直升機(jī)減擺器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

直升機(jī)減擺器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1減擺器的設(shè)計(jì)眾所周知，滑動(dòng)減速器為步槍的傾斜振動(dòng)提供了衰減力，這是防止地面共振的主要設(shè)計(jì)措施，但另一個(gè)重要作用通常被忽視。這是為旋轉(zhuǎn)集振動(dòng)機(jī)的激勵(lì)提供衰減力的權(quán)利，也是防止傳動(dòng)鏈中的不穩(wěn)定速度之一。通過設(shè)計(jì)人工阻尼器以滿足消除地面共振的要求,從最早期的摩擦減擺器,發(fā)展到現(xiàn)在先進(jìn)的粘彈和液彈減擺器,使防止地面共振的這一措施有了多種選擇,先進(jìn)優(yōu)良的減擺器性能也使耦合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單容易了。由于摩擦減擺器的摩擦力(矩)長(zhǎng)期使用會(huì)不斷降低,常發(fā)生不穩(wěn)定的地面共振,設(shè)計(jì)上已不再考慮了。液壓減擺器阻尼較大,通過一減壓閥控制載荷增大,開啟前與速度平方成正比,開啟后阻力與速度略成很小斜率的線性變化,存在當(dāng)量阻尼最大速度點(diǎn),是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。粘彈減擺器不僅提供阻尼,還提供剛度,可用于調(diào)整槳葉擺振頻率。粘彈減擺器剛度和阻尼都隨位移振幅增大而減小,存在當(dāng)量阻尼最大位移點(diǎn),也是設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。液彈減擺器集液壓減擺器和粘彈減擺器優(yōu)點(diǎn),剛度特性近于粘彈減擺器,阻尼特性近于液壓減擺器?，F(xiàn)在使用最廣泛的減擺器是液壓減擺器和粘彈減擺器兩種類型。另外,不同噸位的直升機(jī)對(duì)這兩類減擺器的選擇是不同的,液壓減擺器阻尼大,不提供附加剛度,在大噸位直升機(jī)上使用較多;而對(duì)于需要槳葉擺振調(diào)頻和低噸位直升機(jī),通常選擇粘彈減擺器。減擺器性能指標(biāo)主要源自于直升機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求,這些要求必須充分考慮和分析減擺器本身的非線性特性,但同時(shí)還必須盡可能降低載荷提高疲勞壽命,具有工程設(shè)計(jì)合理性和可行性。因此,在設(shè)計(jì)上必須采取一定的設(shè)計(jì)措施以滿足綜合指標(biāo)要求。減擺器在旋翼上的安裝有兩種布局,一是獨(dú)立布置,減擺器一端連于槳轂,另一端連于槳葉,稱為槳轂減擺器;二是非獨(dú)立布置,減擺器連于相鄰兩槳葉間,稱葉間減擺器。近年來在型號(hào)設(shè)計(jì)中都有應(yīng)用的實(shí)例,有成功經(jīng)驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)了一些問題,加深了對(duì)減擺器安裝布局的認(rèn)識(shí)。本文從直升機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的角度,結(jié)合型號(hào)設(shè)計(jì)使用情況,討論分析了如何確定對(duì)減擺器性能的設(shè)計(jì)要求和安裝布局,提出了在設(shè)計(jì)中,對(duì)減擺器性能的一些重要設(shè)計(jì)點(diǎn)和變化規(guī)律應(yīng)重點(diǎn)考慮和利用。2葉間減擺器設(shè)計(jì)布局直升機(jī)耦合動(dòng)力穩(wěn)定性包括地面共振、空中共振、傳動(dòng)鏈/發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)扭振穩(wěn)定性。對(duì)于槳轂減擺器布局,由于各片槳葉有其獨(dú)立的減擺器,減擺器對(duì)槳葉擺動(dòng)提供的約束力直接傳到槳轂上,因此,不論旋翼的槳葉以什么型態(tài)運(yùn)動(dòng),減擺器都提供阻尼,這種布局對(duì)各種耦合振動(dòng)起到穩(wěn)定作用,采用這種減擺器布局的直升機(jī)占絕大多數(shù)。但是,這種布局一般又受結(jié)構(gòu)空間的限制,在滿足阻尼要求的情況下,減擺器及其連接件的動(dòng)載荷一般較大。另外,當(dāng)其中一個(gè)減擺器失效時(shí),該片槳葉沒有擺振運(yùn)動(dòng)阻尼,可能發(fā)生地面共振、空中共振不穩(wěn)定現(xiàn)象。為了提高阻尼,簡(jiǎn)化槳轂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和降低動(dòng)載荷,在一些直升機(jī)上選擇了葉間減擺器設(shè)計(jì)布局。這種安裝布局容易增大減擺器至垂直鉸的距離,從而減小了槳轂、減擺器及其連接件的動(dòng)載荷。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)一個(gè)減擺器失效時(shí),只是原來減擺器形成的閉環(huán)變成了開環(huán),阻尼下降槳葉片數(shù)分之一,因此,只要設(shè)計(jì)上考慮一個(gè)減擺器失效情況,就可確保有足夠的擺振阻尼防止地面共振、空中共振發(fā)生。葉間減擺器設(shè)計(jì)布局也有它的缺點(diǎn),這就是對(duì)旋翼集合型擺振運(yùn)動(dòng)不提供阻尼,由此會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)鏈(包括旋翼、尾槳、傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī))扭振與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)耦合穩(wěn)定性問題。雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)置帶阻濾波器能使閉環(huán)控制是穩(wěn)定的,但穩(wěn)定裕度低,傳動(dòng)鏈扭振響應(yīng)難以控制,特別在機(jī)動(dòng)飛行、起動(dòng)和剎車狀態(tài),產(chǎn)生的扭振響應(yīng)不可接受,嚴(yán)重縮短傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壽命。3振動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)減動(dòng)器性能的要求3.1減擺器的設(shè)計(jì)為了配置旋翼擺振后退頻率與機(jī)體在起落架上的頻率的共振轉(zhuǎn)速點(diǎn),需要減擺器提供剛度,調(diào)整共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)到希望的設(shè)計(jì)位置,一般采用粘彈減擺器或液彈減擺器,并對(duì)減擺器提出剛度設(shè)計(jì)要求。共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)是地面共振設(shè)計(jì)點(diǎn),需要根據(jù)減擺器剛度隨振動(dòng)位移幅值增大而降低的非線性特性,以及直升機(jī)地面共運(yùn)轉(zhuǎn)和空中飛行狀態(tài)槳葉擺振位移譜,分析確定合適位移作為剛度設(shè)計(jì)點(diǎn),對(duì)減擺器性能設(shè)計(jì)提出要求。3.2阻尼裕度設(shè)計(jì)的點(diǎn)點(diǎn)確定減擺器阻尼是防止動(dòng)不穩(wěn)定性的重要設(shè)計(jì)措施,只要不采用葉間布局,滿足防止地面共振和空中共振的阻尼要求,肯定可滿足消除扭振動(dòng)不穩(wěn)定的阻尼需求,因此,對(duì)減擺器的阻尼設(shè)計(jì)要求是根據(jù)消除地面共振和空中共振不穩(wěn)定性,達(dá)到有足夠的阻尼裕度為設(shè)計(jì)目標(biāo)而提出的。旋翼工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在的共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)和工作轉(zhuǎn)速處的阻尼裕度是減擺器阻尼設(shè)計(jì)點(diǎn)之一,另一設(shè)計(jì)點(diǎn)是控制工作轉(zhuǎn)速外不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)邊界。減擺器阻尼隨振動(dòng)位移或速度幅值變化也是非線性的,其當(dāng)量阻尼對(duì)應(yīng)振動(dòng)位移或速度幅值存在峰值點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)是減擺器性能設(shè)計(jì)和地面共振和空中共振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。4考慮到減幅器性能設(shè)計(jì)中考慮的因素4.1到極限行程直升機(jī)在地面運(yùn)轉(zhuǎn)和空中飛行時(shí),槳葉擺振運(yùn)動(dòng)會(huì)使減擺器在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。通常液壓減擺器設(shè)計(jì)了最大行程,使用中絕對(duì)不能達(dá)到極限行程,否則會(huì)產(chǎn)生撞擊,損壞結(jié)構(gòu)。對(duì)于粘彈和液彈減擺器,一般不設(shè)計(jì)行程限制,運(yùn)動(dòng)幅度只取決于所受載荷。地面運(yùn)轉(zhuǎn)和空中飛行狀態(tài)下槳葉擺振量差別大,地面共振和空中共振對(duì)減擺器剛度阻尼的要求也有所不同,因此,在設(shè)計(jì)減擺器性能時(shí),必須慎重考慮運(yùn)動(dòng)范圍和剛度阻尼隨運(yùn)動(dòng)幅度非線性變化特性,滿足消除地面共振、空中共振和扭振不穩(wěn)定性對(duì)減擺器剛度和阻尼的要求。4.2槳葉擺振頻率變化的影響粘彈和液彈減擺器剛度通常隨振動(dòng)頻率升高有一定的增大,各種減擺器阻尼特性隨頻率變化更明顯。地面共振、空中共振和扭振穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析一般要考慮到1.2倍旋翼工作轉(zhuǎn)速范圍,因此,減擺器性能設(shè)計(jì)也要考慮到1.2倍旋翼工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)槳葉擺振頻率變化范圍。在這個(gè)頻率范圍內(nèi),其中工作轉(zhuǎn)速下的擺振頻率是減擺器性能設(shè)計(jì)要考慮的主要頻率點(diǎn)。另外,減擺器性能設(shè)計(jì)還要考慮雙頻因素,即飛行狀態(tài)下槳葉揮舞引起的擺振運(yùn)動(dòng)頻率Ω與槳葉固有擺振頻率ωζ不同,雙頻振動(dòng)狀態(tài)下減擺器對(duì)應(yīng)ωζ的阻尼及剛度都比單頻率狀態(tài)低。一般在滑跑狀態(tài)地面共振和空中共振設(shè)計(jì)分析中考慮到這個(gè)因素,對(duì)減擺器提出剛度,特別是阻尼設(shè)計(jì)要求。4.3粘彈減擺器剛度隨頻率變化的規(guī)律對(duì)粘彈和液彈減擺器,隨著運(yùn)動(dòng)幅值的增大,其剛度會(huì)漸近于某一極限值,這里稱為極小剛度,如圖1和圖2所示,圖2所示液彈減擺器剛度在參考文獻(xiàn)表示為儲(chǔ)備模量。從圖中剛度隨振幅變化趨勢(shì)可看到,粘彈和液彈減擺器都存在一漸近極限值。另外,圖2中示出了剛度隨頻率升高而升高的規(guī)律,粘彈減擺器也存在這一規(guī)律。在地面共振和空中共振設(shè)計(jì)分析中,要考慮其不同的槳葉擺振幅值變化,特別是需要通過減擺器剛度進(jìn)行調(diào)頻的設(shè)計(jì)情況。如果單純考慮最小剛度對(duì)擺振頻率降低,采用大振幅下的剛度,那么在絕大多數(shù)飛行狀態(tài)下,減擺器剛度都遠(yuǎn)高于所需要的值,這樣就導(dǎo)致減擺器及其連接結(jié)構(gòu)載荷過高,給設(shè)計(jì)帶來困難,甚至不可實(shí)現(xiàn)。對(duì)地面運(yùn)轉(zhuǎn)和空中飛行需要確定不同的工作設(shè)計(jì)點(diǎn),才能使提出的剛度設(shè)計(jì)要求是可行的。4.4減擺器的阻尼圖3和圖4分別示出了粘彈和液彈減擺器阻尼隨著運(yùn)動(dòng)幅值的變化,圖5和圖6給出了液壓減擺器當(dāng)量阻尼隨速度(頻率不變時(shí)振幅變,振幅不變時(shí)頻率變)變化。從圖可知,粘彈、液壓和液彈減擺器阻尼隨著運(yùn)動(dòng)幅值的增大,也會(huì)漸近于某一阻尼極限值,對(duì)于粘彈減擺器更明顯,而在小振幅區(qū)(或小速度度區(qū))存在阻尼最大值。在地面共振和空中共振設(shè)計(jì)分析中,減擺器阻尼變化的這兩個(gè)特點(diǎn)需要特別注意,必須對(duì)實(shí)際使用狀態(tài)充分把握后,才能提出對(duì)減擺器性能設(shè)計(jì)的正確要求。對(duì)于液壓減擺器,減壓閥開啟載荷和對(duì)應(yīng)的速度(頻率和振幅乘積)是防止地面共振的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)。如果開啟速度很小,減壓閥常處于開啟狀態(tài),相當(dāng)于摩擦減擺器,不能提供有效阻尼;如果開啟速度很大又可能起不到減壓作用,在空中飛行狀態(tài)下載荷會(huì)很大。一般設(shè)計(jì)原則是在地面運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下不應(yīng)開啟減壓閥,使減擺器阻尼力矩與擺振角速度高于一次方線性比值,以提供足夠阻尼防止地面共振,而空中飛行狀態(tài)讓減壓閥開啟以降低載荷,同時(shí)確保足夠的阻尼防止空中共振和扭振不穩(wěn)定性。5增加德國(guó)降臺(tái)性的考慮在直升機(jī)設(shè)計(jì)研制過程中,選用減擺器類型、確定其性能設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)和考慮各種減擺器性能變化特點(diǎn),是防止直升機(jī)發(fā)生耦合動(dòng)力不穩(wěn)定性的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。本節(jié)列舉和分析一些型號(hào)設(shè)計(jì)中遇到和存在的問題,以說明減擺器性能設(shè)計(jì)應(yīng)切實(shí)符合耦合動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)要求。5.1降低時(shí)阻尼不足早期引進(jìn)的直5型機(jī)采用摩擦減擺器,曾多次發(fā)生地面共振。其原因并不是設(shè)計(jì)的減擺器不能提供足夠的阻尼,而是這種減擺器是摩擦產(chǎn)生的常值減擺阻尼力矩。當(dāng)摩擦片磨損使預(yù)緊力矩降低時(shí),就出現(xiàn)阻尼不足而導(dǎo)致地面共振,因此,常發(fā)生在使用過程中,現(xiàn)在不再采用這種減擺器。某型機(jī)在改型設(shè)計(jì)中,將原來采用的液壓減擺器改用粘彈減擺器。最初認(rèn)為粘彈減擺器比液壓減擺器先進(jìn),但沒考慮粘彈減擺器提供了附加剛度對(duì)槳葉擺振有調(diào)頻作用,于是改變了地面共振的共振轉(zhuǎn)速位置,導(dǎo)致了總體設(shè)計(jì)參數(shù)必須調(diào)整。另外,由于粘彈減擺器阻尼是與剛度成比例的,要達(dá)到液壓減擺器所提供的同樣大的阻尼,其剛度必須很大,這又引起了載荷增大的后果,最后不得不仍采用液壓減擺器。由此可見,減擺器類型也要根據(jù)動(dòng)力學(xué)要求選用。5.2“轉(zhuǎn)速”選取圖7是某型機(jī)尾槳與尾梁耦合穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí),確定粘彈減擺器剛度設(shè)計(jì)要求的分析結(jié)果。從圖可看到,粘彈減擺器剛度降到使頻率低于0.68Ω時(shí),共振轉(zhuǎn)速區(qū)離工作轉(zhuǎn)速很近,不穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn),產(chǎn)生轉(zhuǎn)速裕度不足。由于粘彈減擺器剛度是隨振動(dòng)幅值增大而降低的,要使任何使用情況下槳葉擺振頻率不會(huì)降至低于0.68Ω,那么粘彈減擺器剛度要設(shè)計(jì)得很高,這顯然不符合實(shí)際情況。因此,根據(jù)使用狀態(tài)確定設(shè)計(jì)用振幅值,該振動(dòng)幅值應(yīng)在穩(wěn)態(tài)飛行狀態(tài)不超過。5.3不穩(wěn)定區(qū)的運(yùn)行圖8是某型機(jī)地面共振計(jì)算中考慮減擺器阻尼隨擺幅降低情況的結(jié)果,該型機(jī)采用液壓減擺器。設(shè)計(jì)分析結(jié)果表明在100r/min區(qū)域存在不穩(wěn)定區(qū),即使5mm的小擺幅還是阻尼不足,在高轉(zhuǎn)速區(qū),隨擺幅增大不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)向左移,不穩(wěn)定區(qū)變大。如果單純從結(jié)果來看肯定不滿足設(shè)計(jì)要求,必須與使用狀態(tài)聯(lián)系起來分析。由于100r/min區(qū)域存在不穩(wěn)定區(qū)不是設(shè)計(jì)點(diǎn),即旋翼轉(zhuǎn)速?zèng)]有設(shè)計(jì)在該區(qū)域停留,是瞬態(tài)通過的轉(zhuǎn)速區(qū),只要轉(zhuǎn)速通過該區(qū)域時(shí),不產(chǎn)生較大穩(wěn)態(tài)擺振運(yùn)動(dòng)(當(dāng)量阻尼是基于穩(wěn)態(tài)正弦運(yùn)動(dòng)能量等效算出的),就不會(huì)出現(xiàn)阻尼不足問題。但是,該轉(zhuǎn)速區(qū)阻尼不足的事實(shí)是存在的。5.4發(fā)動(dòng)機(jī)阻帶濾波器的工作原理圖9是某型機(jī)剎車狀態(tài)主、尾槳軸的扭矩變化歷程,該型機(jī)旋翼減擺器采用葉間布局。從圖中可看到,主槳軸上的扭矩變化是脈沖式的,每隔一段時(shí)間出現(xiàn)一個(gè)半正弦波的脈沖,在兩個(gè)脈沖之間的這段時(shí)間內(nèi),扭矩很小。再看尾槳軸的扭矩變化,尾槳軸的扭矩正好與主槳軸的扭矩方向相反,但扭矩值的變化是以零扭矩值為平衡點(diǎn)。這表明主旋翼槳葉在以集合型擺振時(shí),當(dāng)槳葉根部與擺振向限動(dòng)塊相碰,主槳軸上的扭矩就增大,即產(chǎn)生半正弦波的脈沖,當(dāng)槳葉根部離開擺振向限動(dòng)塊,主槳軸上的扭矩就降為零。從圖9還可看到,當(dāng)剎車力矩一作用上去,它只能作用到主槳轂以下的整個(gè)傳動(dòng)鏈上,并使其轉(zhuǎn)速下降很快,而旋翼槳葉這時(shí)沒有受到剎車力矩(因?yàn)闇p擺器不提供彈性和阻尼約束),于是,旋翼槳葉一直向前擺,待碰到擺振向限動(dòng)塊時(shí)才受到約束而減速。由于旋翼慣性很大,它作用于主槳軸的扭矩也很大,這一實(shí)際結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了文獻(xiàn)以及前面所述的葉間減擺器旋翼結(jié)構(gòu)布局的缺點(diǎn)。圖10是該型機(jī)飛行狀態(tài)下總距較大幅度操縱后轉(zhuǎn)速變化時(shí)間歷程。由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用了電調(diào)控制系統(tǒng),減擺器又不提供阻尼,所以,為了消除電調(diào)控制與傳動(dòng)鏈扭振耦合不穩(wěn)定性,設(shè)置了阻帶濾波器,阻止了旋翼轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)電調(diào)控制系統(tǒng),減小了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩中所含傳動(dòng)鏈扭振固有頻率的激振扭矩。從圖可看到,雖然旋翼轉(zhuǎn)速