关键词：直升机；尾桨系统；振动
直升机尾桨主要用于平衡主旋翼产生的反扭矩和航向操纵。作为直升机的主要气动部件，与主旋翼不同，尾桨不仅受机体和桨毂扰流的影响，更主要的是受主旋翼尾迹的干扰。悬停或侧滑状态，尾桨浸润在主旋翼尾迹中，形成较强的主旋翼／尾桨非定常气动干扰，由此影响尾桨的气动载荷特性。尾桨作为直升机的关键部件之一，其不仅可以提供反扭矩，实现航向的操纵，而且可以保持直升机的航向稳定性，尾桨系统的工作状态将直接影响到直升机的飞行安全。直升机尾桨系统离座舱较远，中间通过较长的尾桨传动轴进行动力传递以及硬式的推拉杆进行操纵。所以，尾桨系统的振动很难传到座舱，飞行人员对尾桨系统的振动状态变化感觉不明显，其危害性较大而且比较隐蔽。
一、直升机尾桨系统振动产生的原因
一般情况下平面内摆振刚硬旋翼的直升机不发生“地面共振”，只有平面内摆振柔软旋翼的直升机存在“地面共振”问题。那么，当尾桨设计成摆振柔软的旋翼后，它与尾梁低阶模态耦合也存在“地面共振”问题，即尾桨和尾梁耦合动不稳定性问题。该动力学问题与主旋翼机体耦合动不稳定性产生的机理相同。但是，两者有重大差别：
1、耦合模态的异同。主旋翼转速范围一般在每分钟几百转以内，在关心的转速范围内正好与机体在起落架上刚体振动模态发生耦合，因此可以假设机体是刚体，但尾梁不能作此假设。尾旋翼转速一般可达到每分钟一千转以上，在关心的转速范围内除了与尾梁的刚体模态发生耦合外，更重要的是与尾梁弹性模态耦合存在动不稳定性问题。
2、结构的异同。主旋翼与机体的连接点主桨毂中心在机体对称面内，机体在起落架上的纵向和侧向振动模态一般不使桨毂中心运动存在耦合。而尾旋翼与尾梁的连接点尾桨毂中心位于尾梁的侧面，结构不具有对称性，不论是尾梁的刚体模态，还是弹性模态都使桨毂中心各个方向的运动存在振动。
二、尾桨系统结构与振动分析
直升机尾桨系统通常包含以下几个部件：1）尾减速器，其功能是用于尾桨的动力输入、输出、改变扭矩的传递方向以及尾桨旋转角速度；2）尾桨变距机构，用于改变尾桨桨叶的迎角，增大或减少尾桨的推力/拉力；3）尾桨桨毂，其安装在尾减速器动力输出轴上，功用是固定尾桨桨叶；4）尾桨桨叶。尾桨作为直升机高速旋转部件，是直升机振动的主要振源之一，也是直升机故障的多发部件。尾桨系统动平衡检查调整的目的是将尾桨产生垂直方向的振动水平控制在一定的范围内，以满足全机的振动要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为准确测量尾桨系统的振动，需在尾桨上安装专业的振动测试设备，采用ACES 系统分析仪对直升机尾桨系统动平衡进行详细的测量和分析。具体其所需设备如下：1）加速度传感器，用于监测尾桨系统的振动值；2）光学转速传感器，其功能为准确测量尾桨的转速；3）反光带，反光带贴在尾桨桨毂上，为准确测量尾桨转速提供一个反光信号；4）ACES 振动测试仪，主要用于接收采集转速及振动信号值并进行处理，并显示其测量后的振动值及其方位。振动测试设备安装就绪后，直升机地面开车运转，当尾桨转速达到规定值时开始采集信号，信号采集完毕根据振动测试仪上显示的尾桨的振动值以及方位。直升机尾桨系统振动的调整方法，通常采取的措施为在尾桨配重盘上添加或减少配重达到控制尾桨系统振动的目的。配重盘四周均匀分布的12 个孔为配置的安装孔。安装孔的位置固定并进行了编号，其中反光带的安装位置对应安装孔的12 点钟方向。直升机尾桨系统振动垂直方向上振动值控制在0.2IPS 以内。根据振动测试仪显示的振动方位及振动值，在振动分析查找对应的方位和振动值，即可准确获得在配重盘上所需要安装配重质量及其位置。
三、尾桨系统动力学模型
动力/传动/尾桨系统由发动机动力涡轮，各级减速器、传动轴系，由传动系统驱动的各种附件以及尾桨组成。从更精确建模的角度出发，尽可能地保留该系统的多个自由度，仅对系统的刚度和转动惯量进行处理。发动机动力涡轮、齿轮等转动惯量大弹性变形小的部件处理为仅具有转动惯量的刚性盘，它们的扭转刚度折算入传动轴系中。传动轴处理为不具有转动惯量的弹性杆，其转动惯量折算至与其相连的刚性盘。桨毂中心作为动部件系统组集的节点，考虑为自由节点。尾桨也处理为仅具有转动惯量的刚性盘。刚性盘的转动惯量以及传动轴的扭转刚度按照能量等效原理进行当量化，转化为旋翼转速下的当量转动惯量和当量刚度。该直升机动力/传动/尾桨系统简化模型。动力/传动/尾桨系统的质量阵、刚度阵、阻尼阵根据各个单元阵按照节点自由度顺序进行组装，从而建立动力/传动/尾桨系统的动力学方程：
四、振动成因分析与措施
从振动角度分析，尾桨系统振动主要原因为：
1、质量不平衡。通常直升机的每片尾桨叶的质量分布是完全相同的，尾桨系统的质量中心应在桨毂中心。但尾桨叶在生产和装配过程中，无法做到完全相同，因而尾桨叶在出厂时，通常要经过静、动平衡校验，以保证各片尾桨叶在工作状态下，因质量偏离桨毂中心而产生的离心力在允许的范围内。直升机在外场使用过程中，受各种因素的影响，这种质量平衡状态往往会有不同程度的破坏，如尾桨叶在潮湿或淋雨环境下因吸收水分或结冰。另外，新尾桨叶的使用，也可能破坏原来的平衡状态。
2、气动不平衡。由于直升机每片尾桨叶的气动特性理论上是完全相同的，但使用过程中由于外力原因而导致尾桨叶气动外形发生改变，这种改变通常会引起尾桨叶的锥体轨迹的超差，作为一种不平衡状态，需要及时发现和调整。同时，直升机尾桨叶的总距改变是通过操纵拉杆进行调节，使用过程中，频繁的操纵、磨损以及不恰当的拉杆调整同样会引起尾桨叶间气动不平衡。
3、其他原因。直升机的尾传动系统中包含较多的机械部件，增大了发生故障的可能性。同时尾桨系统的减摆器失效或者球柔性件故障也应视为重要故障。直升机尾桨桨叶质量和气动不平衡的复合故障。因此针对尾桨传动系统的振动调整主要有以下几种方法：定期检查并润滑尾桨传动轴承；定期清洁、检查尾桨传动系统的鼓风轮，确保其振动在规定的范围内；注意安装传动轴连接螺栓垫片的方向，并按规定打力矩；及时更换受损的轴承组件。
定期对直升机的尾桨振动进行监测和调整，可有效地防止因质量不平衡或气动不平衡所产生的尾桨振动，对于减少尾桨组件的机件磨损，对于提高直升机飞行训练的安全具有重要的意义。
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论文作者:陈松1,杨阳2,张峰3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/15
标签：直升机论文; 桨叶论文; 系统论文; 机尾论文; 惯量论文; 旋翼论文; 转速论文; 《防护工程》2018年第31期论文;