基于試重法解決直升機旋翼動平衡調整問題

馮啟發 趙鵬舉 文建峰

（中國人民解放軍69008 部隊，五家渠 831300）

旋翼系統是直升機產生振動的主要來源，錐體及槳葉振動需要通過檢測和調整實現有效控制。振動產生的原因，是在飛行（地面試車、平飛、懸停）的過程中，槳葉在穩定轉速條件下，作用在各片槳葉上的離心力不同，旋翼中心將會產生離心力合力，導致其水平方向發生振動。振動大小取決于槳葉離心力不平衡量。旋翼槳葉處在每轉進行一次氣動環境變化的狀態，因此會產生持續氣動激振力。受機體對尾流阻塞作用的影響，槳葉每次轉動也會產生一次交變氣動激振力，各片槳葉的氣動激振力與質量力共同構成槳轂力，造成直升機振動。

更換單個或多個上下夾板組件、阻尼器或阻尼器帶柄軸承、旋翼彈性軸承時，新舊機件強度和疲勞程度不一致或工裝安裝機件過程中誤差把握不嚴等，都會影響直升機的旋翼動平衡。旋翼動平衡調整不符合規律變化、空中地面振動相位分離、設備初始相位移位等，會導致振動值難以調整到合格水平的情況。調整時，采用重新裝配阻尼器及帶柄軸承、復裝夾板組件和調換槳葉等方式，工作量較大且效果具有不確定性，使得外場旋翼動平衡調整工作非常被動。為此，基于試重法總結出一套行之有效的方法，以便針對性解決此類問題[1]。

1 基于試重法的動平衡調整原理

試重法的本質是利用初始振動、試重和加重后振動組成的矢量關系，通過極坐標系作圖法確定槳葉位置，進而計算出應加載的配重和位置[2]。試重法原理圖如圖1 所示。首次開車檢查，初始振動為0.86 cm·s-1，相位50°，即圖1 中的A點，不符合動平衡小于0.51 cm·s-1的要求?，F任選一片槳葉（4 號），加上配重P后重新開車測量，結果為0.91 cm·s-1，相位112°，即B點處。連接A、B，以AB方向為4 號槳葉配重的加載方向，即AB是4 號槳葉加上P質量后產生的偏移量。這個偏移量使振動從A點轉移到B點。由于AB平行于4 號槳葉，可以確定4 號槳葉的位置，進而確定所有槳葉在坐標系中的相位，圖1中的1～5 線條表示槳葉。利用圖1 中的振動點A，可以概略計算出相應槳葉上的調整配重。需注意，由于是在初始振動基礎上添加的配重，計算出來的結果應減去試重調整的配重。

圖1 試重法原理圖

試重法可以根據地面和空中的振動大小及相位變化情況，重新繪制地面和空中的相位圖，查看地面和空中相位圖的差異，定性定量分析振動變化的情況，從而找到變化規律，有針對性地進行動平衡調整，為外場旋翼動平衡調整工作提供依據[3]。

2 旋翼動平衡調整步驟及外場實際操作過程

根據槳葉的特點，可以認為各加載點加載產生的振動響應的相對相位與槳葉加載點布局一致，各加載點分布半徑相同，而且位于同一個平面。為了便于現場繪制，事先準備好調整參考圖，參考圖上標有不同半徑的同心圓和角度，分別代表相應的振動值和相位。首先，測量初始狀態的動平衡振動值和相位，并在參考圖中繪出該動平衡狀態點。其次，選擇任意一處支臂，加載一個試配重塊，測量動平衡值，并在圖中繪出加載后的動平衡狀態點。再次，在圖中做出該支臂單獨加載的振動響應矢量，并以矢量方向作為支臂動平衡加載的坐標軸方向。最后，俯視或仰視旋翼，保證各支臂處于順時針旋轉狀態。由于各支臂加載坐標軸的相對位置與支臂加載點布局一致，以試加配重的支臂坐標軸相位為基準，繪制出各坐標軸的加載坐標圖，再根據平衡振動矢量和坐標軸的相對角度關系，找到合適加載的支臂。具體配重質量根據質量和振動幅值的比例關系確定。

根據相關技術文件和手冊規定，旋翼最終動平衡值應小于0.51 cm·s-1。因此，如果動平衡調整合格，對應的動平衡點應落在代表0.51 cm·s-1的圓形區域內。以國產測振設備XZD-1 為例，介紹旋翼動平衡調整外場實際操作過程。旋翼系統共5 片槳葉，該設備基準相位黃色槳葉為0°，俯視逆時針旋轉分別為黃、紅、黑、白、藍色槳葉，每兩片槳葉之間的相位為72°，槳葉旋轉方向為俯視順時針狀態。劃分10組進行外場動平衡調整，數據如表1 所示。

表1 動平衡調整數據表

根據表1，對第1 組、2 組、3 組、6 組、7 組、8 組和9 組進行配重調整，符合試重法的條件，因此運用試重法的原理繪制示意圖，如圖2 所示。圖2 中，空心點、虛線為根據地面振動數據繪出的圖像，實心點、實線為根據空中振動數據繪出的圖像，帶圈的黃、紅、黑、白、藍標記點為此設備槳葉的基準相位。

圖2 試重法示意圖

測出第1 組數據后，得知空中和地面（下文簡稱空地）振動相位相反，而且空中數值較大，因此先按照空中振動數據進行調整，依據基準相位黃色槳葉在0°位置，初步判斷振動點在黑色槳葉附近，可以減去黑色槳葉的2 片配重。減重后重新測量，可知空中振動減小，地面振動增大，第2 組數據基本符合規律變化。根據第1、2 組數據確定的槳葉位置，可以判斷第2 組數據在藍色槳葉附近，而且空地振動相位相反，空中數值較大。按照第2 組空中振動數據進行調整，在藍色槳葉上增加2 片配重，再重新測量，測得空中振動減小，地面振動增大，第3 組數據基本符合規律變化。分析第1～3 組數據，空地的相位和基準相位基本吻合，差距不大，但是空地呈現的振動點不在同一個位置。這會導致空中振動不斷減小的同時地面振動逐漸增大，而且空地振動數值相差較大不能同時調整到合格要求。

在配重調整無法繼續時，調整變距拉桿長度，對旋翼錐體再做調整。調整錐體會改變振動相位，讓空地振動相位發生變化，達到減小空地振動相位夾角的目的，方便空地振動的統一調整。需注意，該設備的錐體一直處于動態變化，每次調整配重后都會造成旋翼錐體的變化。根據頻閃儀測量結果將白色和藍色槳葉同時增加6 個齒后，測得第4 組振動數據有所下降。繼續優化旋翼錐體水平度，紅色和黑色變距拉桿各減少3 個齒，測得第5 組數據結果不太理想。根據第5 組數據，并結合前4 組數據，確定在黑色槳葉上加3 片配重，得到第6 組振動數據。第6 組數據空地都在藍色槳葉一側，因此在藍色槳葉上減去2 片配重，測得第7 組數據。分析第6、7 組數據可知，這2 組數據變化量太大，不符合規律，但是此時的空地振動相位夾角變小。結合空中旋翼錐體情況，再次調整旋翼錐體，黑色槳葉變距拉桿減少2 個齒，藍色減少6個齒，測得第8 組振動數據，可知空地振動值都有所降低，而且空地振動相位基本保持一致[4-5]。按照第8 組數據，在紅色槳葉上減掉1 片配重，測得第9 組數據。這組數據空地振動都有所減小，但變化極小。再在紅色槳葉上減去3 片配重，測得第10 組振動數據，空地振動都符合要求。

通過數據分析和圖2 可以看出：實線所示的空中振動數據比較穩定，相位變化較小，而且和基準相位相差不大；虛線所示的地面振動數據變化量較大，而且距基準相位偏差較大，導致地面動平衡調整過程中變化不符合規律或變化量較小。因此，在調整中應以空中數據為準，并關注地面振動的變化，逐步實現空地振動數據都符合要求。

在前2 次的動平衡調整中，空中和地面的振動大小不一致，相位基本相反，導致調整達不到振動值0.51 cm·s-1以下的要求。從第6～10 組數據可以看出，雖然空地振動點位置統一，但是相位卻逐漸分離。因此，應通過試重法的原理在外場分析數據，相對準確地把握數據變化的規律，有針對性地調整空地的振動水平，從而滿足振動值要求。

針對動平衡調整出現較為復雜的情況，每次調整時盡量采取單一的調整方式。只使用配重塊調整或拉桿長度調整的方式，配重塊調整也只在一片旋翼支臂上進行增減。多次采用試重法測量多組數據，進行全面和準確的繪圖分析，了解直升機動平衡調整中的變化規律，為后續的工作提供有效有利的依據。

3 結語

在直升機動平衡調整過程中，會遇到空地振動相位角度相差較大，調整后出現一方振動減小、一方增大，不能同時滿足要求的情況，或調整后出現地面配重調整效果明顯，而空中配重調整不太明顯，未按預期目標變化等問題。試重法可以滿足各種旋翼的動平衡調整要求，通用性強，方法簡單，工具設備需求也不高，只要提前準備好調整參考圖，現場就可以快速準確地分析并簡單快捷地操作，避免了盲目操作，降低了工作難度，省時省力，能夠及時有效地解決問題，保證設備的完好率。為此，基于試重法解決直升機旋翼動平衡調整中的疑難問題，有效分析直升機空中地面的振動數據，并有針對性地提出解決方法和措施，使得空地振動數據都符合要求。