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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文某型直升机航向操纵力过大故障研究马小伟1 刁飞萌1 熊俊卿2（1. 哈尔滨航空工业集团有限公司飞机设计所系统设计室，哈尔滨，150066;2. 陆航驻哈尔滨军事代表室，哈尔滨，150066）摘 要：某型直升机在生产交付过程中，出现多个批次航向操纵系统操纵力过大的问题。在对航向操纵系统的工作原理以及尾液压助力器进行了分析，并研究了影响尾液压助力器动态响应性能的因素，结合液压系统的特点，给出了航向操纵系统操纵力过大的几个主要因素，同时也制订了相应的问题处理方法。经过实际应用，该方法可以有效的解决航向操纵系统操纵力过大问题。关键字：航向操纵系统; 尾液压助力器
2、; 操纵力 1 概述航向操纵系统是直升机的主要系统之一，驾驶员通过航向操纵系统改变尾桨的攻角，增加或减少尾桨推力，从而改变飞机的航向，进而实现了对直升机的偏航操纵。在近几年某型机的生产交付过程中，出现多个批次的航向操纵系统操纵力过大问题，主要故障现象是：飞行过程中，当切断尾液压助力器进行悬停回转科目时，驾驶员操纵脚蹬的力过大，偶尔超出驾驶员许可的操纵力，无法达到驾驶员满意的标准。特别是在冬季时，出现问题的频率比较高。该问题的出现给用户接机以及正常使用造成了较严重的影响。通过深入的研究分析，认为引起航向操纵力过大的原因主要有以下几个方面：a)系统摩擦力过大；b) 尾液压助力器故障；c)液压系统效
3、率降低等。2 航向操纵系统简介2.1 航向操纵的原理及组成航向操纵系统原理图如图1所示，脚蹬是通过改变尾桨桨距，进而改变尾桨推力的大小，从而控制直升机的航向姿态。当向前蹬右脚蹬时，尾桨桨距增加，尾桨推力增大，直升机右转，当向前蹬左脚蹬时，尾桨桨距减小，尾桨推力降低，直升机左转。由于尾桨推力比较大，超过了正常驾驶员的操纵力（CCAR29第29.397条规定脚操纵力最大578牛），故尾桨变距操纵实际由尾液压助力器完成，驾驶员真正操作的是尾液压助力器的摇臂转阀。2.2 尾液压助力器的工作原理由于该型机是采用助力操纵尾桨毂，其尾液压助力器的大概原理如下：采用串联作动筒助力机构，其左侧作动筒由直升机的左
4、液压系统供压，右侧作动筒由直升机的右液压系统供压，在直升机交付过程中，需要模拟一侧作动筒单独工作时（即：切断尾液压助力器），航向操纵系统的可操纵性。 1. 摇臂 2.波纹套 3. 拉杆导向座 4. 拉杆 5. 航向操纵脚蹬装置 6. 副驾驶员航向操纵脚蹬装置 7. 尾伺服机构 8. 尾桨变距机构 9. 副驾驶员脚蹬装置的摇臂 10.协调拉杆 11.摇臂图1 航向操纵的原理及组成图增大桨距减小桨距图2 尾液压助力器驾驶员操纵脚蹬装置，机械系统中的操纵拉杆前后移动，A点得到一个位移信号，我们假设这个位移指令信号很快，尾液压助力器活塞杆（4）还来不及动作，这样假设就可以把尾液压助力器的随动运动人为地
5、分成两个阶段，使分析得以简化（如图3中第1、第2阶段），而对分析结果是不会产生影响。a)第一阶段（见图3） 输入摇臂A点接受输入指令，偏离初时平衡位置（Z）向上移动，输入摇臂（1）带动围绕着C点旋转的小摇臂组件（2）转动一角度，从而带动输入连杆（9），再通过转阀连杆（7）的带动，使阀（8）和（6）同步转动。只要阀（8）和（6）一打开，液压油就会立即进入伸出腔，活塞杆在液压力的作用下移动一距离X。b)第二阶段（见图3） A点输入指令停止，此时A点固定不动，移动中的活塞杆通过E点带动围绕A点旋转的输入摇臂（1），从而通过B点使得小摇臂（2）返回到它的起始位置上，转阀又重新关闭，伺服机构回到一个新的
6、平衡位置。 A点的运动方向决定了转阀油路的开启方向，因而也确定了活塞杆的运动方向。A点向上移动时，阀顺时针旋转，作动筒腔进油（见图4），腔回油，此时活塞杆（4）向右运动（伸出），尾桨距减小。反之，A点向下移动时，阀逆时针旋转，此时活塞杆向左运动（缩回），尾桨距增大。 正常工作时，伺服机构由两个独立的液压系统供压。当一液压系统损坏时，伺服机构可以单腔工作，此时输出力为正常工作的一半。第一阶段第二阶段图3 接受输入指令的助力器机械运动原理图A点向上运动A点向下运动图4 接受输入指令的助力器液压流向原理图2.3 尾桨的原理通过该型机提供升力的主旋翼特点（顺时针旋转），尾桨所起的主要功能是产生一个推力
7、()以平衡主旋翼的反扭矩(CR)，同时推力（-900 N+4000 N）的变化可以实现直升机偏航方向的操纵，如图5所示。图5 尾桨原理图3 原因分析通过以上航向操纵系统、尾液压助力器以及尾桨原理的介绍分析，当需要模拟尾液压助力器一侧作动筒单独工作（即：切断尾液压助力器）验证航向操纵系统的可操纵性时，此时尾液压助力器的输出力只有双作动筒同时工作时的一半（5280N）。根据尾桨的推力为-900 N+4000 N，仍可保证在整个飞行包线内操纵尾桨。若出现脚蹬操纵力过大问题，认为引起操纵力过大的原因大概有以下几个方面：a)系统摩擦力过大；b) 尾液压助力器故障；c)液压系统效率降低等。3.1 操纵力分
8、析3.1.1 脚蹬操纵力分析根据图1航向操纵系统的组成，由于驾驶员真正操纵的是尾液压助力器，在驾驶员正常操纵航向操纵系统时，可以认为脚蹬操纵力主要由以下部分组成：开启尾液压助力器转阀的力；机械系统中的摩擦力；航向摩擦装置（装有自动驾驶仪时）的摩擦力 。从该型机的飞行操纵系统调整和鉴定方法中得出，不论在地面还是在飞行过程中，驾驶员的正常脚蹬操纵力 =+155N。3.1.2 尾桨变距操纵力分析因为尾桨由尾液压助力器直接驱动，通过尾桨的结构形式以及尾液压助力器与尾减速器的连接形式，认为尾桨变距操纵力主要由以下部分组成：克服尾桨的气动力；尾桨操纵轴的摩擦力；液压助力器输出轴的摩擦力。则尾桨操纵力 =+
9、5280 N （助力器切断后，一侧作动筒输出力）根据尾液压助力器的工作原理能量守恒，可以得出： =（+ ） ， 即 （+）=（+ ）其中为助力器活塞杆动作行程为左液压系统输出功率为右液压系统输出功率为助力器动作需要响应的时间3.2 故障成因分析3.2.1 系统摩擦力过大根据脚蹬操纵力 =+公式，当尾液压助力器切断时，如果航向摩擦装置的摩擦力过大将直接导致驾驶员的脚蹬操纵力过大，而通过实际操纵，当出现问题时，对该摩擦装置进行检查调整后，部分批次的直升机问题可以得到解决。从尾液压助力器操纵尾桨的能量守恒公式（+）=（+ ），可以得出，当尾液压助力器切断时，上式变成了（+）= 。驾驶员感觉到脚蹬操纵
10、力大的一个原因是尾液压助力器的动态响应变慢了，即上式中的时间比较大，驾驶员操纵尾液压助力器摇臂的输入行程为2mm后，此时尾液压助力器活塞杆需经过时间才运动，当尾液压助力器转阀又复位后，驾驶员才可以再向前操纵臂的输入行程2mm，接着又必须等待时间才可以继续运动，这就是驾驶员会感觉到脚蹬操纵力大的原因。通过以上的相关公式，可以看出： 尾桨操纵轴的摩擦力和助力器输出轴的摩擦力 增大会影响助力器响应时间。由于尾桨和尾液压助力器安装时和现在工作的温度相差较大，会产生一定的安装应力，引起摩擦力的增大，同时如果尾减速器上的锥形操纵盘有应力安装，将使尾桨操纵杆在运动过程中产生不利的摩擦力。当出现脚蹬操纵力大问
11、题，通过实际重新安装尾桨毂和尾液压助力器后，部分批次的直升机问题得到解决。 克服尾桨气动力的大小会影响助力器响应时间，根据尾桨原理，当驾驶员向前操纵左脚蹬时，尾桨桨距减小，助力器输出需要克服气动力减小，其动态响应随动快；而当驾驶员再向前操纵右脚蹬时，尾桨桨距增加，助力器需要克服气动力瞬间增大，其动态响应相比会变慢，不能及时响应驾驶员的指令，因此驾驶员会感觉向前操纵右脚蹬的操纵力过大。而在操纵右脚蹬转换到操纵左脚蹬时，由于尾液压助力器输出力在减小，其响应随动速度在增大，因此不会出现脚蹬操纵力大的问题。3.2.2 尾液压助力器故障尾液压助力器成品故障（主要是转阀故障）可导致一侧作动筒的输出力不足，
12、会使更多的尾桨变距推力由驾驶员的脚蹬力承担，因此会引起驾驶员操纵力增大的感觉。实际批次的直升机通过对尾液压助力器进行复验均未发现转阀故障等。3.2.3 液压系统效率低该型机液压系统的液压源安装在直升机主旋翼平台上，尾液压助力器相对于液压源比较远，其液压管路比较长，由于直升机上的液压压力传感器设置在液压源附近，当出现脚蹬操纵力大问题时，无法及时获取尾液压助力器周围的液压压力值，在此我们可以从液压系统本身进行分析研究。由于出现问题大多在寒冷的冬季，根据液压油液的黏度特性：随环境温度、压力而改变，温度降低，黏度增大，黏度大则液压传输的效率损失大。由于该型机的航向操纵系统液压压力为6MPa,故可以忽略
13、压力对黏度的影响。从液压油液在时的运动黏度公式=（），是温度为50时油液的运动黏度，也可以看出，当和一定时，温度越低，将越大，从而使液压系统的输出功率降低并增加响应时间。另外环境温度因素也将影响油液的密度，温度越越低，密度越大，此次根据液压管路的沿程压力损失公式=，可以看出，液压油在管路中的沿程压力损失将增加，进而使液压系统的输出功率降低。 同时还需要考虑的是，由于液压有具有溶解空气和其他气体的能力，如果液压油中混有以气泡形式存在的空气时，油液的弹性模量将大幅度下降，压力波在油液汇总的传播速度也将减小，也将影响尾液压助力器的动态响应。3.3 解决措施根据以上分析的结果，可以按照如下步骤进行处理
14、：1) 检查航向操纵系统摩擦装置的摩擦力是否符合技术要求，若不符合进行调整；2) 为了消除环境因素的影响，切断尾液压助力器科目在直升机飞行一段时间后进行；3) 按照飞行操纵系统调整补充技术条件对液压系统排气；4) 尾液压助力器和尾桨毂进行重新安装，同时检查尾减速器操纵轴运动表面是否有密封胶、腻子等粘稠物污染；5) 清洗尾液压助力器油滤和液压系统的油滤。在此需要指出：当切断尾液压助力器时，由于尾液压助力器输出力减少50%，这势必造成驾驶员在进行航向操纵时脚蹬操纵力及驾驶感受的改变，而对于此时直升机航向操纵性能的考核是有标准的，即：切断尾液压助力器后，悬停时，直升机在8秒钟内可顺时针或逆时针旋转3
15、60。故当问题出现时，要首先考虑其是否符合航向操纵性能的标准。4 结论通过在该型直升机上的实际排故操作，证明上述分析的故障点定位准确，解决措施合理有效，可以有效解决该型号直升机航向操纵系统操纵力过大的问题。同时也可以对其他采用相似操纵原理的直升机研制及试飞排故提供宝贵经验。参 考 文 献1 飞机设计手册总编委会.飞机设计手册 第12册：飞行控制系统和液压系统设计.北京：航空工业出版社， 2003.122 机械设计手册成大先主编.单行本：液压控制.北京：化学工业出版社，2004.01Research On Yaw Control Force ExceededMA Xiao-wei DIAO Fe
16、i-meng Xiong Jun-qing(The system design section office, aeroplane design research institute of Haerbin aviation industry company, haerbin, 150066, China)Abstract: During the production and delivery progress of helicopter, we find out that the load on yaw control system is out of bound. We analysis t
17、he principium of yaw control system and investigate in factors which can affect trail rotor actuator dynamic response. Based on these work and the character of hydraulic, we put forward some kinds of corresponding measures and factors which can lead to the load out of bound. During practice, the measures turns out to be effective.Key word: yaw control system; tail servo control; control load346