直升机结构与系统-第3章

第03章桨叶锥体及振动分析《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析3.1振动简介直升机由于转动部件很多，不可避免地存在振动。•振动将影响直升机的舒适程度，过大的振动将造成直升机旋转部件及结构的磨损及失效。•飞行员和机务维修人员都必须掌握直升机振动的类型和引起振动的原因。桨叶锥体与平衡以及振动分析技术的目标就是将振动控制在最小范围内，从而保证部件及机体结构的持续有效性。了解直升机振动应该从振动的频率、振动的幅度、振动出现的方式和对直升机的影响等方面入手。飞行员飞行后的报告对分析振动产生的原因将非常重要，报告•不仅能指出振动的频率、幅度，同时也能指出振动出现的方式，即出现在操纵系统上还是在机身结构上等；•不仅能指出振动发生的阶段，如是发生在悬停时还是在飞行过程中等，以及产生振动时直升机的速度等，还能指出振动产生后对直升机飞行有无影响，如有无造成直升机横向或上下的摆动等。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析有一种振动不常见，但却危险性很大，俗话称尾桨蜂鸣振动，这种振动一般是在下列条件的综合影响下才会发生：①旋翼转速太高；②飞行速度太小；③大气温度太低；④尾桨桨叶角太大；⑤气流方向是右前方，而且气流很不稳定。这些条件一般在海上平台飞行降落过程中同时出现，•振动产生时会在脚蹬上感觉到大幅度的抖动。•飞行员这时应减小尾桨叶的桨距来克服这种振动，否则振动会越来越严重并造成尾桨叶故障。•尾桨叶不平衡或者尾桨轴承故障会使这种振动迅速加剧。低频振动可能的来源非常广泛，•全铰式主桨由于转动部件多，产生振动的可能性尤其复杂，表现形式主要是“每圈一振”（oneperrevolution），例如水平阻尼器故障将会引起主桨不平衡，从而使直升机产生振动，振动从一侧开始传到另一侧；如果这种振动主要从周期变距杆上感觉到，则说明变距轴承已故障；如果振动发生在机身上，则振动一般是垂直或挥舞关节、阻尼器、主桨毂固定螺帽松动、主减固定螺栓松动或主减内部轴承故障等。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析•半刚性主桨系统的振动由于设计思想不同而与全铰式主桨系统略有不同，但同样存在振动，不解决振动同样对直升机的飞行有影响。半刚性主桨毂属于静态稳定，桨叶在安装使用前先要平衡，然后整个系统必须在进行动态振动测试后方可使用。振动振动及产生振动可能的原因振动为一种快速的振荡运动，•可能是由于旋转部件因为失去平衡，或者是由如空气动力这样的外力作用下产生。•这样的振荡运动可以表述为：位移或振幅（大小）、频率（快、慢，例如：振动次数/分钟）。振动频率是指在单位时间内振动发生的次数，其单位为赫兹（Hz），1赫兹等于一个循环/秒，振动周期为振动频率的倒数，如图3—1所示。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析另一种振动的表述方法常用来描述旋翼系统中的振动水平，这是由振动频率与旋翼旋转速率相比较。例如，在旋翼旋转一周发生振动6个循环，也就是6R振动或者比率为6：1。•由于直升机设计及工作特性，直升机承受的振动可能来自桨叶、传动机构、发动机，这些振动可以对机体结构产生应力甚至损坏，缩短部件的使用寿命，并给飞行员及乘客造成不舒适的乘坐感觉。•在飞行中振动的起源主要来自于主桨及尾桨。•每片桨叶会产生一个固有的1：1的振动，如果直升机有两片桨叶，就会产生固有频率为2：1或者2R的振动，三片桨叶就会产生3：1或者3R的振动，以此类推。•旋翼系统中1：1或者1R振动叫做“每圈一振”，即每转一周振动一次，这是由于一片桨叶产生大于其他桨叶升力造成同轴度不好而引起的振动。引起振动的原因转动部件的振动频率一般与部件的转动速度有关，而直升机上部件的转动速度各不相同，因此振动频率是识别振动来源的一个主要依据。振动按频率一般分三类：①低频振动——主要来自于主桨系统；②中频振动——主要来自于尾桨系统；③高频振动——主要来自于发动机和高速传动轴。•必须注意，不是所有的直升机都遵循此模式，对振动如有疑问，应以维护手册为准。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析（1）低频振动对各种主桨系统来说，最常见的振动原因是桨叶锥体偏差。•所谓锥体是指直升机所有桨叶叶尖转动轨迹都在一个平面内，•因此首先应该在地面进行桨叶锥体的检查，符合要求后再进行悬停状态的检查。一般振动可以分为两种形式（如图3—2所示）：①垂直振动：•是由于桨叶产生的升力不相等，即主桨锥体超标而引起，与飞行速度有直接关系，飞行速度越大，振动越大。•如果振动发生在低速状态下，可以通过调节变距拉杆长度来减小振动；•如果振动发生在高速度状态下，则须调节桨叶调整片角度来减小振动值。②横向振动：•因主桨系统平衡超标而引起，与主桨转速有直接关系。•如果振动随着旋翼转速的增大而增加，一般是展向平衡超标，应该在轻的一端加配重；•如果振动随着转速减小而增大，一般是弦向平衡超标引起桨叶后掠过大。但注意不能通过调整桨叶后掠角的方法来修正振动，这样会引起低头力矩。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析上述两种振动形式都与发动机功率有直接关系，输出功率增大，振动则增大，尤其是垂直振动更明显。低频振动主要由主桨引起，主桨的转速一般为每分钟数百转左右。以下列出一些常见的振动起因：•横向振动①频率匹配器（俗称减摆器）设定及相位不正确；②桨叶不平衡；③垂直关节轴承粘结或者卡滞。•垂直振动①桨叶同轴度（翼尖轨迹）不好；②桨叶锥体调整片调整不正确；③频率匹配器失效；④变矩轴承磨损以及粘结；⑤减振器失效。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析（2）中频振动中频振动一般由尾桨引起。在一些直升机上，由于尾桨的高转速，一旦尾桨出现缺陷，就可能产生中频至高频的振动。以下列举一些常见起因：①尾桨组件不平衡；②尾减速器传动轴同轴度过分偏离设计值；③水平安定面连接点松动或磨损；④减速箱齿轮磨损；⑤尾斜梁连接螺栓松动。尾桨的振动过大可能造成脚蹬颤抖，但是如果由于尾桨操纵钢索张力过大，尾桨产生的正常固有振动也可能显得不正常。所以在分析工作开始时，就应该首先使用振动分析仪器确定是不是振动真的过大。（3）高频振动高频振动是由高速运转部件产生。一般情况下认为是由发动机引起的。另外，有一些传动部件的转速与发动机相同，如离合器、飞轮机构以及连接发动机与主减速箱的输入轴，所以在进行高频振动分析时，这些部件也应被考虑为潜在的起因。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析3.2直升机减振措施简介应该强调的是不正确的维护也会造成直升机振动。一些如何防止不正确维护的方法：部件的磨损可以产生振动。有效检测部件磨损的关键是•有健全完善的机务操作规章制度，采取有效的检查方法，及早地发现部件的磨损和振动征兆，特别注意齿轮箱里有无碎屑，传动机构安装有无位移以及部件结构是否有裂纹。•维护手册里列明了磨损的许可范围，一旦超出，应及时采取适当的维护工作。不完善的维护操作也会引起振动，尤其是在传动系统上进行工作时。•无论何时将转动部件拆下时，都应将该部件与其相连接或相互安装的其他部件的相对位置标示清楚，这样当重新安装后原有的平衡状态就能被保持。在制造桨叶的过程中，采取了许多技术，最大可能地保证生产出的每片桨叶保持相同，•对于那些在制造过程中无法消除的微小不同之处，可以在使用中采取同轴度及平衡的技术分析手段来消除。无论多轻微的桨叶损坏，都会引起气流分离，改变桨叶的气动特性。前缘防磨保护层的过度磨损也会造成同样的影响。一旦对桨叶进行了修理工作，都应进行桨叶重新平衡，如果这个工作无法在直升机上完成，应该将桨叶送到厂家或者有资格的维修部门。•应该注意的是：即使是对桨叶进行一些简单的工作，例如定期清洁桨叶，也要注意避免改变桨叶的气动特性。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析许多老式桨毂都含有许多轴承和铰链关节，需要定期对其进行润滑及检查工作，否则一旦磨损，振动值就会变大。•而现代的桨毂轴承数量相对减少，但在维护中也要注意保证工作的有效性。•挥舞或减摆阻尼器多由弹性材料制成，这种材料可以被一些强溶剂损坏而造成阻尼作用下降，振动水平升高。•旧式液压阻尼器如果发生液压油气化或者由于渗漏造成液压油减少，也会产生上述影响。造成振动水平上升的内在原因还有许多。但是可以肯定的是，如果严格按照维护参考资料进行有效的维护工作，在规定的时限内进行定期检查工作，将最大限度地降低振动水平。减少/消除固有振动当传动系统进行工作时或者直升机在空中飞行时，都会产生固有或者正常出现的振动。同样地，这样的振动也会引起磨损以及失效。厂家在设计及生产过程中采取各种方法尽一切可能将固有振动减小到最小。以下就是几种减少甚至消除固有振动的方法：①节点梁；②柔性安装盘；③减振器。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析节点梁如果一条弹性梁的两端系有重物，并做垂直振动运动，在弹性梁上将有一点位置（通常位于中心）将不发生上下移动，这点就是节点，如图3—3所示。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析如果在中心位置上再系上一个重物，将会出现两个节点，分别位于两段梁的中心点上。•利用这个原理，我们可以将最大的固有振动源——主减速箱，安装于梁的中间位置上，在两边节点位置将梁连接到机体上，并且在梁的两端装有配重（见图3—4）。•这样，虽然主减速箱、桨毂头、桨叶仍产生固有振动，但是由于安装点位于节点位置，机体就不受固有振动的影响而发生振动，乘客及机组就感觉不到这种固有振动。•这种消除固有振动的方法就是节点梁。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析柔性安装盘另一种柔性盘的安装如图3—6所示，主减速箱及主桨组件的重量由一个“V”形框架承载，结构的一端连接到主减顶部，另一端由特殊的安装结构连接到传动平台上。•柔性盘用螺栓连接到主减底部，但不承载主减重量。柔性盘由弹性或橡胶减振器支撑，以吸收扭摆振动。•两个球形端头的连杆限制着柔性盘的角位移。•主减速箱安装于盘的中心，在盘的边缘连接到机体。•柔性盘的工作就像一个改进的节点梁结构，吸收掉大部分由主减速箱及主桨组件产生的固有振动。在许多直升机上，主减速箱及桨毂头组件被安装于一个柔性盘上（例如在AS332超美洲豹直升机上，因为柔性盘的外形类似烧烤盘而称之为BBQ），柔性安装盘通常由钛合金或有相似特性的金属制成（见图3—5）《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析图3—5所示为AS332超美洲豹直升机柔性盘，图3—7所示为S—61直升机柔性盘。虽然结构略有不同，但其作用却基本相同。•主减速箱安装于柔性盘中央，柔性盘边缘连接到机体结构。•同时有3根钢支撑杆，一端连接到主减顶部，另一端连接到机体上，这样主减就像一个钟摆一样被悬挂起来。•主减可以在纵向上摆动，造成柔性盘弹性变形，从而吸收振动。如图3—6所示，当振动被吸收掉后，可以在主桨主轴上找到一个中心，与节点梁相似，在这一点是没有任何位移的。除了吸收振动，柔性安装盘还可以吸收主减产生的反扭作用力以及纵向、横向的载荷。《直升机结构与系统》第三章桨叶锥体及振动分析减振器应用于直升机的减振器种类如：①弹簧安装共振体；②自调谐振动吸收装置（STVA）；③桨毂阻尼器；④双向吸振器（BIFILAR）。A.弹性共振体这是一种最简单的减振器，工作原理为共振质量理论。通常在座舱内设有一个安装在弹簧上的重物，该重物产生一个与固有振动刚好相反的垂直共振，这样就产生一个节点，消除掉大部分振动。在一些直升机上并不需要添加额外的配重作为共振体，可以直接将电瓶的安装座作为弹簧安装共振体。图3—8所示为应用于西科斯基S—61直升机上的一种安装设计。•电瓶作为一个共振物体，安装于3个减振板弹簧上，弹簧将电瓶安装托盘与机构结构连接在一起。•由于S—61直升机有5片主桨叶，所以S—61就具有一个5：1或5R的固有振动。电瓶安装设计时使电瓶与这个5R固有振动产生相反的共振，从而消除掉该固有振动。•该装置在飞行中是不可调谐的（即：频率调整）。如果更换了一个与原有电瓶重量不相同的电瓶，就需要在电瓶安装托盘上增