劉貝貝

摘 要：本文以PA-44-180飛機(jī)為研究對(duì)象對(duì)其螺旋槳?jiǎng)悠胶庑ｒ?yàn)中配重片的添加位置進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試情況，利用基于矢量分解的方法把配重片添加到槳轂上的4個(gè)可添加位置上，避免了多次進(jìn)行“測(cè)量-配平-測(cè)試”的重復(fù)工作，從而為一次性配平成功提供了可行有效的科學(xué)依據(jù)，減少了工時(shí)，提高了螺旋槳?jiǎng)悠胶獾呐淦叫省?/p>

關(guān)鍵詞：螺旋槳 動(dòng)平衡 配重片

中圖分類(lèi)號(hào)：V21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（a）-0020-03

自古以來(lái)人類(lèi)就從未放棄過(guò)能夠像鳥(niǎo)兒一樣翱翔藍(lán)天的愿望。從1903年12月17日美國(guó)萊特兄弟成功試飛了人類(lèi)第一架帶有動(dòng)力、重于空氣、可控并可持續(xù)滯留空中的飛機(jī)之后，現(xiàn)代航空的新紀(jì)元就開(kāi)啟了?；趯?duì)速度和效率的追求，噴氣式動(dòng)力裝置的出現(xiàn)使螺旋槳式動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)向了通用航空和支線(xiàn)運(yùn)輸航空領(lǐng)域；螺旋槳式動(dòng)力裝置以其良好的低速經(jīng)濟(jì)性使其在通用航空和支線(xiàn)運(yùn)輸航空領(lǐng)域獲得較為廣泛的應(yīng)用。但作為一高速旋轉(zhuǎn)部件，在制造和裝配等工藝中的誤差使螺旋槳在裝機(jī)后不可避免地會(huì)在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)通過(guò)減速器等螺旋槳-發(fā)動(dòng)機(jī)間連接裝置傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)上，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣承受很大的交變疲勞應(yīng)力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作造成影響；這種振動(dòng)還能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)架等發(fā)動(dòng)機(jī)-機(jī)體連接裝置傳遞到機(jī)體上，使乘員感到不適，也使機(jī)體結(jié)構(gòu)需要承受較大的交變載荷，造成結(jié)構(gòu)疲勞破壞，所以必須對(duì)螺旋槳進(jìn)行動(dòng)平衡配平以降低其高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)值水平。

1 螺旋槳振動(dòng)的原因

在航空器動(dòng)力裝置上，螺旋槳的葉片數(shù)量少多為雙葉或者三葉，重量相對(duì)較重，使其單個(gè)葉片的載荷也相對(duì)較大。在實(shí)際制造過(guò)程中各個(gè)槳葉的質(zhì)量分布和外形會(huì)有一定的偏差這也就是螺旋槳振動(dòng)產(chǎn)生的最大誘因；其次螺旋槳在工作過(guò)程中各個(gè)槳葉前緣的磨損、腐蝕等程度的不同也會(huì)使螺旋槳承受載荷發(fā)生變化，這也是產(chǎn)生振動(dòng)的又一個(gè)原因。當(dāng)螺旋槳在制造和裝配過(guò)程中以及日后的使用過(guò)程中的種種誤差會(huì)是螺旋槳的質(zhì)量中心位置和旋轉(zhuǎn)中心不重合，這就使螺旋槳產(chǎn)生了靜不平衡；當(dāng)其在工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中各槳葉的質(zhì)量中心位置不在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)這就產(chǎn)生了動(dòng)不平衡[1]。靜不平衡和動(dòng)不平衡的存在就會(huì)使螺旋槳產(chǎn)生振動(dòng)，這也是螺旋槳產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因。

2 PA-44-180飛機(jī)及其螺旋槳振動(dòng)測(cè)試儀器

2.1 PA-44-180飛機(jī)

PA-44-180型飛機(jī)是由美國(guó)派泊飛機(jī)制造公司生產(chǎn)的雙發(fā)螺旋槳飛機(jī)。該型飛機(jī)為下直錐形機(jī)翼，左、右機(jī)翼上各安裝一臺(tái)萊康明公司生產(chǎn)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，使用Hartzell公司生產(chǎn)的二葉螺旋槳。尾翼由垂尾、方向舵和全動(dòng)平尾組成，起落架為可收放前三點(diǎn)式起落架[2]。

2.2 Vibrex2000振動(dòng)測(cè)試儀

PA-44-180飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)中提出如果進(jìn)行了可能會(huì)影響飛機(jī)螺旋槳平衡的維修工作之后應(yīng)對(duì)螺旋槳的平衡性進(jìn)行配平校準(zhǔn)工作，并且維修手冊(cè)上推薦了Chadwick Helmuth System的測(cè)試系統(tǒng)，并且認(rèn)可和采用了該系統(tǒng)提出的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)在對(duì)航空器的維修過(guò)程中對(duì)維修設(shè)備的選購(gòu)大都依靠手冊(cè)上面的推薦，當(dāng)然PA-44-180的螺旋槳振動(dòng)測(cè)試儀也不例外。國(guó)內(nèi)的PA-44-180飛機(jī)的振動(dòng)測(cè)試大多都是采用由美國(guó)Honeywell Aerospace公司生產(chǎn)的基于Chadwick Helmuth System系統(tǒng)的Chadwick Helmuth Vibrex2000振動(dòng)測(cè)試儀。

在Vibra2000型振動(dòng)測(cè)試儀的使用說(shuō)明書(shū)中規(guī)定了其振動(dòng)值的單位為IPS（英寸/秒），轉(zhuǎn)速單位為RPM（轉(zhuǎn)/分），并以鐘表的“點(diǎn)鐘”表述法，表述螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面上的相對(duì)位置[3]。在日常維修過(guò)程中習(xí)慣性規(guī)定該飛機(jī)的12點(diǎn)鐘（或稱(chēng)為0點(diǎn)鐘）方向?yàn)槁菪龢獦~平行于水平面時(shí)的垂線(xiàn)方向。螺旋槳以參考零位為起始點(diǎn)按螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒄麄€(gè)旋轉(zhuǎn)方向分為12等份，依次為1、2、3……11，就如同鐘表表盤(pán)上點(diǎn)鐘位置的標(biāo)識(shí)方法，但站在飛機(jī)正前方向螺旋槳看去其標(biāo)識(shí)方式和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相同。維修工作過(guò)程中振動(dòng)測(cè)試儀會(huì)根據(jù)螺旋槳的工作情況顯示出在不同方位添加不同質(zhì)量的配重使螺旋槳達(dá)到動(dòng)平衡。

在維修工作過(guò)程中螺旋槳?jiǎng)悠胶獾臏y(cè)試是依據(jù)Chadwick Helmuth System系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)峰值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其振動(dòng)峰值可分為6個(gè)等級(jí)，如表1所示。

根據(jù)PA-44-180維修手冊(cè)的規(guī)定在維修工作過(guò)程中只要振動(dòng)峰值低于0.20就達(dá)到了可接受的范圍，并且在實(shí)際的維修工作過(guò)程中也是按照該標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)施。

3 適航要求

由中國(guó)民航總局頒布的中國(guó)民用航空規(guī)章第23部《正常類(lèi)、實(shí)用類(lèi)、特技類(lèi)和通勤類(lèi)飛機(jī)適航規(guī)定》中的第907 條對(duì)螺旋槳振動(dòng)有明確規(guī)定，必須通過(guò)直接試驗(yàn)、與類(lèi)似裝置比較或者使用維修經(jīng)驗(yàn)等方法證明在正常工作條件下，除常規(guī)的定距木制螺旋槳外，螺旋槳的振動(dòng)應(yīng)力不會(huì)超過(guò)螺旋槳制造商規(guī)定的連續(xù)安全使用應(yīng)力值。中國(guó)民用航空規(guī)章第25部《運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》的907條對(duì)螺旋槳振動(dòng)的規(guī)定與23部是基本一致的，即必須按實(shí)際測(cè)量或同已作過(guò)實(shí)測(cè)的類(lèi)似安裝進(jìn)行相互比較，從而表明任何正常的使用條件下的螺旋槳槳葉振動(dòng)應(yīng)力不會(huì)超過(guò)連續(xù)安全工作應(yīng)力值。通常情況下，飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選用成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)，并選擇匹配的螺旋槳，這樣可以從發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳制造商那里得到以往的使用數(shù)據(jù)，通過(guò)類(lèi)比分析向適航表明符合條款要求。但對(duì)于新的發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳組合，或采用特殊布局（如推進(jìn)式）的飛機(jī)，只能進(jìn)行實(shí)際測(cè)量[4]。

4 配重片安裝過(guò)程中遇到的問(wèn)題

由于PA-44-180飛機(jī)的螺旋槳只有兩個(gè)槳葉這也就決定了槳轂上可安裝配平片位置的數(shù)量和方位。在實(shí)際過(guò)程中該振動(dòng)測(cè)試儀給出的配平數(shù)據(jù)是分布在槳轂周?chē)?60°范圍內(nèi)的其中一個(gè)方位添加配重片的重量值，但可添加配重片的位置是固定的，在實(shí)際工作過(guò)程中并不能按照振動(dòng)測(cè)試儀上顯示的數(shù)值在理想的位置添加合適的配重片。在實(shí)際維修工作過(guò)程中配重片的添加常常是憑借以往的工作經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)進(jìn)行的并沒(méi)有理論和科學(xué)依據(jù)支持。添加后需要再次進(jìn)行螺旋槳測(cè)試看振動(dòng)值是否在可接受的閾值范圍內(nèi)。完成螺旋槳?jiǎng)悠胶獾男ｒ?yàn)工作需要進(jìn)行多次“測(cè)量-配平-測(cè)試”的重復(fù)工作，這也使維修工時(shí)增加，提高了維修成本，降低了維修效率。

5 配重片的添加方法研究

P4-44-180型飛機(jī)使用的是Hartzell公司生產(chǎn)的緊湊型恒速可順漿螺旋槳，為鋁質(zhì)金屬二葉螺旋槳[5]。其螺旋槳直徑為74.0INCH，重量約為30kg，槳轂上能添加配重片的位置只有4個(gè)。其分別位于2點(diǎn)10鐘、3點(diǎn)50鐘、8點(diǎn)10分和9點(diǎn)50分4個(gè)方位，一周按照12h劃分則每分鐘為0.5°，這也就決定了配重片的添加位置為65°、115°、245°、295°[6]。螺旋槳通過(guò)Vibrex2000振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)量后可給出理論數(shù)據(jù)為某一點(diǎn)鐘添加一定質(zhì)量的配重。由于共有4個(gè)位置以可安裝的4個(gè)配重的位置為邊界將其分為4個(gè)區(qū)域，分別定義為區(qū)域一（AOB）、區(qū)域二（BOD）、區(qū)域三（COD）、區(qū)域四（AOC）。下面分別當(dāng)所加配重的方位和重量分別落到4個(gè)區(qū)域進(jìn)行具體理論分析。

當(dāng)在區(qū)域一時(shí)振動(dòng)測(cè)試儀顯示在X點(diǎn)Y鐘分添加G克配重如圖1所示。

則根據(jù)正弦定理可以得出：

則當(dāng)振動(dòng)測(cè)試儀顯示測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)即可代入相對(duì)應(yīng)的區(qū)域解析式中，根據(jù)點(diǎn)鐘和配重輕松算出在4個(gè)可添加方向上添加的配重質(zhì)量，使用該可以達(dá)到一次性配平成功。解決了配重安裝過(guò)程中位置有限的問(wèn)題也解決了在日常維護(hù)中憑借經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)添加配重的問(wèn)題，也為該項(xiàng)工作增加了一些科學(xué)依據(jù)，達(dá)到了該項(xiàng)課題研究的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

本篇文章是通過(guò)一種基于矢量分解的數(shù)學(xué)算法，考慮目前使用的振動(dòng)設(shè)備存在的問(wèn)題以及螺旋槳上配重片可添加位置的限制因素等問(wèn)題，以一種簡(jiǎn)單的方法解決了機(jī)務(wù)維修人員在工作過(guò)程中遇到的問(wèn)題，也為日常的螺旋槳?jiǎng)悠胶庑ｒ?yàn)和校準(zhǔn)提供了科學(xué)依據(jù)。最主要的是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一次試車(chē)得到發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳振動(dòng)數(shù)據(jù)信息以后，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算就可以算出如何添加配重，避免了螺旋槳?jiǎng)悠胶獾男ｒ?yàn)工作中需要進(jìn)行多次“測(cè)量-配平-測(cè)試”的重復(fù)工作，這也使維修工時(shí)得以降低，節(jié)約了維修成本，提高了維修效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 仲志丹，孟現(xiàn)召，吳江.飛機(jī)螺旋槳?jiǎng)悠胶馑惴ㄑ芯縖J].航空維修與工程，2015，285（3）.

[2] 朱航，周彬.PA-44-180型飛機(jī)失速警告控制方式的改進(jìn)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017，14（22）：13-15.

[3] Honeywell Aerospace.Chadwick Helmuth Vibrex2000 operators manual[M].Honeywell Aerospace，2000.

[4] 田傲，張慶.一種通用飛機(jī)螺旋槳振動(dòng)測(cè)試方法[J].中國(guó)科技信息，2017，（13）：19-20.

[5] 楊秀峰.PA-44-180型飛機(jī)培訓(xùn)教材[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

[6] Hartzell Propeller Inc. Hartzell Propeller Owners Manual 115N[M].Hartzell Propeller Inc.2012.