民机标准研究项目研究报告直升机旋翼锥体与动平衡.docx
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民机标准研究项目研究报告直升机旋翼锥体与动平衡
民用飞机专项科研报告
《直升机旋翼锥体与动平衡仪
校准规范》民机标准研究
目录
1引言（黑体，小四号）1
1.1任务来源（黑体，小四号）1
1.2项目背景1
1.3目的与意义1
1.4研究范围和内容2
1.5研究途径和方法2
1.6预期研究成果2
2国内外技术现状分析2
2.1直升机旋翼锥体与动平衡技术简介3
2.2国外技术发展现状3
2.3国内技术发展现状3
3关键技术环节分析4
4国内外标准现状6
4.1国外标准现状6
4.2国内标准现状6
5标准需求分析6
6标准草案关键技术分析6
6.1标准框架分析6
6.2标准内容分析6
6.2.1范围7
6.2.2引用文件7
6.2.3术语和定义7
6.2.4计量性能7
6.2.5校准条件7
6.2.6校准项目8
6.2.7校准结果处理和复校时间间隔8
7技术指标的验证试验8
8适航性要求分析9
9标准实施能力分析9
9.1关键技术指标处理9
9.2引用标准关系处理9
9.3标准贯彻实施9
9.4标准化效果分析9
10结论与建议9
[参考文献]10
《直升机旋翼锥体与动平衡仪校准规范》民机标准研究
1引言（黑体，小四号）
1.1任务来源（黑体，小四号）
本项目来自于工业和信息化部批复的民机科研专项“民用飞机标准规范研究”中的项目。
1.2项目背景
旋翼是直升机赖以飞行的主要升力源。
各片桨叶的制造误差、桨叶的安装角或扭转变形会引起旋翼不平衡现象，进而引起各片桨叶的锥度角不相等，即旋翼的不同锥度。
旋翼的不同锥，会进一步形成激振力，不仅会使操纵系统产生振动影响操纵，而且会使直升机的主要受力部件因产生疲劳而降低寿命，严重时可能造成疲劳断裂，危及飞行安全。
旋翼锥体和动平衡的测量和调整一直是直升机生产、使用过程中必须经常检查的重要项目，它的准确与否会直接影响直升机飞行安全性。
直升机旋翼锥体、动平衡相关参数的测量是由专用的测量设备完成的，整套设备一般包括测量飞机动平衡数据的动平衡仪和测量旋翼锥体参数的频闪仪。
由于旋翼锥体和动平衡的测量需要在旋翼转动时甚至是在直升机飞行的状态下进行测量，所以旋翼锥体与动平衡仪的工作环境十分恶劣，剧烈的振动、潮湿、酷热、严寒和频繁的使用，造成设备故障率居高不下，测量结果的可信程度降低，计量测试机构既需要对其进行有效的设备维护又需要进行定期的参数校准，研究和制定这类测试设备统一的计量测试标准和校准规范，可以最大限度的保证其校准数据的可信性、使设备在使用中的测量结果准确可靠并尽量延长其使用寿命。
1.3目的与意义
通过开展本项目，针对直升机企业旋翼锥体与动平衡仪的校准面临的现状研究并制定出统一适用的校准技术、校准标准并据此编制校准规范，不仅可以保证在用的旋翼锥体与动平衡仪测量结果的准确可靠，保证直升机企业制造、研制和生产的直升机的质量和飞行安全，而且可以为各计量机构或校准实验室提供统一的参考技术标准，使校准数据可以相互参照、比对，提高该类测量被校准结果的量值传递和量值溯源能力。
更重要的是可以为旋翼锥体与动平衡仪的研制、开发提供统一的技术标准，对今后此类设备及设备校准技术的有序发展有重要的意义。
1.4研究范围和内容
本项目主要研究的是制定针对直升机旋翼锥体与动平衡仪的测量参数进行可靠通用的校准方案，研究的范围主要包括直升机旋翼锥体与动平衡仪的工作原理、主要技术参数的提炼、校准用标准器的选择、校准方法的确定、校准数据的处理以及校准规范的建立。
研究的具体内容如下：
1）根据各类旋翼锥体与动平衡仪的测试方法及原理，研究并确定其基本的计量特性及计量技术参数；
2）根据计量特性和技术参数的要求研究并确定校准适用的计量标准的参数和技术要求；
3）研究并确定旋翼锥体与动平衡仪各技术参数校准时的方法和过程，其中还包括测量数据的处理和测量结果的表示等内容。
4）制定并完善校准规范文件。
1.5研究途径和方法
根据旋翼锥体与动平衡仪校准规范研究的范围和内容，研究采用的是理论与实验相结合和的途径，研究方法包括广泛深入学习和分析各类型旋翼锥体与动平衡仪的设计及工作原理，找出各类型旋翼锥体与动平衡仪设计及工作原理的异同点，从而确定哪些参数是决定测量结果准确与否的最重要的参数；对各参数进行有针对性的测试实验和数据分析得到各参数的实用技术标准要求其中包括通过实验数据分析，实现振动速度值、振动加速度值和信号电压值的换算，实现振动参数的有效测试和校准；通过对各种计量标准设备的研究和实验选择并确定满足被校设备特殊技术要求的计量标准设备；通过对实验确定校准的具体过程并通过对实验数据的分析和总结得出校准数据适宜的处理方法。
1.6预期研究成果
本项目研究的目标是完成直升机旋翼锥体与动平衡仪计量测试标准的确立以及校准规范的编制并发布，以期从计量测试的角度解决该类仪器困扰多年的校准难题，使计量部门可以为广大直升机用户提供量值准确可靠的直升机旋翼锥体与动平衡仪测试校准服务。
2国内外技术现状分析
2.1直升机旋翼锥体与动平衡技术简介
直升机旋翼锥体与动平衡仪用于测量直升机动平衡状态参数。
直升机动平衡状态的各种信号都是通过安装在机身上的传感器捕获并提供给直升机旋翼锥体与动平衡仪的。
旋转机械的重量不平衡在机械运转时将产生1次/转的振动，直升机旋翼或尾桨的振动信号可以通过振动传感器测量。
振动传感器捕获的信号非常复杂，为了准确得到旋翼动平衡的数据，需要从振动传感器感受的频率成分很丰富的振动信号中不失真的提取标称动平衡情况的信号。
直升机旋翼锥体与动平衡仪采用同步采样，进行跟踪滤波（相当于一种频谱分析）的方法，得到比较满意的结果。
在动平衡状态的实际测量中，直升机的旋翼及尾桨上都安装有转速传感器，它们与振动传感器同步采样，捕获的旋翼或尾桨的转速信号作为同步信号提供给直升机旋翼锥体与动平衡仪，旋翼锥体与动平衡仪依据转速同步信号对复杂的振动信号用跟踪滤波的方法进行分离，得到1次/转的振动信号，并计算出其振动幅值和相对于同步信号的相位。
所求出的振动幅值可以表示目标的不平衡程度，或者说不平衡状态下引起的振动水平，而相位则表示了不平衡的位置，也就是重量多余的位置。
掌握了动不平衡的实际情况，就可以采取各种措施对其进行调整，使目标达到动平衡状态，从而降低由于旋翼和尾桨的动平衡问题而引起的振动水平，达到直升机减振的目的。
2.2国外技术发展现状
随着集成电路和微电脑技术的成熟和广泛应用，目前，国外的直升机旋翼锥体与动平衡测量技术从精度较低的电器机械版指针式设备升级到集成电路微电脑版。
新型测量设备都采用了集成电路、微电脑等先进技术，大大改善了测量的精度，并且实现了测量的自动化，在便携和使用方便性方面也有很大提高，典型设备有美国CHADWICK公司的V2000/V2000+等。
测量旋翼锥体的设备除了利用频闪灯打锥体的方法外，还发展出利用光学轨迹传感器及工业摄像机等更专业的精细测量设备捕捉旋翼锥体状态信息等技术。
2.3国内技术发展现状
直升机旋翼锥体与动平衡测量技术在国内的发展起步较晚，但随着旋翼锥体与动平衡测量在直升机生产、飞行中的重要性认识的增加，近几年国内各直升机生产单位及科研机构也加强了对这方面技术和设备的研究，而且国内的研究基于集成电路、微电脑等先进技术，起点较高，不仅有较高的测量精度，甚至可以给出供参考的配重解决方案。
到目前为止，国内自主研发的应用在实际科研生产中的直升机旋翼锥体与动平衡仪包括上海的XZD-3、哈飞的HRMS等型号的产品，此外ACES公司还生产有一款Model2020型动平衡仪，但在国内应用不广泛。
国内测量旋翼锥体的设备由于使用习惯等问题，应用最广泛的还是频闪灯。
各公司在研发旋翼锥体与动平衡仪时除了Model2020有自己专门配套的频闪灯具外，其他产品基本采用的都是CHADWICK公司的135M系列产品，目前135M-12已基本替代了135M-11。
3关键技术环节分析
直升机旋翼锥体与动平衡仪校准规范的制定和编写中涉及的关键技术环节有四个，一是直升机旋翼锥体与动平衡仪的主要校准技术参数的确定；二是校准方法的确定；三是校准用计量标准的选取；四是校准过程的实现。
现针对这四项关键技术环节进行具体分析。
1）直升机旋翼锥体与动平衡仪的主要校准技术参数的确定
由于直升机旋翼锥体与动平衡仪类型驳杂，没有统一的技术标准，难以提炼出统一的计量技术参数。
针对这一问题，本项目通过广泛研究各类型旋翼锥体与动平衡仪的设计及工作原理，得出直升机旋翼锥体与动平衡仪的测量原理：
都是通过参考同步信号，用跟踪滤波的方法得到1次/转的振动信号，进而显示振动信号的振动幅值和相对于同步信号的相位这个原理进行测量的。
根据此测量原理，同时对尽可能多的设备进行测量实验和数据分析，总结分析得出各类直升机旋翼锥体与动平衡仪在实际测量中的技术要求主要由转速、振动幅值以及相位三个参数描述的，即直升机旋翼锥体与动平衡仪的主要校准技术参数就是转速、振动幅值以及相位。
2）校准方法的确定
对直升机旋翼锥体与动平衡仪工作原理的研究，不仅得到了主要校准技术参数，也为直升机旋翼椎体与动平衡仪的校准提供了一个可行的方法。
模拟直升机旋翼椎体与动平衡仪的测量状态，在被校直升机旋翼锥体与动平衡仪的转速信号输入端口加上一个脉冲信号，模拟转速传感器提供的同步信号，同时在被校设备的振动信号输入端口加上一个同步同频的正弦信号，用以模拟振动传感器提供的振动信号。
当两路输入信号的输出频率、电压和相位差可以准确的设置时，被校设备测量这些参数时的测量误差就可以准确的计算出来，这样就完成了直升机旋翼锥体、动平衡测量设备的校准工作。
通过对各类直升机旋翼锥体与动平衡仪进行对比试验和数据分析，用该方法对直升机旋翼锥体与动平衡仪进行校准，校准结果准确可靠，可以保证被校设备的计量技术指标满足预期使用要求。
3）校准用计量标准的选择
因直升机旋翼锥体与动平衡仪属于专用测量设备，经对历次实验数据的统计分析，其计量技术要求如下：
A）转速测量范围：
100~30000r/min;
B）转速测量误差：
0.1%RD；
C）振动幅值测量误差：
±5%F.S.
D）相位测量范围：
0°~180°（24个钟角指示灯）
E）相位测量误差：
±15°（±1个钟角）
为了满足校准的计量技术要求，校准直升机旋翼锥体与动平衡仪的标准计量器具应能同时提供满足要求的振动信号和转速信号。
在选择标准计量器具时，本项目最初设计了两个方案，一是自行研制满足要求的专用校准设备，其优点在于能根据参数要求设计，可以实现转速、振动幅值的直接测量，缺点是专用设备实现难度高，方法的实施能力降低；二是寻找符合技术要求的通用信号发生设备，其优点是据此形成的校准方法和校准规范的实施能力高，缺点是需要考虑转速与频率、振动幅值与电压值之间的数据转换问题，而且能够同时输出正弦和脉冲两路不同类型，准确可靠的低频率小电压（高阻状态下<10mVrms）信号，且两路信号之间还要有可以控制的相位关系的函数发生器难以寻找。
经过论证及调研考察，项目选择了第二套方案并成功找到了满足条件的函数发生器。
4）校准过程的实现
校准过程的实现部分难点在于数据的处理，主要是振动信号的处理。
直升机旋翼锥体与动平衡仪的振动信号是由振动传感器捕获的，所以直升机旋翼锥体与动平衡仪上表示旋转体动平衡状态时，一般是根据习惯或传感器类型选用振动加速度a（单位为g）或振动速度v（单位为IPS）来表示。
作为校准标准设备的函数发生器输出信号幅度是以电压值形式给出的，需要研究并给出函数发生器输出电压值与被校直升机旋翼椎体与动平衡仪的振动显示值之间正确的换算关系。
本项目通过查阅资料得到振动加速度、振动速度与输入信号电压之间的换算与用于测量的振动传感器的灵敏度系数有关，又通过大量的实验和数据分析，得出了三者之间的换算关系，实现了振动幅值的校准。
4国内外标准现状
4.1国外标准现状
国外直升机产品与国内有很大的差别，直升机旋翼锥体与动平衡仪属于专用测试类设备，因此国外没有针对直升机旋翼锥体与动平衡仪的校准方法或标准。
4.2国内标准现状
由于国内旋翼锥体与动平衡仪校准技术发展滞后，因此一直没有旋翼锥体与动平衡仪的校准规范和校准标准。
5标准需求分析
随着国内外旋翼锥体与动平衡测量技术的提高，没有旋翼锥体与动平衡仪的校准规范和标准，造成对旋翼锥体与动平衡仪的维护和校准非常困难，按照各公司产品的技术说明书进行校准得到的数据，难以保证数据的通用性和准确性，标准的缺失已经严重制约了旋翼锥体与动平衡测量技术的发展。
直升机旋翼锥体与动平衡仪的校准标准需要从旋翼椎体与动平衡仪的原理着手，研究出统一或基本统一适用的计量测试标准并据此得到可行的校准方法，编制校准规范。
校准标准的研究可以为各计量机构或校准实验室提供统一的参考技术标准，使校准数据可以相互参照、比对，最大限度的保证校准结果的准确可靠。
该项标准的研究，不仅可以保证旋翼椎体与动平衡仪的校准可靠性和结果的可信程度，而且可以提高各机构校准数据的可比较性，消除各企业间协同合作的障碍。
6标准草案关键技术分析
6.1标准框架分析
本标准通过对直升机旋翼椎体与动平衡仪的测量原理的深入分析，提炼出直升机旋翼椎体与动平衡仪的主要技术参数，并设计了依据测量原理模拟被校设备的测量过程，用满足校准技术要求的计量标准设备模拟输出转速和振动信号，完成了相位平衡仪的转速、振动幅值和相位以及频闪仪灵敏度、振荡信号转速等参数的校准以及频闪仪灯聚焦的检查及调整等项目。
可以满足各类直升机旋翼椎体与动平衡仪校准要求。
6.2标准内容分析
6.2.1范围
本标准规定了直升机旋翼锥体与动平衡仪的计量特性、校准条件、校准项目、校准方法、校准结果的处理和复校时间间隔。
适用于新制造、使用中和修理后的直升机旋翼锥体与动平衡仪的校准。
6.2.2引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T1.1标准化工作导则第1部分：
标准的结构和编写
6.2.3术语和定义
6.2.3.1振动速度v
用于表征旋转体动平衡状态的振动参数，可用振动速度传感器测量得到，单位：
IPS。
振动速度与输入信号电压和振动加速度的换算可按式
（1）、式
（2）进行：
……………………………………
（1）
…………………………
（2）
式中：
k1——振动传感器灵敏度系数，单位为mV/IPS
f——振动频率值，单位为Hz
6.2.3.2振动加速度a
用于表征旋转体动平衡状态的振动参数，可用加速度传感器测量得到，单位：
g。
振动加速度与输入信号电压和振动速度的换算可按式（3）、式（4）进行：
……………………………………（3）
………………………（4）
式中：
k2——加速度传感器灵敏度系数，单位为mV/g
f——振动频率值，单位为Hz
6.2.4计量性能
6.2.4.1相位平衡仪
目前常用的相位平衡仪分两类，一类是指针式测量设备，一类是数字式测量设备。
各类相位平衡仪计量性能要求见表1。
表1相位平衡仪计量性能要求
设备类型
指针式
数字式
转速测量范围
100~9990r/min
100~30000r/min
转速测量误差
±2%RD
±0.1%RD
振幅测量范围
0~1IPS
参见说明书
振幅测量误差
±5%F.S.
±5%F.S.
相位测量范围
0:
00~12:
00（24个钟角指示灯）
0°~180°
相位测量误差
±1个钟角（±15°）
±15°
6.2.4.2频闪仪
输入灵敏度：
峰峰值电压≤600mV。
振荡信号转速范围：
100r/min~9990r/min
振荡信号转速误差：
<2%RD
聚焦性能：
10英尺~20英尺（3米~6米）之间的墙上聚焦成的光点直径应为12英寸~18英寸（30厘米~45厘米），光点应很亮且无空心。
6.2.5校准条件
6.2.5.1环境条件
环境条件及其要求如下：
环境温度：
（20±5）℃；
相对湿度：
≤80%；
其他：
直流28V供电（V2000/V2000+可由四节1号干电池供电）；
周围无影响仪器正常工作的噪声、电磁干扰和机械振动。
6.2.5.2校准用标准器具
校准用标准计量器具应经过法定计量技术机构检定合格或经校准，并在有效期内。
a）双通道函数发生器：
输出频率范围：
1~10kHz
输出频率准确度：
≤1×10-6
输出幅度（峰峰值）范围：
10mV~10V（输入阻抗为高阻时）
输出幅度误差：
±1%；
输出相位调节范围在-180°~180°之间，输出误差≤±1°。
b）转台：
转速范围：
100r/min~9990r/min
转速误差：
<±0.1%RD
输出电压峰峰值：
>4.5V
6.2.6校准项目
校准项目见表2。
表2校准项目表
项目名称
首次校准
后续校准
使用中校准
外观及工作正常性
+
+
+
相位平衡仪校准
转速测量误差
+
+
+
振动幅值测量误差
+
+
+
振动相位测量误差
+
+
-
频闪仪校准
输入灵敏度
+
+
+
振荡信号转速误差
+
+
-
灯聚焦的检查及调整
+
+
+
注：
表中“+”表示应校准项目，“-”表示可不校准项目。
6.2.7校准结果处理和复校时间间隔
6.2.7.1直升机旋翼锥体与动平衡仪校准后应出具校准证书。
6.2.7.2直升机旋翼锥体与动平衡仪的复校时间间隔一般为12个月，必要时可随时校准，修理后应重新校准。
7技术指标的验证试验
7.1指针式直升机旋翼锥体与动平衡仪校准技术指标的验证试验。
7.1.1验证试验设备：
直升机旋翼锥体与动平衡仪，型号：
177M-6A；出厂编号：
7742。
7.1.2校准用标准：
双通道函数发生器，型号：
WF1974；出厂编号：
9169606。
7.1.3转速测量误差的校准，校准结果见表3
表3177M-6A转速测量误差的校准结果
输入频率/Hz
对应标准转速/r/m
实测平均值/r/min
不确定度U/r/min，k=2
误差/%
2
120
120.7
0.3
0.56
5
300
301.3
0.4
0.44
10
600
603.0
0.6
0.50
30
1800
1805.7
0.5
0.31
50
3000
3021.7
0.5
0.72
100
6000
6051.3
0.7
0.86
166.67
10000
10080
0.5
0.80
500
30000
30081
0.5
0.27
1000
60000
60112
0.5
0.19
1666.7
100000
100140
0.5
0.14
7.1.4振动幅值测量误差的校准，校准结果见表4
表4177M-6A振动幅值测量误差的校准结果
转速/r/m
IPS值
对应电压/mV
实测值/mV
误差/%
3000
1
35.38
34.91
1.3
6000
1
70.77
70.26
0.7
10000
1
118.00
117.25
0.6
30000
1
353.83
352.51
0.4
60000
1
707.65
705.95
0.2
100000
1
1179.45
1177.84
0.1
10000
0.5
59.00
59.17
-0.3
10000
0.2
23.60
24.63
-1.7
7.1.5振动相位测量的校准，校准结果见表5
表5177M-6A振动相位测量的校准结果
f1=f2=55Hz；测试相位为12:
30，当f2>f1时，逆时针旋转；当f1>f2时，顺时针旋转；
相位角
0°
15°
30°
45°
60°
75°
钟角指示值
9:
00
8:
30
8:
00
7:
30
7:
00
6:
30
钟角示值误差
0
0
0
0
0
0
相位角
90°
105°
120°
135°
150°
165°
钟角指示值
6:
00
5:
30
5:
00
4:
30
4:
00
3:
30
钟角示值误差
0
0
0
0
0
0
相位角
180°
195°
210°
225°
240°
255°
钟角指示值
3:
00
2:
30
2:
00
1:
30
1:
00
12:
30
钟角示值误差
0
0
0
0
0
0
相位角
270°
285°
300°
315°
330°
345°
钟角指示值
12:
00
11:
30
11:
00
10:
30
10:
00
9:
30
钟角示值误差
0
0
0
0
0
0
7.2数字直升机旋翼锥体与动平衡仪校准技术指标的验证
7.2.1验证试验设备：
直升机旋翼锥体与动平衡仪，型号：
V2000+；出厂编号：
1292。
7.1.2校准用标准：
双通道函数发生器，型号：
WF1974；出厂编号：
9169606。
7.1.3转速测量误差的校准，校准结果见表6
表6V2000+转速测量误差的校准结果
输入频率/Hz
对应标准转速/r/m
实测平均值/r/min
不确定度U/r/min，k=2
误差/%
2
120
120.0
0
0
6
360
359.8
0.3
-0.056
10
600
599.8
0.3
-0.033
20
1200
1200.2
0.3
0.017
30
1800
1799.9
0.2
-0.006
40
2400
2399.7
0.3
-0.013
50
3000
2999.6
0.3
-0.013
60
3600
3599.9
0.2
-0.003
100
6000
5999.8
0.3
-0.003
166.5
9990
9989.4
0.3
-0.006
7.1.4振动幅值测量误差的校准，校准结果见表7
表7V2000+振动幅值测量误差的校准结果
转速/r/m
IPS值
对应电压值/mV
振幅平均值/IPS
误差/%
360
1
13.44
0.953
-4.7
600
1
13.44
0.960
-4.0
1200
1
13.44
0.960
-4.0
1800
1
13.44
0.960
-4.0
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