直升機減擺器的設(shè)計與應(yīng)用

直升機減擺器的設(shè)計與應(yīng)用

1減擺器的設(shè)計眾所周知，滑動減速器為步槍的傾斜振動提供了衰減力，這是防止地面共振的主要設(shè)計措施，但另一個重要作用通常被忽視。這是為旋轉(zhuǎn)集振動機的激勵提供衰減力的權(quán)利，也是防止傳動鏈中的不穩(wěn)定速度之一。通過設(shè)計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,先進優(yōu)良的減擺器性能也使耦合動力學(xué)設(shè)計變得簡單容易了。由于摩擦減擺器的摩擦力(矩)長期使用會不斷降低,常發(fā)生不穩(wěn)定的地面共振,設(shè)計上已不再考慮了。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,是設(shè)計的關(guān)鍵點。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,也是設(shè)計關(guān)鍵點。液彈減擺器集液壓減擺器和粘彈減擺器優(yōu)點,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,不同噸位的直升機對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,在大噸位直升機上使用較多;而對于需要槳葉擺振調(diào)頻和低噸位直升機,通常選擇粘彈減擺器。減擺器性能指標主要源自于直升機耦合動力學(xué)設(shè)計要求,這些要求必須充分考慮和分析減擺器本身的非線性特性,但同時還必須盡可能降低載荷提高疲勞壽命,具有工程設(shè)計合理性和可行性。因此,在設(shè)計上必須采取一定的設(shè)計措施以滿足綜合指標要求。減擺器在旋翼上的安裝有兩種布局,一是獨立布置,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。近年來在型號設(shè)計中都有應(yīng)用的實例,有成功經(jīng)驗,也發(fā)現(xiàn)了一些問題,加深了對減擺器安裝布局的認識。本文從直升機耦合動力學(xué)設(shè)計的角度,結(jié)合型號設(shè)計使用情況,討論分析了如何確定對減擺器性能的設(shè)計要求和安裝布局,提出了在設(shè)計中,對減擺器性能的一些重要設(shè)計點和變化規(guī)律應(yīng)重點考慮和利用。2葉間減擺器設(shè)計布局直升機耦合動力穩(wěn)定性包括地面共振、空中共振、傳動鏈/發(fā)動機控制系統(tǒng)扭振穩(wěn)定性。對于槳轂減擺器布局,由于各片槳葉有其獨立的減擺器,減擺器對槳葉擺動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)運動,減擺器都提供阻尼,這種布局對各種耦合振動起到穩(wěn)定作用,采用這種減擺器布局的直升機占絕大多數(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載荷一般較大。另外,當(dāng)其中一個減擺器失效時,該片槳葉沒有擺振運動阻尼,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,簡化槳轂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和降低動載荷,在一些直升機上選擇了葉間減擺器設(shè)計布局。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載荷。另外一個優(yōu)點是,當(dāng)一個減擺器失效時,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)計上考慮一個減擺器失效情況,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)計布局也有它的缺點,這就是對旋翼集合型擺振運動不提供阻尼,由此會導(dǎo)致傳動鏈(包括旋翼、尾槳、傳動系統(tǒng)和發(fā)動機)扭振與發(fā)動機控制系統(tǒng)耦合穩(wěn)定性問題。雖然在發(fā)動機控制系統(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,傳動鏈扭振響應(yīng)難以控制,特別在機動飛行、起動和剎車狀態(tài),產(chǎn)生的扭振響應(yīng)不可接受,嚴重縮短傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壽命。3振動穩(wěn)定性對減動器性能的要求3.1減擺器的設(shè)計為了配置旋翼擺振后退頻率與機體在起落架上的頻率的共振轉(zhuǎn)速點,需要減擺器提供剛度,調(diào)整共振轉(zhuǎn)速點到希望的設(shè)計位置,一般采用粘彈減擺器或液彈減擺器,并對減擺器提出剛度設(shè)計要求。共振轉(zhuǎn)速點是地面共振設(shè)計點,需要根據(jù)減擺器剛度隨振動位移幅值增大而降低的非線性特性,以及直升機地面共運轉(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)計點,對減擺器性能設(shè)計提出要求。3.2阻尼裕度設(shè)計的點點確定減擺器阻尼是防止動不穩(wěn)定性的重要設(shè)計措施,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不穩(wěn)定的阻尼需求,因此,對減擺器的阻尼設(shè)計要求是根據(jù)消除地面共振和空中共振不穩(wěn)定性,達到有足夠的阻尼裕度為設(shè)計目標而提出的。旋翼工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在的共振轉(zhuǎn)速點和工作轉(zhuǎn)速處的阻尼裕度是減擺器阻尼設(shè)計點之一,另一設(shè)計點是控制工作轉(zhuǎn)速外不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速區(qū)邊界。減擺器阻尼隨振動位移或速度幅值變化也是非線性的,其當(dāng)量阻尼對應(yīng)振動位移或速度幅值存在峰值點,這個點是減擺器性能設(shè)計和地面共振和空中共振設(shè)計的關(guān)鍵點。4考慮到減幅器性能設(shè)計中考慮的因素4.1到極限行程直升機在地面運轉(zhuǎn)和空中飛行時,槳葉擺振運動會使減擺器在一定范圍內(nèi)運動。通常液壓減擺器設(shè)計了最大行程,使用中絕對不能達到極限行程,否則會產(chǎn)生撞擊,損壞結(jié)構(gòu)。對于粘彈和液彈減擺器,一般不設(shè)計行程限制,運動幅度只取決于所受載荷。地面運轉(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減擺器剛度阻尼的要求也有所不同,因此,在設(shè)計減擺器性能時,必須慎重考慮運動范圍和剛度阻尼隨運動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)計要考慮的主要頻率點。另外,減擺器性能設(shè)計還要考慮雙頻因素,即飛行狀態(tài)下槳葉揮舞引起的擺振運動頻率Ω與槳葉固有擺振頻率ωζ不同,雙頻振動狀態(tài)下減擺器對應(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)計分析中考慮到這個因素,對減擺器提出剛度,特別是阻尼設(shè)計要求。4.3粘彈減擺器剛度隨頻率變化的規(guī)律對粘彈和液彈減擺器,隨著運動幅值的增大,其剛度會漸近于某一極限值,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表示為儲備模量。從圖中剛度隨振幅變化趨勢可看到,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行調(diào)頻的設(shè)計情況。如果單純考慮最小剛度對擺振頻率降低,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)計帶來困難,甚至不可實現(xiàn)。對地面運轉(zhuǎn)和空中飛行需要確定不同的工作設(shè)計點,才能使提出的剛度設(shè)計要求是可行的。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動幅值的變化,圖5和圖6給出了液壓減擺器當(dāng)量阻尼隨速度(頻率不變時振幅變,振幅不變時頻率變)變化。從圖可知,粘彈、液壓和液彈減擺器阻尼隨著運動幅值的增大,也會漸近于某一阻尼極限值,對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)計分析中,減擺器阻尼變化的這兩個特點需要特別注意,必須對實際使用狀態(tài)充分把握后,才能提出對減擺器性能設(shè)計的正確要求。對于液壓減擺器,減壓閥開啟載荷和對應(yīng)的速度(頻率和振幅乘積)是防止地面共振的關(guān)鍵設(shè)計點。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)下載荷會很大。一般設(shè)計原則是在地面運轉(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增加德國降臺性的考慮在直升機設(shè)計研制過程中,選用減擺器類型、確定其性能設(shè)計中的關(guān)鍵點和考慮各種減擺器性能變化特點,是防止直升機發(fā)生耦合動力不穩(wěn)定性的重要設(shè)計內(nèi)容。本節(jié)列舉和分析一些型號設(shè)計中遇到和存在的問題,以說明減擺器性能設(shè)計應(yīng)切實符合耦合動力學(xué)設(shè)計要求。5.1降低時阻尼不足早期引進的直5型機采用摩擦減擺器,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,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。某型機在改型設(shè)計中,將原來采用的液壓減擺器改用粘彈減擺器。最初認為粘彈減擺器比液壓減擺器先進,但沒考慮粘彈減擺器提供了附加剛度對槳葉擺振有調(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)動力學(xué)要求選用。5.2“轉(zhuǎn)速”選取圖7是某型機尾槳與尾梁耦合穩(wěn)定性設(shè)計時,確定粘彈減擺器剛度設(shè)計要求的分析結(jié)果。從圖可看到,粘彈減擺器剛度降到使頻率低于0.68Ω時,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降至低于0.68Ω,那么粘彈減擺器剛度要設(shè)計得很高,這顯然不符合實際情況。因此,根據(jù)使用狀態(tài)確定設(shè)計用振幅值,該振動幅值應(yīng)在穩(wěn)態(tài)飛行狀態(tài)不超過。5.3不穩(wěn)定區(qū)的運行圖8是某型機地面共振計算中考慮減擺器阻尼隨擺幅降低情況的結(jié)果,該型機采用液壓減擺器。設(shè)計分析結(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)計點,即旋翼轉(zhuǎn)速沒有設(shè)計在該區(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,不產(chǎn)生較大穩(wěn)態(tài)擺振運動(當(dāng)量阻尼是基于穩(wěn)態(tài)正弦運動能量等效算出的),就不會出現(xiàn)阻尼不足問題。但是,該轉(zhuǎn)速區(qū)阻尼不足的事實是存在的。5.4發(fā)動機阻帶濾波器的工作原理圖9是某型機剎車狀態(tài)主、尾槳軸的扭矩變化歷程,該型機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,每隔一段時間出現(xiàn)一個半正弦波的脈沖,在兩個脈沖之間的這段時間內(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。這表明主旋翼槳葉在以集合型擺振時,當(dāng)槳葉根部與擺振向限動塊相碰,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傳動鏈上,并使其轉(zhuǎn)速下降很快,而旋翼槳葉這時沒有受到剎車力矩(因為減擺器不提供彈性和阻尼約束),于是,旋翼槳葉一直向前擺,待碰到擺振向限動塊時才受到約束而減速。由于旋翼慣性很大,它作用于主槳軸的扭矩也很大,這一實際結(jié)果進一步證實了文獻以及前面所述的葉間減擺器旋翼結(jié)構(gòu)布局的缺點。圖10是該型機飛行狀態(tài)下總距較大幅度操縱后轉(zhuǎn)速變化時間歷程。由于發(fā)動機采用了電調(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)速信號反饋進入發(fā)動機電調(diào)控制系統(tǒng),減小了發(fā)動機輸出扭矩中所含傳動鏈扭振固有頻率的激振扭矩。從圖可看到,雖然旋翼轉(zhuǎn)速