无人机旋翼动平衡调整技术研究

旋翼动平衡调整，就是通过在相应桨叶上加载合适配重，改善当前不平衡度。动平衡调整的关键：一是准确测量当前动平衡状态，包括不平衡度的数值和相位；二是了解配重块对旋翼动平衡的影响系数和影响方向。对于第一项要求，目前的动平衡测量设备都能实现。第二项要求则需要该型号旋翼专用的动平衡图或调整软件的帮助。输入当前动平衡状态，通过绘图投影关系或设备软件给出的调整建议，直接得到各桨叶处的配重增减的情况。例如在S-70C直升机的动平衡检查过程中，就是采用了1720监测仪和专用的旋翼平衡表。实际上，大部分动平衡调整现场都缺少专用的动平衡图或调整软件。无人机的桨叶构型有很多，常见的机型有2～4片桨叶，而大部分的无人机通常为两片桨叶，其加载点一般布置在每片桨叶的两个安装螺栓上，加载点非均匀分布，造成其动平衡调整难度加大，增加整个调试时间。动平衡测量通常在额定转速下进行，每一次开车都会影响到其他系统（例如发动机、传动系统等）的寿命。因此，有必要探讨缺乏相关工具软件条件下的旋翼动平衡调整技术，尽量避免调整过程中的盲目性，减少调整次数，缩短整个调试时间，节约系统寿命。

旋翼动平衡调整的前提条件

根据回转体的长度和直径的比例关系，可以认为旋翼的动平衡调整属于单面校正的范畴。调试现场条件有限，通过试配重手动计算各支臂的影响系数矩阵不太可能实现。通过对各套试验桨叶观察，可以认为每片桨叶配重块的各加载点分布半径是相同，处于同一个平面内，其夹角与桨叶的布置一致。根据动平衡影响系数原则得出以下3点前提条件：

（1）同一支臂加载所改变的动平衡变化矢量在幅值上与质量成正比，相位不变；

（2）各支臂加载相同质量，改变的动平衡矢量的幅值是相同；

（3）各支臂配重所引起的矢量变化的相位夹角与桨叶布置夹角一致。

旋翼动平衡调整的一般步骤

操作人员一般通过极坐标系（ρ，θ）来描述整个动平衡调整过程。ρ指的是动平衡测量值的大小（IPS）， θ指的是动平衡测量值的相位。一般按ρ@θ记录数据，例如0.12@6：30，在极坐标中一个数据就是一个点位。接调整前、调整后的位置点，可以得到该支臂配重调整后动平衡的变化矢量。

现场需要笔、纸和三角板，为了便于现场绘制，可以事先准备调整参考图，参考图上绘制了不同半径的同心圆和时钟时刻，圆心代表0 IPS，半径等比例递增，代表相应的动平衡值大小。根据相关技术文件，桨叶的最终动平衡值要求小于0.2IPS。因此，如果动平衡调整合格，对应的动平衡点应该落在代表0.2IPS的圆形区域内。以下是旋翼动平衡调整和绘制初步动平衡图的一般步骤：

（1） 测量当前动平衡的幅值和相位；

（2）试配重，在任意一处支臂上加载一个单位的配重块，测量动平衡值；

（3） 绘出该支臂的动平衡影响矢量，与该矢量相同的方向作为该支臂的动平衡加载坐标轴；

（4） 以该支臂的加载坐标轴为基准，根据桨叶旋转方向，按照当前桨叶布局，绕圆心旋转相应角度，依次得到各支臂加载坐标轴。由于桨叶旋转方向不同，各支臂经过同一位置的先后顺序也是不相同的。桨叶顺时针旋转，各支臂动平衡坐标轴的布局方向应与当前配置支臂布局一致；桨叶逆时针旋转，各支臂动平衡坐标轴的布局方向与各支臂布局相反。该多坐标图即为初步的动平衡图；

（5） 将动平衡矢量在坐标系内投影，找到合适的两处加载支臂。具体配重质量，根据试配重块的质量和动平衡幅值的比例关系确定；

（6）运用已有的数据对该图的角度和刻度进行进一步修正。

常规4片桨叶构型的动平衡调整过程

以4片桨叶构型无人机的某次动平衡调整为例，对动平衡调整过程进行分析。

桨叶分布如图1所示，分布夹角90°，桨叶仰视顺时针旋转，各片桨叶加载点与桨叶分布一致，用红、黄、黑、蓝来区分，黄色桨叶贴反光片，用来触发转速传感器。

首次开车检查结果为0.35IPS@9：57（A点），明显不符合动平衡要求。操作员选择了在黑色桨叶增加25g配重，开车后检查结果为0.26IPS@8：59（B点）。以方向为黑色桨叶的动平衡加载坐标轴。长度约为17.6mm（图2中最小同心圆半径为10mm，10mm长度定义为0.1IPS），对应质量块为25g。桨叶顺时针旋转，支臂配重坐标轴的布局形式与桨叶一致。将B点沿黄色桨叶坐标轴投影，可以看出通过加载合适配重，动平衡点将会落在C’点，此时长度约为25mm，参考首次配重的比例关系，预估在黄色桨叶上需要加载。由于现有的配重块只有25g，因此在黄色桨叶上加25g后，实际动平衡落在了0.12IPS@9：57（C点）。符合小于0.2IPS的要求，调整完成。详细调整步骤绘图如图2所示。

实际应用过程中，桨叶的颜色（或者序号）标注的旋转方向可能是顺时针也可能是逆时针，这里有个小技巧，通过仰视或俯视桨叶，均按顺时针方向绘制桨叶排序，和动平衡调整图的顺时针方向一致，这样在配重加载过程不容易加反或者搞混。

加载点非均匀分布的动平衡调整技巧

以两片桨叶无人机为例，其加载点一般布置在每片桨叶的两个安装螺栓上，如3所示。由于4个加载点非均匀分布，且同一片桨叶上2个加载点位夹角很小，造成其动平衡调整难度加大，甚至有时候会出现一两天多次调整还调不好的情况。

由于桨叶上4个加载点分布不均匀，其中单片桨叶2个加载点夹角较小，夹角小于8°，在单个位置加载配重后，实际测量值偏差较大，不方便绘图计算。出于简化计算的考量，可以成对加载配重，人为的形成直角分布的加载坐标轴系，虚拟成4片桨叶常规构型，方便调整计算。如图3所示，在1#和2#同时加上相同的配重，相当于在1#和2#中间的X-方向加载配重，同理，在1#和3#同时加上相同的配重，相当于在1#和3#中间的Y+方向加载配重。这种方式也同样适用于剪刀型桨叶（例如带夹角的尾桨）或其他类型非均匀分布加载点的旋翼动平衡调整。

在实际工况中，3片桨叶，5片桨叶等单数桨叶构型中，也可以应用成对加载配重的方式，拟合坐标轴系，调整计算。根据实际工程经验来看，这么做确实能够简化计算，比起单片加载配重来说能够提高调整效率。

动平衡调整的实际应用

在实际工作中，同一副旋翼往往要经历多阶段的试验。每次振动传感器、转速传感器、反光片的安装位置存在各不相同的情况。此时由于动平衡的参考零时刻改变了，不能直接套用该旋翼的动平衡图进行调整。在实际操作中，可以先在任意一处支臂上增加一个质量很小的配重，在极坐标图中绘出该配重块引起的不平衡度矢量，绕圆心旋转动平衡图的各坐标轴，使该支臂坐标轴与该配重引起的不平衡度矢量的方向相反，完成对初始零位的重新标定，之后可以按变换后的动平衡图进行调整了，如图4所示。

例如，现场重新安装了桨叶，重新调整动平衡。第一次动平衡测量值为0.2IPS@2：50，在图2的原动平衡图的坐标系中，绘出A点，选择在黑色桨叶加配重块25g，得到B点（0.25IPS@2：10），直线AB方向就是加载配重的桨叶方向。旋转坐标轴，使坐标轴黑色桨叶方向与矢量平行。按照旋转后的动平衡图提示，卸载第一次黑色桨叶加的25g配重，改为黄色桨叶加配重25g，动平衡测量为0.09IPS@1：38，绘出C点，满足动平衡调整小于0.2 IPS的要求。从新坐标轴的动平衡图上可以看出，动平衡A点到C点移动的趋势与坐标轴黄色桨叶的方向基本符合，质量-长度比例关系也很相符。整个调整过程配重两次，实际情况如图4所示。

在实际动平衡调整工作中，有时候会遇到初始测量的动平衡值较大的情况，出于安全考虑，加载的配重会比较谨慎。通过逐步增加配重，调整的次数也会相应增加。一般调整2～5次，可以满足旋翼振动小于0.2IPS的要求。

结论

通过对以往旋翼动平衡的调整经验总结，形成了旋翼动平衡调整的实施方法，并提供了动平衡图的绘制和使用技巧。这种依据各支臂对不平衡矢量影响的大小和方向来决定加载配重位置的调整技术，可以避免以前盲目加载的被动性，不用考虑初始零点的相对位置，通过设备测量数据，在现场只需要笔、纸和三角板绘图就能完成动平衡调整工作，具有良好的操作性。调整2～5次，动平衡就能达到要求。在现场工作中，极大的提高了动平衡调整的准确性和快速性，减少了无人机开车次数，节省系统寿命。这对于其他类型旋转试验台的动平衡调整、以及有人无人直升机的动平衡调整都具有积极的借鉴意义。