唐虎生，黃安

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

無(wú)人直升機(jī)槳葉的加工誤差和氣動(dòng)干擾會(huì)引起較大振動(dòng)響應(yīng)，剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)氣動(dòng)載荷復(fù)雜，振動(dòng)響應(yīng)大，其動(dòng)平衡調(diào)整是一項(xiàng)十分重要的工作。本文參考常規(guī)構(gòu)型動(dòng)平衡調(diào)整方法，對(duì)剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整進(jìn)行研究，根據(jù)雙旋翼氣動(dòng)特性，采用試重法，簡(jiǎn)化雙旋翼配重加載方式，可在地面簡(jiǎn)便快捷地調(diào)整旋翼動(dòng)平衡。

無(wú)人直升機(jī)旋翼系統(tǒng)是升力的來(lái)源，也是無(wú)人直升機(jī)振動(dòng)的主要來(lái)源之一，無(wú)人直升機(jī)特殊的飛行模式雖具有優(yōu)良飛行性能，但也一直被振動(dòng)問(wèn)題困擾。降低無(wú)人直升機(jī)振動(dòng)并提高其飛行品質(zhì)，是新型無(wú)人直升機(jī)研制的重難點(diǎn)。由于加工誤差和氣動(dòng)干擾，旋翼系統(tǒng)工作時(shí)，各槳葉離心力和氣動(dòng)載荷力不相等因素會(huì)使旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生較大振動(dòng)。剛性共軸雙旋翼由相反旋轉(zhuǎn)的上、下兩副剛性旋翼構(gòu)成，具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，翼面載荷小，且無(wú)人直升機(jī)能以較高的速度前行等優(yōu)點(diǎn)。但剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)的上下旋翼之間、旋翼與機(jī)體之間產(chǎn)生的嚴(yán)重氣動(dòng)干擾，與常規(guī)構(gòu)型無(wú)人直升機(jī)截然不同，剛性共軸雙旋翼轉(zhuǎn)速快，氣動(dòng)載荷復(fù)雜，旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)載荷更大，更需要對(duì)旋翼系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整。本文參考常規(guī)構(gòu)型無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整方法，對(duì)剛性共軸雙旋翼動(dòng)平衡調(diào)整進(jìn)行研究。

無(wú)人直升機(jī)主要通過(guò)槳距調(diào)節(jié)升力和飛行速度，旋翼的旋轉(zhuǎn)速率是定值，每片槳葉的氣動(dòng)載荷是一個(gè)相位不同、周期相同的周期函數(shù)，各槳葉的載荷在槳轂疊加后引起的振動(dòng)頻率是定值。旋翼動(dòng)平衡調(diào)整目標(biāo)是，將旋翼系統(tǒng)傳到機(jī)身結(jié)構(gòu)上的NΩ交變載荷抵消掉（N為槳葉片數(shù)，Ω代表額定旋翼轉(zhuǎn)速），使無(wú)人直升機(jī)三個(gè)方向的1Ω振動(dòng)降到設(shè)計(jì)要求水平。

無(wú)人直升機(jī)槳葉調(diào)整參數(shù)與機(jī)體振動(dòng)值是線性映射關(guān)系，基于此原理其他研究人員提出基于階次跟蹤、基于GRNN神經(jīng)網(wǎng)格模型方法、追蹤最優(yōu)化網(wǎng)格方法，對(duì)無(wú)人直升機(jī)旋翼動(dòng)平衡進(jìn)行調(diào)整。但這些方法需要已知數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，不適用新型無(wú)人直升機(jī)研制中的地面聯(lián)合試驗(yàn)。共軸雙旋翼系統(tǒng)的振動(dòng)大且調(diào)平復(fù)雜，本文基于剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)地面動(dòng)平衡調(diào)整工程實(shí)踐，提出一種系統(tǒng)且全面的雙旋翼動(dòng)平衡調(diào)整方法。

旋翼動(dòng)平衡調(diào)整方法

旋翼動(dòng)平衡調(diào)整的核心是通過(guò)改變槳葉參數(shù)，彌補(bǔ)槳葉加工誤差，使旋翼系統(tǒng)工作狀態(tài)重新得到平衡，或通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)與原有振動(dòng)方向相反、振動(dòng)值大小相同的振動(dòng)，以抵消一部分原有的振動(dòng)。目前主要通過(guò)調(diào)整槳葉離心力或氣動(dòng)力來(lái)調(diào)整。

槳葉離心力調(diào)整主要是在槳葉根部增加或減少配重，重新調(diào)整槳葉的質(zhì)量分布，使槳葉質(zhì)量分布變化引起的振動(dòng)來(lái)抵消原先的振動(dòng)。

槳葉氣動(dòng)力調(diào)整主要是調(diào)節(jié)變距拉桿和槳葉后緣調(diào)整片，變距拉桿可以改變槳葉的槳距，槳距變化直接影響槳葉的升力，改變槳距對(duì)槳葉的氣動(dòng)載荷影響最大，是旋翼動(dòng)平衡調(diào)整方法中能發(fā)揮最大調(diào)節(jié)作用的方式；改變槳葉氣動(dòng)力還可以通過(guò)調(diào)整槳葉后緣片的彎曲來(lái)改變槳葉局部氣動(dòng)特性，改變槳葉氣動(dòng)力會(huì)使旋翼系統(tǒng)的升力函數(shù)發(fā)生改變，在新型無(wú)人直升機(jī)研制試驗(yàn)時(shí)，可能導(dǎo)致后續(xù)旋翼升力數(shù)據(jù)的偏差。

剛性共軸雙旋翼由上下旋轉(zhuǎn)方向相反的兩組旋翼系統(tǒng)組成，兩組旋翼產(chǎn)生的不平衡扭矩可以互相抵消，如采用改變氣動(dòng)力來(lái)調(diào)整旋翼系統(tǒng)的動(dòng)平衡，共軸剛性雙旋翼需要同時(shí)改變兩組相對(duì)應(yīng)的槳葉氣動(dòng)載荷，找出兩組相對(duì)應(yīng)旋翼的工作復(fù)雜性，不適用試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。改變槳葉質(zhì)量分布調(diào)整剛性共軸雙旋翼系統(tǒng)的動(dòng)平衡最合適，本次剛性共軸雙旋翼的動(dòng)平衡調(diào)整選用試重法。試重法可在無(wú)任何初始數(shù)據(jù)條件下，利用矢量相加的方法，對(duì)一次初始無(wú)配重下振動(dòng)數(shù)據(jù)和一次試配重后的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出滿足旋翼動(dòng)平衡要求的下一次加載重量及加載點(diǎn)。

動(dòng)平衡檢查

旋翼動(dòng)平衡測(cè)量調(diào)整是在額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下進(jìn)行，為降低動(dòng)平衡調(diào)整對(duì)其他系統(tǒng)壽命的影響，加快試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作進(jìn)度，有效提出旋翼系統(tǒng)調(diào)整的建議，減少動(dòng)平衡調(diào)整開車次數(shù)，需要旋翼系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)值數(shù)據(jù)作為依據(jù)，因此需要對(duì)旋翼系統(tǒng)的動(dòng)平衡振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行快速檢查。

動(dòng)平衡設(shè)備

動(dòng)平衡檢查設(shè)備為XZD-5旋翼錐體與動(dòng)平儀，該型動(dòng)平衡儀可以測(cè)得動(dòng)平衡的幅值和相位，廣泛應(yīng)用于各機(jī)型地面、空中旋翼系統(tǒng)的動(dòng)平衡調(diào)整。

XZD-5旋翼錐體與動(dòng)平儀由主機(jī)、手持儀、振動(dòng)傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、線纜和反光紙等組成。

動(dòng)平衡設(shè)備安裝

將振動(dòng)傳感器安裝在主減速器上，位置靠近旋翼軸，方向?yàn)閅方向；光電傳感器安裝在機(jī)身上，方向垂直于旋翼面，在光電傳感器正上方的下旋翼黃色基準(zhǔn)槳葉下表面，貼上反光紙。光電傳感器是一個(gè)旋翼實(shí)際轉(zhuǎn)速采集傳感器，光電傳感器向槳葉的反光紙發(fā)送脈沖信號(hào)，反光紙每經(jīng)過(guò)一次光電傳感器，光電傳感器將接受一次信號(hào)，即可得知旋翼轉(zhuǎn)速。

動(dòng)平衡調(diào)整步驟

在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，采用試重法可以快速粗略地將旋翼系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)調(diào)至滿足設(shè)計(jì)要求，該型剛性共軸雙旋翼要求Y方向振動(dòng)值小于0.2IPS，進(jìn)行動(dòng)平衡檢查與計(jì)算，可以忽略影響較小的參數(shù)，忽略槳葉厚度，將槳葉視為一個(gè)無(wú)厚度的平面，并做出兩種假設(shè)：第一，在同一槳葉上加載配重，改變的動(dòng)平衡幅值與質(zhì)量成正比，相位不變；第二、在各槳葉加載相同質(zhì)量，改變的動(dòng)平衡振動(dòng)響應(yīng)幅值均相同。無(wú)人直升機(jī)旋翼系統(tǒng)動(dòng)平衡地面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試步驟如下。

第一，測(cè)量無(wú)配重當(dāng)前狀態(tài)下動(dòng)平衡幅值和相位，并在預(yù)先備好的動(dòng)平衡調(diào)整圖即圖1中繪出該動(dòng)平衡狀態(tài)點(diǎn)；

圖1 動(dòng)平衡調(diào)整圖，圖上的數(shù)字為時(shí)間。

第二，試配重。選擇一個(gè)基準(zhǔn)槳葉，在槳葉根部加載一個(gè)試配重塊，測(cè)量動(dòng)平衡值，并在動(dòng)平衡圖中繪出其狀態(tài)點(diǎn)；

第三，連接兩狀態(tài)點(diǎn)，其連線矢量方向即是基準(zhǔn)槳葉方向，旋轉(zhuǎn)槳葉，將其與該矢量方向平行，得到各槳葉與坐標(biāo)軸的相對(duì)位置，繪出各槳葉加載坐標(biāo)圖，該坐標(biāo)圖即為初步動(dòng)平衡圖；

第四，根據(jù)平衡振動(dòng)矢量和坐標(biāo)軸的相對(duì)角度關(guān)系，找到合適加載支臂。具體配重質(zhì)量根據(jù)質(zhì)量與振動(dòng)幅值的比例關(guān)系計(jì)算確定，如一次不成功，根據(jù)最新數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正，直到使動(dòng)平衡向圓心靠近，到達(dá)設(shè)計(jì)要求。

圖2 動(dòng)平衡調(diào)整流程圖。

剛性共軸雙旋翼動(dòng)平衡調(diào)整

本次剛性共軸雙旋翼動(dòng)平衡調(diào)整選擇在剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)地面聯(lián)合試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)旋翼圖，如圖3所示，上下旋翼槳葉標(biāo)定及旋轉(zhuǎn)方向如圖4、5。設(shè)計(jì)任務(wù)要求旋翼系統(tǒng)動(dòng)平衡振動(dòng)響應(yīng)值在Y方向上為IPS＜0.2。

圖3 剛性共軸雙旋翼示意圖。

圖4 下旋翼槳葉示意圖。

調(diào)整前準(zhǔn)備

圖5 上旋翼槳葉示意圖。

在槳葉翼跟下方的機(jī)身支架上安裝振動(dòng)傳感器，用于測(cè)量旋翼系統(tǒng)1Ω水平方向即Y方向的振動(dòng)值，該傳感器的安裝位置嚴(yán)格垂直于旋翼旋轉(zhuǎn)平面。在黃色基準(zhǔn)槳葉翼跟的下表面安裝反光片，在機(jī)身預(yù)留傳感器支架上安裝帶支座的光電傳感器，光電傳感器射出的光束指向反光片，振動(dòng)傳感器和光電傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)線與遠(yuǎn)處的動(dòng)平衡分析儀相連接，以上裝置可測(cè)量出旋翼轉(zhuǎn)速及該轉(zhuǎn)速下的動(dòng)平衡振動(dòng)值及相位。調(diào)整前需要對(duì)光電傳感器和動(dòng)平衡分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)與狀態(tài)確認(rèn)。

動(dòng)平衡調(diào)整

動(dòng)平衡調(diào)整開始，旋翼系統(tǒng)首次地面開車檢查，初始動(dòng)平衡振幅為0.3IPS＠9:00，即為動(dòng)平衡圖上的A點(diǎn)，不滿足動(dòng)平衡振動(dòng)幅值小于0.2IPS的設(shè)計(jì)要求。剛性共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)直升機(jī)的最大振動(dòng)源來(lái)自上旋翼振動(dòng)，為減少動(dòng)平衡調(diào)整影響參數(shù)，本次動(dòng)平衡調(diào)整只在上旋翼加配重。選擇在上旋翼黃色槳葉試加321.9g配重，開車后檢查結(jié)果為0.75IPS＠8:08，見圖6中的B點(diǎn)方向代表黃色槳葉加載方向，將旋翼系統(tǒng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，黃色槳葉與平行，動(dòng)平衡圖中旋轉(zhuǎn)后的槳葉t與坐標(biāo)軸相對(duì)位置如圖6所示。|AB|線段長(zhǎng)度代表試重后振動(dòng)變化的幅值，約為35.83mm，對(duì)應(yīng)質(zhì)量為321.9g。由動(dòng)平衡圖的結(jié)果分析可知，如果要實(shí)現(xiàn)旋翼系統(tǒng)振動(dòng)值小于0.2IPS的動(dòng)平衡調(diào)整目標(biāo)，需要將黃槳試配重去掉，再根據(jù)前兩次動(dòng)平衡結(jié)果計(jì)算出配重加載重量及加載點(diǎn)。如圖6所示，

圖6 動(dòng)平衡調(diào)整結(jié)果圖。

計(jì)算得出，

要想將動(dòng)平衡點(diǎn)落在O點(diǎn)，需要在上旋翼紅槳上加載113.3g，黑槳上加載140.3g，在無(wú)人直升機(jī)旋翼系統(tǒng)動(dòng)平衡調(diào)整時(shí)，盡量只在一片槳葉上增加配重或在兩片槳葉上增加相同重量的配重，便于在調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)快速利用動(dòng)平衡圖簡(jiǎn)單計(jì)算出配重與振動(dòng)數(shù)值變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并方便判斷矢量圖的方向，受限于調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)單個(gè)配重片質(zhì)量，因此在紅槳及黑槳各加152.3g的配重。加載后，實(shí)測(cè)動(dòng)平衡值為0.05IPS＠11:56，滿足振動(dòng)值小于0.2IPS的設(shè)計(jì)要求，剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整完成。

總結(jié)

剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)氣動(dòng)載荷復(fù)雜，振動(dòng)響應(yīng)大，其動(dòng)平衡調(diào)整是一項(xiàng)十分重要的工作。本文參考常規(guī)構(gòu)型動(dòng)平衡調(diào)整方法，對(duì)剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整進(jìn)行探索研究，根據(jù)雙旋翼氣動(dòng)特性，簡(jiǎn)化雙旋翼配重加載方式，調(diào)整結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

調(diào)整結(jié)果顯示，剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)的動(dòng)平衡調(diào)整原理與常規(guī)構(gòu)型類似，采用試重法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單工具計(jì)算，在極少的開車次數(shù)下即可將動(dòng)平衡振動(dòng)響應(yīng)值調(diào)整至設(shè)計(jì)要求，具有準(zhǔn)確性、快速性及良好的通用性。

該方法可以適用于其他相似構(gòu)型的無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整。雖剛性共軸雙旋翼無(wú)人直升機(jī)動(dòng)平衡調(diào)整影響因素眾多，但只需對(duì)影響最大的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即可滿足動(dòng)平衡設(shè)計(jì)要求。動(dòng)平衡調(diào)整原理簡(jiǎn)單，但計(jì)算復(fù)雜，如果將其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化，內(nèi)置于動(dòng)平衡分析儀中，可以利用動(dòng)平衡分析儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算下一次動(dòng)平衡試驗(yàn)所需加載配重重量值及加載點(diǎn)，簡(jiǎn)化動(dòng)平衡調(diào)整對(duì)工作人員的要求，降低用戶維護(hù)難度，應(yīng)用于無(wú)人直升機(jī)大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景的維護(hù)。