沈安瀾,侯寶紅,江 安
(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.解放軍66350部隊(duì),河北 保定 071000)
某型直升機(jī)在外場飛行過程中,飛行員反映在特定飛行狀態(tài)下,座艙出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象,影響飛行任務(wù)的執(zhí)行。現(xiàn)象描述為:在特定飛行狀態(tài)下,機(jī)身出現(xiàn)異常的低頻振動,飛行員反映有類似騎馬的直觀感受。
直升機(jī)由于其獨(dú)特的構(gòu)型和飛行方式,振動問題一直是困擾其發(fā)展的重要問題。直升機(jī)旋轉(zhuǎn)部件多,所處的氣動環(huán)境惡劣,造成直升機(jī)振動復(fù)雜,頻率成分多而且頻率跨度大。這在一定上給直升機(jī)振動問題的分析和解決帶來了困難。國外某些直升機(jī)型號[1,2]如NH90、EH101、AH-64D以及“科曼奇”,在試飛初期也都曾出現(xiàn)過類似“Tail shake/Buffet”低頻振動問題;國內(nèi)有關(guān)型號[3,4]加裝測試設(shè)備后在試飛過程中也多次出現(xiàn)過低頻振動問題。
本文通過飛行振動數(shù)據(jù)分析,利用頻譜結(jié)合濾波分析的方法,確定了該座艙低頻振動現(xiàn)象的主要原因?yàn)樾矶A通過頻率(2kΩ)和尾槳一階通過頻率(kΩt)在座艙處合成,形成拍頻現(xiàn)象。分析了拍頻的形成機(jī)理,給出了拍頻振動典型頻譜圖,提出了相應(yīng)的改善建議,經(jīng)外場試飛驗(yàn)證,可在一定程度上改善座艙低頻(拍頻)振動。
直升機(jī)的振源[3,5,6]一般為旋翼、尾槳、發(fā)動機(jī)及傳動系統(tǒng)等旋轉(zhuǎn)部件引起的周期激勵和氣動環(huán)境中的隨機(jī)激勵。相應(yīng)地,座艙內(nèi)的主要激勵頻率為旋翼的轉(zhuǎn)速頻率1Ω和一階通過頻率kΩ,尾槳的轉(zhuǎn)速頻率1Ωt和一階通過頻率kΩt以及傳動軸的轉(zhuǎn)速頻率等。
直升機(jī)低頻振動與上述頻率激勵下的振動現(xiàn)象有顯著區(qū)別。直升機(jī)低頻振動大多表現(xiàn)為抖動、晃動、篩動等現(xiàn)象[3],依據(jù)低頻振動的頻率不同,飛行員會有類似騎馬或坐船等直觀感受,方向多為垂向或側(cè)向。
直升機(jī)屬于多振源系統(tǒng),包含旋翼、尾槳、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等多個(gè)振源,各個(gè)振源之間的激勵頻率各不相同,因此主要利用頻譜分析進(jìn)行常規(guī)直升機(jī)振動分析。
針對直升機(jī)低頻振動飛行狀態(tài)進(jìn)行70Hz以內(nèi)的頻譜分析。如圖1所示,該機(jī)座艙測點(diǎn)在10Hz以內(nèi)僅有一個(gè)1Hz左右的頻率成分較為明顯。但根據(jù)飛行員反映的振動感覺和振動傳感器頻率測試范圍,同時(shí)對比其余正常狀態(tài)下的頻譜圖(圖2所示)進(jìn)行綜合分析判斷,1Hz以內(nèi)的頻率應(yīng)是系統(tǒng)測試誤差帶來的。
根據(jù)圖1所示,除1Hz外,座艙其余頻率下的振動水平均處于正常范圍內(nèi),因此飛行員不會感覺較大的低頻振動。對比圖1和圖2,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),座艙出現(xiàn)低頻振動時(shí),座艙垂向通道旋翼二階通過頻率(2kΩ)振幅約為0.06g,尾槳一階通過頻率(kΩt)振幅約為0.06g,旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率相近。根據(jù)拍頻的形成機(jī)理,飛行員反映的座艙低頻振動預(yù)測為旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成拍頻導(dǎo)致的。
圖1 低頻振動狀態(tài)下的頻譜圖
圖2 其余正常狀態(tài)下的頻譜圖
拍頻振動現(xiàn)象常出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)機(jī)械振動中,一方面可能是由于轉(zhuǎn)子中殘存的介質(zhì)和轉(zhuǎn)子本身的失衡現(xiàn)象共同引起;另一方面可能是系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)態(tài)振源的頻率振幅近似于另一個(gè)振源頻率振幅而引起的一種特殊的振動現(xiàn)象[7-9]。
為分析拍頻現(xiàn)象機(jī)理[3,7-9],假設(shè)存在兩個(gè)簡諧振動:
u1=A1sin(ω1t+φ1)
(1)
u2=A2sin(ω2t+φ2)
(2)
通過三角函數(shù)合成后,其合成振動可以寫成:
u(t)=u1(t)+u2(t)
(3)
其中:
(4)
(5)
式中,A1,A2,ω1,ω2分別為兩個(gè)簡諧振動的振幅和頻率,當(dāng)這兩個(gè)簡諧振動的頻率和振幅相等或相近時(shí),根據(jù)式(5)所示,u2(t)等于或約等于0,此時(shí)合成振動u(t)即為“拍”,是一種頻率為(ω1+ω2)/2的變幅振動,其振幅按余弦函數(shù)以頻率(ω1-ω2)/2變化,是一種典型的幅值調(diào)制過程,實(shí)際呈現(xiàn)出的是幅值調(diào)制函數(shù)的特性,如圖3所示。人體實(shí)際感受到的應(yīng)為該合成振動的外包絡(luò),振動周期應(yīng)為合成振動周期的一半,因此人體感受到的頻率其實(shí)應(yīng)該為(ω1-ω2)。
圖3 典型拍頻現(xiàn)象
因?yàn)棣?與ω2非常接近時(shí),合成后形成的(ω1-ω2)/2頻率很低,周期會較長,當(dāng)此時(shí)幅值A(chǔ)1與A2相當(dāng)或相等。由式(4)可知,合成后的u(t),其振動幅值會在(A1+A2)到0之間以圓頻率做周期波動,此時(shí)人體感受到明顯的振動起伏。當(dāng)A1與A2相差較大,其合成后的振動幅值以兩個(gè)簡諧振動中的振幅較大的簡諧振動振幅為主,即當(dāng)A1遠(yuǎn)大于A2時(shí),其合成后的振動振幅約為A1,此時(shí)人體感受不到明顯的振動起伏。
拍頻現(xiàn)象是一種特殊的振動現(xiàn)象,在各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動中均出現(xiàn)過,例如各類壓縮機(jī)[7]、客車[9]以及直升機(jī)[3]等包含旋轉(zhuǎn)機(jī)械的系統(tǒng),但針對拍頻的分析和故障源識別方法又有所差別:趙晴等[7]主要采用觀察有關(guān)測點(diǎn)頻譜圖的特點(diǎn),逐一排除其他原因,確定低頻項(xiàng)為壓縮機(jī)的拍頻的方法;郭彬等[9]主要利用頻譜分析法和分別運(yùn)轉(zhuǎn)法來確定振動源和振動頻率;王文濤等[3]則主要基于希爾伯特變換進(jìn)行直升機(jī)拍頻振動分析;劉建禮等[4]則利用帶通濾波的方法進(jìn)行直升機(jī)低頻振動分析。
為了進(jìn)一步確認(rèn)該直升機(jī)低頻振動的原因,同時(shí)更為直觀地判斷旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率是否合成形成拍頻,在1.1節(jié)振動數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,利用帶通濾波[4]方法,得到旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率合成后的時(shí)域曲線圖,如圖4所示。通過對比圖1、圖3和圖4,進(jìn)一步確定了該架機(jī)在飛行員反映低頻振動的飛行狀態(tài)下存在拍頻現(xiàn)象。綜合1.1節(jié)的分析結(jié)果,確定了該架機(jī)座艙低頻振動的原因?yàn)椋鹤搩?nèi)兩個(gè)相近頻率旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在特定飛行狀態(tài)下振幅相等,導(dǎo)致這兩個(gè)頻率合成出現(xiàn)拍頻現(xiàn)象,同時(shí)飛行員感受到明顯的低頻振動。
圖4 低頻振動狀態(tài)下帶通濾波時(shí)域圖
通過飛行振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果,確定了該架機(jī)出現(xiàn)座艙低頻振動的原因,針對座艙低頻振動的原因和拍頻形成機(jī)理,給出如下的改善建議和措施:
1) 增大旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的頻率差:更改旋翼2kΩ或更改尾槳kΩt頻率;
2) 增大座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅差,改變駕駛艙內(nèi)兩頻率的振幅:調(diào)整旋翼錐體和動平衡,同時(shí)調(diào)整尾槳動平衡,必要時(shí)可以嘗試更換尾槳葉;
3) 由于座艙拍頻現(xiàn)象與座艙的旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅相關(guān),而旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率下的振幅與飛行狀態(tài)相關(guān),因此當(dāng)座艙出現(xiàn)低頻振動(拍頻),可以嘗試改出當(dāng)前飛行狀態(tài)進(jìn)行改善。
更改直升機(jī)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率,涉及到旋翼系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)和尾槳等一系列系統(tǒng)參數(shù)的更改,涉及的系統(tǒng)較多而且有可能會影響全機(jī)主要性能指標(biāo),所以目前不具備更改條件。因此只能考慮對座艙旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率的振幅進(jìn)行改善從而改善座艙低頻(拍頻)振動。
通過試飛驗(yàn)證,飛行員反饋結(jié)果表明第2條和第3條措施均有效,具體為:①當(dāng)座艙出現(xiàn)低頻振動(拍頻)時(shí),飛行員改出當(dāng)前飛行狀態(tài),低頻(拍頻)振動現(xiàn)象消失;②對旋翼錐體和動平衡以及尾槳動平衡進(jìn)行調(diào)整后,在特定飛行狀態(tài)下低頻(拍頻)振動現(xiàn)象仍存在,但振動感受(振幅)有所改善。
為了改善某型直升機(jī)座艙低頻振動現(xiàn)象,通過飛行振動數(shù)據(jù)分析,確定了該問題原因,并通過分析該現(xiàn)象的形成機(jī)理,給出了相應(yīng)的改善建議,并經(jīng)過了實(shí)際飛行驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:
1)該架機(jī)座艙低頻振動現(xiàn)象是一種典型的拍頻現(xiàn)象,是由于在特定飛行狀態(tài)下座艙內(nèi)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率兩個(gè)相近頻率振幅相同或相近引起的;
2)旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率在座艙內(nèi)的振幅一般都較小,在進(jìn)行飛行振動分析時(shí)容易被忽略,因此在后續(xù)振動分析時(shí)需要對旋翼2kΩ和尾槳kΩt頻率引起的拍頻現(xiàn)象予以關(guān)注;
3)拍頻現(xiàn)象是一種特殊的振動現(xiàn)象,由于直升機(jī)振源多,頻率成分多,其振動問題較為復(fù)雜,因此在進(jìn)行振動分析時(shí),需要仔細(xì)區(qū)分拍頻振動現(xiàn)象與其他低頻振動現(xiàn)象;
4)本文分析了拍頻的形成機(jī)理,提出了相應(yīng)的改善建議和措施,經(jīng)實(shí)際飛行驗(yàn)證,能夠在一定程度上改善座艙振動,為后續(xù)外場直升機(jī)低頻振動分析和解決提供了思路。