以及机上主注意/主警告灯。

5)监测处理机将采集的数据、处理生成的数据、状态指标数据等同步记录在数据卡上。

1.3 振动监测系统应用

随着某型直升机的编队数量、飞行时间的增加，所暴露出来的直升机问题也日益递增。其中振动问题较为突出[2]。因此，在某架机进行外场试飞过程中，对直升机整体振动情况较为重视。每次飞行后均需要根据机上加装的振动监测系统进行振动分析判读，必要时，在直升机上新增传感器测量特定的振动数据。

某架机在外场试飞过程中，需关注振动的主要指标见表2。

表2 监控指标

以下为某一架次的飞行振动数据使用快速判读的结果(见图2)。

图2 振动分析结果

从其快速判断结果可以看出，主桨叶、尾传长轴、尾传短轴、尾斜轴的基频振动值和一阶振动值均为正常水平，未超出范围；但尾桨叶的一阶振动值达到了注意值范围。

2 案例分析

某架机因任务需求，前往外场进行科研试飞。鉴于目前直升机振动形式较为严峻，在完成每一个架次的飞行后，应进行飞参数据、振动数据的采集与分析；而该架机在飞行2个架次后，尾桨一阶振动出现了较大的情况。当该架机出现尾桨振动一阶振动值较大的情况后，随即加强了对架机整体振动的监控以及对引起尾桨一阶振动大原因进行了排查。

鉴于该平台曾出现过的振动情况，主要体现在直升机机体晃动、脚蹬间歇性脉冲、尾传短轴临界转速振动值超限等情况；而该架机在飞行过程中未出现明显的机体晃动，可以初步排除由于机体可以不考虑传动链纽振、主旋翼振动、机体频率振动等低频振动引起尾桨振动超限的情况。所以针对可能引起尾桨振动超限的原因进行梳理，主要如下。

1)尾桨叶内部结构异常：该异常可能由于尾桨叶内部存在损伤造成尾桨叶在旋转过程中出现质量不平衡。

2)尾桨装配不佳：由于尾桨动平衡不佳或尾桨装配存在异常，会造成尾部振动大，但一般体现在高频振动。

3)操纵线系频率与尾桨一阶振动频率相近，产生共振，造成尾部振动大。

3 测试数据采集与处理

对引起尾桨振动异常可能的原因进行逐条分析，对不同的状态进行数据采集，得到不同状态下的测试数据。

3.1 测试状态1(原状态数据测试)

在未进行尾桨叶状态变更前进行整机振动检查分析。

1)对前驾驶舱测点在主旋翼主要激励频率(5.1、25.5和51.0 Hz)下的振动水平进行分析[4](见图3～图5)。在2个架次飞行过程中可以看出，主旋翼转速基频(5.1 Hz)振动值约为0.04 g，最大值为0.06 g，且持续时间短；主旋翼一阶频率(25.5 Hz)振动值约为0.12 g，最大值为0.24 g；主旋翼二阶频率(51 Hz)振动值约为0.06 g，最大值为0.13 g。所以主旋翼主要激励频率(5.1、25.5和51.0 Hz)下的振动水平正常。

图3 5.1 Hz振动分析结果

图4 25.5 Hz振动分析结果

图5 51 Hz振动分析结果

2)对中间减速器测点在尾传动轴下的振动水平进行分析(见图6)。在2个架次飞行过程中可以看出，尾传动处的几个频率下的振动值均较小，最大的振动值体现在尾传动轴基频振动(78 Hz)上，但其值也符合要求，故尾传动轴下的振动水平均正常。

图6 传动轴振动分析结果

3)对尾减速器测点在尾桨主要激励频率(26.8和53.6 Hz)下的振动水平进行分析(见图7～图9)。在2个架次飞行过程中，通过图7可以看出，直升机在地面开车达到“飞慢”状态时其振动值稳定在0.06 g左右，通过计算公式换算，可以得出此状态下的振动值为0.137 IPS。根据该型机的技术要求中的“地面开车测量尾桨振动值≤0.2 IPS时，满足平衡要求”可得知，此状态地面开车时的振动满足平衡要求[3]。

图7 26.8 Hz振动分析结果(地面状态)

图8 26.8 Hz振动分析结果(飞行状态)

图9 53.6 Hz振动分析结果

通过图8可以看出，在飞行过程中尾桨基频振动值均值约为0.15 g，根据设计部门提供的此状态下的振动阀值为1 g，可以判断此状态下的振动水平符合要求。

通过图9可以看出，在飞行过程中第1架次飞行时，其尾桨一阶振动值较大；第二架次飞行时，尾桨一阶振动更为严重，出现了多次超限情况，其振动值大于3.5 g的持续最长的情况达到100 s左右。根据设计部门提供阀值范围，其振动值已出现超限情况。

3.2 测试状态2(更换尾桨叶数据测试)

53.6 Hz频率下的振动为尾桨叶一阶振动，飞行员在飞行过程中感受的晃动基本是由于直升机侧向低频振动引起，此状态下的振动大对飞行员感官上影响较小，但是高频振动对直升机部件的损伤较大[5]。因此在出现异常振动后，对直升机开展了重点检查。

1)按照该型机维护手册检查内容重点对尾桨叶、尾桨操纵、尾减速器进行了详细检查；在未发现明显异常后，扩散检查尾减速器安装固定情况、水平安定面连接点是否松动、减速箱齿轮有无磨损情况。

2)在未发现异常后，对尾桨叶完成了更换。

3)安装VIBREX2000+测试设备测量尾桨基频振动值并进行调整至0.2 IPS以下；完成了结合查看动平衡调整后的振动数据如图10所示，其值为0.08 g，约为0.18 IPS，满足动平衡要求。

图10 尾桨动平衡振动测试数据

4)在该架机更换尾桨叶飞行验证后，下载振动数据并进行分析，得到图11，对比图11和更换尾桨叶前的振动数据情况，可以将不同飞行姿态下的尾桨一阶振动数据汇总得到表3。

图11 更换尾桨叶后振动数据

表3 更换尾桨叶前后数据对比表

5)从表3中的数据统计可以看出，更换尾桨叶后，尾桨一阶振动没有得到明显的改善，因此得出更换尾桨叶未能有效地降低该架机尾桨一阶振动量。

3.3 测试状态3(操纵调整及动特性数据)

鉴于更换尾桨叶措施无效后，考虑操纵系统部件可能与尾桨一阶振动(53.6 Hz)产生共振，地面对操纵系统进行了动特性试验[6]；检查结果为操纵拉杆的固有频率与尾桨一阶振动相差较远，故对操纵系统重新调整、尾斜轴的同轴度重新调整后得到超限的数据结果汇总(见表4)。

表4 调整后数据表

通过表4可以看出，在进行操纵系统重新调整、尾斜轴的同轴度重新调整后，振动结果并未得到良好的改善。但是通过表3和表4可以看出，尾桨一阶振动超限主要集中在直升机爬升阶段。

3.4 测试状态4(不同飞行状态数据)

鉴于尾桨一阶振动超限主要集中在直升机爬升阶段，对该架直升机不同架次、不同状态下的数据进行大量的采集及分析得出的结果见表5。

表5 不同状态、架机数据对比表

分析表5的数据可以得出：该架机在地速小于130 km/h、侧滑角较大时，容易出现振动超限的情况；而在平飞和大速度爬升过程中，振动值基本不会出现超限的情况。

3.5 测试状态5(不同机型数据)

为了更好地对比该架机尾桨一阶振动水平，对场内其他型号的直升机进行了数据收集对比，并取某架机的参数如图12所示，统计数据结果见表6。

图12 某架机53.6 Hz振动数据

表6 不同直升机数据对比

分析图12和表6可以看出，该架机同型号的直升机也出现了在爬升阶段尾桨一阶振动超限情况，而其他型号的直升机在爬升阶段尾桨一阶振动虽然有所增大，但是均小于超限值。

通过上述数据采集及分析，可以得出该架机的尾桨一阶振动在爬升阶段会出现超限的情况，在飞行过程中，应当提醒飞行机组尽量减小直升机侧滑并减少地速在130 km/h的停留时间。目前该架机尾桨一阶振动超限还需进一步处理。

4 后续思考

由于振动的危害，随着科技发展，国内直升机已经开始陆续配装振动监测系统，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。针对加装了振动监测系统的直升机，在每个飞行架次后，均应进行常态化监控飞参振动数据。通过振动分析软件初步判定振动是否出现超限情况[7-8]。

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进一步融合，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[9]。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，另一方面可以通过振动趋势曲线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[10]。所以对测试数据进行专业化的处理也尤为重要。