沈安瀾,李廣健,牛亞巍,楊昭奎

(1. 中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2. 解放軍73602部隊(duì),江蘇 南京 210000;3.昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

直升機(jī)振動(dòng)問(wèn)題一直是制約直升機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。直升機(jī)振動(dòng)環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響機(jī)載設(shè)備的壽命、結(jié)構(gòu)的可靠性以及乘員的駕乘舒適性。引起直升機(jī)振動(dòng)的原因較為復(fù)雜,影響因素多[1-4],因此當(dāng)直升機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)如何快速準(zhǔn)確地確定產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因就顯得尤為重要。

針對(duì)一次直升機(jī)腳蹬異常低頻振動(dòng)故障,為了確定引起腳蹬異常低頻振動(dòng)的原因,本文基于腳蹬處飛行振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和尾操縱拉桿固有頻率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立了集中質(zhì)量模型,計(jì)算分析了尾操縱桿系的動(dòng)力學(xué)特性以及對(duì)于不同頻率振動(dòng)的傳遞特性;確定了腳蹬振動(dòng)主要與直升機(jī)尾部振動(dòng)有關(guān);明確了該起腳蹬異常低頻振動(dòng)的原因,并根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。經(jīng)飛行驗(yàn)證,腳蹬異常低頻振動(dòng)問(wèn)題明顯改善,表明解決措施有效。本文的工作可為后續(xù)同類問(wèn)題的分析處理以及后續(xù)直升機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中操縱拉桿的設(shè)計(jì)提供參考。

1 振動(dòng)問(wèn)題描述

據(jù)飛行員反饋,該次腳蹬打腳問(wèn)題的主要表現(xiàn):飛行全程腳蹬存在高頻振動(dòng)疊加異常低頻振動(dòng),特別是1秒1下的異常低頻振動(dòng)的振感強(qiáng)烈,影響飛行員正常的飛行操縱。

腳蹬處實(shí)測(cè)振動(dòng)水平數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和圖1所示,腳蹬振動(dòng)以垂向振動(dòng)為主。其主要頻率成分為主槳一階通過(guò)頻率(KΩ),尾槳轉(zhuǎn)速頻率(Ωt)以及尾槳一階通過(guò)頻率(KtΩt)。

圖1 腳蹬測(cè)點(diǎn)垂向典型頻譜圖

表1 飛行振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果

圖1所示的腳蹬振動(dòng)的頻譜曲線中,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在異常的低頻振動(dòng)頻率成分。為了分析腳蹬異常低頻振動(dòng)的具體頻率特征,進(jìn)一步對(duì)腳蹬振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波分析,發(fā)現(xiàn)腳蹬處也并不存在異常的低頻振動(dòng)成分。進(jìn)一步通過(guò)帶通濾波分析發(fā)現(xiàn),主槳KΩ和尾槳Ωt振動(dòng)合成了頻率為1.3 Hz振幅為1.0g的拍頻振動(dòng),如圖2所示。拍頻振動(dòng)的主要原因是當(dāng)兩個(gè)相近頻率的振幅相當(dāng)時(shí),振幅的包絡(luò)線形成了一種特殊的低頻振動(dòng)[5-8]。結(jié)合該機(jī)出現(xiàn)腳蹬異常低頻振動(dòng)的時(shí)機(jī),確認(rèn)該機(jī)腳蹬異常低頻振動(dòng)是因腳蹬處主槳KΩ和尾槳Ωt振動(dòng)合成1.3 Hz的拍頻振動(dòng)所致。

圖2 腳蹬測(cè)點(diǎn)垂向?yàn)V波后時(shí)域曲線圖

腳蹬實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,腳蹬處KΩ和Ωt振幅分別為0.82g和0.45g,這兩個(gè)主要頻率下的振動(dòng)水平均偏大。因此,為了解決腳蹬處的低頻拍振問(wèn)題,基于拍頻振動(dòng)的形成機(jī)理,就必須要降低腳蹬處主槳KΩ以及尾槳Ωt的振幅,并且兩者的幅值需要盡可能地差得遠(yuǎn)。而為了降低腳蹬處主槳KΩ以及尾槳Ωt振幅,需要先行確定腳蹬處主槳KΩ和尾槳Ωt振動(dòng)的主要傳遞路徑以及該傳遞路徑上的振動(dòng)傳遞特性,從而確定相應(yīng)的解決措施。

2 動(dòng)力學(xué)建模分析

如表1所示,腳蹬、座艙和尾減的振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明,腳蹬處KΩ、Ωt和KtΩt等主要振動(dòng)頻率下的振動(dòng)水平均遠(yuǎn)高于座艙的振動(dòng)水平。對(duì)比腳蹬主要頻率下的振動(dòng)幅值與尾減處的振動(dòng)幅值發(fā)現(xiàn):腳蹬處主槳KΩ振動(dòng)水平略大于尾減;腳蹬處尾槳Ωt振動(dòng)水平略小于尾減;腳蹬處尾槳KtΩt振動(dòng)水平明顯小于尾減。進(jìn)一步對(duì)比分析腳蹬、座艙和尾減主要頻率下振幅的變化趨勢(shì),結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 腳蹬與尾減KΩ振動(dòng)變化趨勢(shì)對(duì)比圖

圖4 腳蹬與尾減Ωt振動(dòng)變化趨勢(shì)對(duì)比圖

該機(jī)地面操縱拉桿動(dòng)特性測(cè)試結(jié)果顯示,尾操縱拉桿固有頻率均已經(jīng)避開(kāi)了主要激勵(lì)頻率,因此可以排除是由于單根操縱拉桿存在共振導(dǎo)致腳蹬振動(dòng)偏大。另外,通過(guò)飛行實(shí)測(cè)結(jié)果分析,初步確定該起腳蹬振動(dòng)大一方面與直升機(jī)尾部振動(dòng)有關(guān),另外還與尾操縱桿系振動(dòng)傳遞特性不佳有關(guān)。

之前有學(xué)者曾對(duì)直升機(jī)操縱拉桿振動(dòng)特性進(jìn)行分析研究[9],但也僅限于對(duì)操縱拉桿固有頻率靠近旋翼激勵(lì)頻率的情況進(jìn)行了分析,缺少操縱桿系對(duì)不同頻率振動(dòng)水平的傳遞特性的研究。目前對(duì)于由不同固有頻率拉桿組成的操縱桿系的振動(dòng)傳遞特性問(wèn)題,在工程上并沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析。因此,為了解決該起腳蹬異常低頻振動(dòng)問(wèn)題,需要對(duì)操縱桿系對(duì)不同頻率振動(dòng)的傳遞特性進(jìn)行研究和分析。

直升機(jī)操縱桿系大多采用硬式連桿設(shè)計(jì),由多段不同尺寸的中空拉桿組成,如圖5所示。

圖5 尾操縱桿系結(jié)構(gòu)示意圖

本文基于集中質(zhì)量模型[10-13]建立動(dòng)力學(xué)分析模型,開(kāi)展參數(shù)化計(jì)算分析,得到了尾操縱桿系的對(duì)特定頻率振動(dòng)的傳遞特性,并進(jìn)一步分析得到不同位置的操縱拉桿主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)對(duì)不同激勵(lì)頻率振動(dòng)傳遞特性的影響的趨勢(shì)?；诜治鼋Y(jié)果制定了相應(yīng)的解決措施。

2.1 參數(shù)化建模分析

直升機(jī)尾操縱桿系大多采用多段不同尺寸的長(zhǎng)直中空桿通過(guò)拉桿接頭和拉桿搖臂聯(lián)接組成的。由于操縱拉桿側(cè)向和垂向邊界約束有較大區(qū)別,而且操縱桿系航向操縱運(yùn)動(dòng)為自由狀態(tài),因此本文主要針對(duì)直升機(jī)尾操縱桿系的垂向和側(cè)向振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行分析。將直升機(jī)操縱桿系簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量模型,并對(duì)其進(jìn)行離散化,將操縱桿系的無(wú)限自由度降階為有限自由度。如圖6所示,模型中mi(i=1,2,…,n)表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的集中質(zhì)量;ki(i=1,2,…,n)表示第i段拉桿的彎曲剛度。

圖6 集中質(zhì)量模型

將直升機(jī)操縱桿系根據(jù)操縱拉桿數(shù)量離散為有限個(gè)部段,并得到系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K;基于振動(dòng)分析的機(jī)械阻抗基本方法[14],得到系統(tǒng)的位移阻抗Z;同時(shí),為了簡(jiǎn)化分析,不考慮阻尼的影響,則系統(tǒng)的位移阻抗為:

(1)

系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為:

[z][x]=[f]

(2)

由系統(tǒng)的固有頻率滿足阻抗的行列式為零,即可求得系統(tǒng)的自身圓頻率ω,如下式:

|z|=|K-ω2M|

(3)

在正弦激勵(lì)條件下,式(2)的穩(wěn)態(tài)解呈正弦形式。進(jìn)一步計(jì)算得到系統(tǒng)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)。

2.2 參數(shù)影響分析

本文基于各操縱拉桿固有頻率測(cè)試結(jié)果得到各操縱桿的垂向和側(cè)向抗彎剛度,如表2所示。根據(jù)操縱桿系中各根操縱拉桿的剛度和質(zhì)量建立集中質(zhì)量參數(shù)化分析模型,并計(jì)算得到操縱桿系前3階整體固有頻率,如表3所示。分析得到了腳蹬處典型頻率下的振動(dòng)加速度傳遞率結(jié)果,如圖7、圖8以及表4所示。進(jìn)一步分析了各操縱桿質(zhì)量和剛度對(duì)操縱桿系前3階固有頻率的影響,結(jié)果如圖9-圖20所示。

圖7 側(cè)向加速度傳遞率變化對(duì)數(shù)曲線

圖8 垂向加速度傳遞率變化對(duì)數(shù)曲線

圖9 側(cè)向1階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖10 垂向1階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖11 側(cè)向2階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖12 垂向2階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖13 側(cè)向3階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖14 垂向3階頻率隨操縱桿質(zhì)量變化曲線

圖15 側(cè)向1階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

圖16 垂向1階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

圖17 側(cè)向2階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

圖18 垂向2階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

圖19 側(cè)向3階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

圖20 垂向3階頻率隨操縱桿剛度變化曲線

表2 操縱拉桿基本參數(shù)

表3 操縱桿系固有頻率計(jì)算結(jié)果

表4 腳蹬處典型頻率振動(dòng)加速度傳遞率

根據(jù)圖7、圖8以及表4所示,腳蹬對(duì)直升機(jī)尾部振動(dòng)的傳遞率在10 Hz、30 Hz以及50 Hz附近出現(xiàn)大幅增加,這與尾操縱桿系固有頻率相關(guān)。對(duì)直升機(jī)尾部20 Hz左右頻率的傳遞率處于120%左右,基本沒(méi)有衰減,甚至還有一定的放大;只有對(duì)50 Hz以上的高頻才有一定的隔振作用。分析結(jié)果與飛行振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合。

計(jì)算分析結(jié)果結(jié)合飛行振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果說(shuō)明,腳蹬處KΩ和Ωt頻率下的振動(dòng)幅值偏大主要是由于尾操縱桿系動(dòng)力學(xué)特性不佳,導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)傳遞過(guò)程中衰減量小,甚至出現(xiàn)一定程度的放大。

對(duì)比圖9-圖14可見(jiàn),各操縱拉桿對(duì)操縱桿系固有頻率均有影響。隨著操縱桿質(zhì)量增加,操縱桿系側(cè)向和垂向各階頻率降低。但不同位置操縱桿質(zhì)量變化對(duì)操縱桿系固有頻率的影響不同:兩端操縱桿(1號(hào)和9號(hào)桿)的質(zhì)量變化對(duì)垂向和側(cè)向1階固有頻率影響較大;中間的操縱桿質(zhì)量變化對(duì)尾操縱桿系1階固有頻率影響較小,而對(duì)垂向和側(cè)向2階固有頻率影響較大;兩端的操縱桿質(zhì)量變化對(duì)操縱系統(tǒng)2階固有頻率影響較小;操縱桿系3階固有頻率則受到1號(hào)、8號(hào)、4號(hào)和5號(hào)桿操縱拉桿質(zhì)量變化影響較大;其他操縱桿質(zhì)量變化對(duì)操縱系統(tǒng)前三階固有頻率影響較小。

對(duì)比圖15-圖20可見(jiàn),各操縱拉桿剛度對(duì)操縱拉桿的固有頻率存在一定的影響。同時(shí),安裝裝配等因素會(huì)對(duì)操縱拉桿的安裝剛度產(chǎn)生影響[15],因而導(dǎo)致對(duì)操縱桿系各階固有頻率存在不同程度的影響。當(dāng)操縱桿剛度較低時(shí),各操縱拉桿剛度對(duì)操縱桿系固有頻率影響較大;當(dāng)達(dá)到一定值后,隨著操縱拉桿剛度增加,操縱桿系各階固有頻率逐步趨近于某一頻率,處于操縱桿系不同位置的操縱拉桿的剛度對(duì)操縱桿系各階頻率的影響不同。

3 解決措施

該起腳蹬異常低頻振動(dòng)故障的主要原因?yàn)橹鄙龣C(jī)尾部KΩ和Ωt振動(dòng)經(jīng)尾操縱桿系傳遞至腳蹬處,腳蹬處KΩ和Ωt幅值偏高,并且因KΩ和Ωt頻率接近從而合成了低頻拍頻振動(dòng),導(dǎo)致飛行員感受到了高頻振動(dòng)的同時(shí)也感受到了約1秒1下的低頻振動(dòng)。因此,為了改善腳蹬異常低頻振動(dòng),需要將腳蹬處KΩ和Ωt振動(dòng)幅值降低并避免形成拍頻振動(dòng)。

參數(shù)化模型計(jì)算分析結(jié)果顯示,腳蹬振動(dòng)的來(lái)源為直升機(jī)尾部的振動(dòng)。另外,組成尾操縱桿系的操縱拉桿數(shù)量較多,各個(gè)操縱拉桿的質(zhì)量和剛度不僅影響其自身的固有頻率,而且對(duì)操縱桿系整體的固有頻率也有一定的影響,并且不同位置的操縱拉桿對(duì)操縱桿系整體頻率的影響程度不同。為了解決該腳蹬異常低頻振動(dòng)問(wèn)題,需要對(duì)相應(yīng)操縱拉桿的安裝固有頻率進(jìn)行調(diào)整,從而改善尾操縱桿系對(duì)特定頻率的傳遞特性。由于尾操縱拉桿安裝力矩對(duì)操縱拉桿安裝固有頻率有一定的影響[15],因此通過(guò)調(diào)整相應(yīng)操縱拉桿的安裝螺栓擰緊力矩來(lái)改變操縱拉桿的安裝固有頻率,從而改善尾操縱桿系對(duì)特定頻率的傳遞特性。

根據(jù)當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,采取的解決方案主要為:一方面降低直升機(jī)尾部主要振源的振動(dòng)水平(主要為尾槳的振動(dòng)水平);另外對(duì)相應(yīng)的操縱拉桿的安裝力矩進(jìn)行調(diào)整,改善尾操縱桿系對(duì)特定頻率的傳遞特性。

為了驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性,完成調(diào)整后開(kāi)展了試飛驗(yàn)證,結(jié)果如表5和圖21所示。

圖21 調(diào)整后腳蹬測(cè)點(diǎn)垂向?yàn)V波后時(shí)域曲線

表5 改進(jìn)前后腳蹬處振動(dòng)水平對(duì)比

根據(jù)表5和圖21結(jié)果可知,降低尾槳葉振動(dòng)以及調(diào)整尾操縱拉桿的力矩后,尾減處Ωt的振動(dòng)水平以及腳蹬KΩ和Ωt的振動(dòng)水平均明顯降低,拍頻現(xiàn)象得到明顯改善;同時(shí)飛行員反映調(diào)整后該機(jī)腳蹬異常低頻振動(dòng)現(xiàn)象明顯改善,腳蹬異常低頻振動(dòng)問(wèn)題解決。

4 結(jié)論

本文分析并解決了直升機(jī)腳蹬異常低頻振動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)建模計(jì)算分析,準(zhǔn)確定位了問(wèn)題原因,并依據(jù)計(jì)算結(jié)果,制定了相應(yīng)的解決措施,并經(jīng)過(guò)了試飛驗(yàn)證。得出如下結(jié)論:

1)直升機(jī)采用多段硬式拉桿設(shè)計(jì)的尾操縱桿系,其尾部振動(dòng)是腳蹬振動(dòng)的主要來(lái)源,而操縱桿系是腳蹬振動(dòng)的主要傳遞路徑;

2)在進(jìn)行尾操縱拉桿設(shè)計(jì)時(shí),不僅需要考慮單根拉桿固有頻率,還應(yīng)該考慮由不同尺寸操縱拉桿組成的操縱桿系的動(dòng)力學(xué)特性,必要時(shí)需要進(jìn)一步確定操縱桿系對(duì)機(jī)體主要激勵(lì)頻率振動(dòng)的傳遞特性;

3)本文建立了集中質(zhì)量模型,計(jì)算分析了操縱桿系對(duì)不同頻率的振動(dòng)傳遞特性,計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況;

4)本文根據(jù)飛行振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,結(jié)合尾操縱桿系動(dòng)力學(xué)特性和振動(dòng)傳遞特性計(jì)算分析結(jié)果,確定了故障原因,同時(shí)從外場(chǎng)排故的實(shí)際情況出發(fā)提出了相應(yīng)的解決措施,經(jīng)飛行驗(yàn)證,解決措施有效。