08-無軸承模型旋翼設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與分析(楊振

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1、第二十四屆（2008）全國直升機(jī)年會(huì)論文無軸承模型旋翼設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與分析楊振華鄭華林長亮王浩文（南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）摘要：以EC135無軸承旋翼系統(tǒng)為參考，完成無軸承模型旋翼設(shè)計(jì)。為了解粘彈阻尼器動(dòng)特性，進(jìn)行了阻尼器在典型頻率下的剛度與阻尼識(shí)別。在識(shí)別出旋翼在不同轉(zhuǎn)速的擺振固有頻率基礎(chǔ)上，進(jìn)行孤立旋翼的穩(wěn)定性測試與分析。解除機(jī)體剛性約束，完成旋翼/機(jī)身耦合系統(tǒng)的氣動(dòng)/機(jī)械穩(wěn)定性測試。關(guān)鍵詞：無軸承移動(dòng)矩形窗阻尼器1引言無軸承旋翼/機(jī)身耦合系統(tǒng)氣動(dòng)/機(jī)械穩(wěn)定性一直是直升機(jī)界廣泛關(guān)注的問題

2、。旋翼/機(jī)身耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要是為了避免傳統(tǒng)的“地面共振”和“空中共振”。美國道格拉斯公司與NASA聯(lián)合開展了MDART（theMcDonnellDouglasAdvancedRotorTechnology）無軸承旋翼穩(wěn)定性試驗(yàn)[1]。西科斯基于1992年在NASA的Ames風(fēng)洞中完成s-76全尺寸無軸承旋翼穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到在各種飛行狀態(tài)下穩(wěn)定性數(shù)據(jù)[2]。國內(nèi)胡和平等人進(jìn)行了無軸承尾槳試驗(yàn)研究[3]，但是在無軸承模型旋翼設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性試驗(yàn)方面的研究，國內(nèi)尚屬空白。本文按照模型旋翼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行旋翼/機(jī)身耦合系統(tǒng)的氣動(dòng)/機(jī)

3、械穩(wěn)定性分析，并完成必要的參數(shù)研究，以此為依據(jù)完成無軸承旋翼設(shè)計(jì)。為了研究阻尼器特性，首先進(jìn)行了無軸承旋翼動(dòng)部件的試驗(yàn)，主要是阻尼器在不同工作頻率和振動(dòng)幅值下的的剛度和阻尼特性，之后進(jìn)行模型旋翼固有特性試驗(yàn)和孤立旋翼穩(wěn)定性測試，最后完成旋翼/機(jī)身耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性測試。2無軸承模型旋翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文的無軸承旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)以EC135直升機(jī)無軸承旋翼為參考，柔性梁采用玻璃鋼復(fù)合材料，直接由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂固化成型。柔性梁既承受槳葉的離心力作用，同時(shí)又能對旋翼進(jìn)行槳距操縱，所以其在滿足拉伸剛度的情況下，盡量降低其扭轉(zhuǎn)剛度。在支撐阻尼器的剪

4、切限制裝置中部布置了關(guān)節(jié)軸承，這樣除了釋放扭轉(zhuǎn)自由度外，在揮舞方向也是自由的，這使得槳葉上揮時(shí)，連接在剪切限制裝置上的阻尼器的剛度對揮舞頻率不會(huì)有影響，這樣也就降低了揮舞方向上的結(jié)構(gòu)剛度[4]。為了降低載荷，大多數(shù)無軸承旋翼均設(shè)計(jì)成擺振柔軟，這樣很容易出現(xiàn)地面共振和空中共振。由于柔性梁的阻尼及擺振方向的氣彈阻尼很小，所以要加額外的阻尼以保證旋翼的穩(wěn)定性。本文的阻尼器采用環(huán)形橡膠堆形式[5]974，中間以鋼片相隔開，這樣可以降低彎曲變形的影響，使變形主要為剪切變形，并且便于橡膠散熱。損耗正切與擺振剪切位移存在（1）式[6]關(guān)系，所以

5、將其布置在扭管根部，以提供較大的阻尼，確保旋翼的穩(wěn)定性。（1）式中是阻尼器擺振剛度是橡膠材料阻尼器的損耗正切是擺振基階模態(tài)的廣義慣量是阻尼器的剪切位移是擺振固有頻率扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用包圍柔性梁的扭管形式，連接柔性梁和槳葉，形成多路傳力系統(tǒng)，連接變距拉桿，扭轉(zhuǎn)剛硬，可實(shí)現(xiàn)變距功能，同時(shí)支撐阻尼器，與剪切限制裝置一起實(shí)現(xiàn)阻尼器的功能。扭管采用45度鋪層，厚度為1mm，可盡量做到扭轉(zhuǎn)剛硬，以便將變距輸入完全傳到柔性梁和槳葉連接處，從而進(jìn)行變距操縱。無軸承旋翼組裝如圖1，可見，無軸承旋翼零件少，結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配。圖1無軸承旋翼3阻尼器剛度與阻

6、尼識(shí)別試驗(yàn)阻尼器是無軸承旋翼的關(guān)鍵部件，其阻尼和剛度特性對模型旋翼的動(dòng)力學(xué)特性有著至關(guān)重要的影響。此試驗(yàn)在疲勞機(jī)房拉伸機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。給定拉伸機(jī)運(yùn)動(dòng)幅值，在旋翼工作轉(zhuǎn)速頻率16.7Hz、擺振一階固有頻率10Hz及其附近頻率進(jìn)行激振，同時(shí)采集作用在阻尼器上的力和位移的時(shí)間歷程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波[7]后提取實(shí)際需要的頻率成分，得到對應(yīng)頻率和幅值下的阻尼器剛度和阻尼。阻尼器的剛度隨振動(dòng)幅值的關(guān)系如圖2，此圖也體現(xiàn)了阻尼器在振動(dòng)幅值不變的情況下，剛度隨頻率的簡單變化關(guān)系?？梢娮枘崞鞯膭?dòng)剛度在工作頻率一定的情況下，隨著振動(dòng)幅值的增加而減??；而在振

7、動(dòng)幅值不變的情況下，阻尼器動(dòng)剛度隨著工作頻率的增加而增加。阻尼器在9Hz下測得的遲滯回線[8]974如圖4，體現(xiàn)了橡膠的滯彈性，橢圓的面積代表在阻尼器一個(gè)周期內(nèi)所消耗的能量，從圖3可以看出，在頻率一定的情況下，阻尼器消耗的能量隨振動(dòng)幅值的增加而增加，從而體現(xiàn)阻尼器布置在剪切位移比較大的位置的合理性。圖2阻尼器剛度隨振幅變化趨勢圖3頻率為9Hz下遲滯回線4旋翼固有特性測試?yán)弥鄙龣C(jī)旋翼重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的旋翼/機(jī)體耦合試驗(yàn)臺(tái)，完成固有頻率測試試驗(yàn)。在對角的兩片槳葉上，各用兩個(gè)測擺振的加速度傳感器，其中一個(gè)擺振傳感器安裝在旋翼與柔性梁的接頭上

8、，此處揮舞與擺振變形幅值均較大，另外的一個(gè)擺振傳感器安裝在貼近阻尼器處，此處由于阻尼器的剪切位移相對較大，采集的信號(hào)也相對較好。在測試不同旋翼轉(zhuǎn)速下的槳葉揮舞和擺振固有頻率時(shí)，從300RPM開始，間隔為100RPM，一直測試到1000RPM，在每一