直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉湘一，胡國才，賈忠湖，柳文林

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺264001)

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)是直升機(jī)升力的來源，它的性能很大程度上決定了直升機(jī)的性能［1］。由于旋翼/機(jī)體耦合動力穩(wěn)定性問題的復(fù)雜性，研究過程中新建立的分析模型和軟件必須有可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。為此，國外從20世紀(jì)80年代起研制了專門的模型實(shí)驗(yàn)裝置，美國貝爾公司和英國韋斯特蘭公司都曾進(jìn)行過旋翼/機(jī)體耦合動力穩(wěn)定性的模型實(shí)驗(yàn)研究［2］。影響最為廣泛的是美國陸軍技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室與NASA聯(lián)合進(jìn)行的一系列旋翼與機(jī)體耦合穩(wěn)定性的模型實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果被大量引用［3-6］。國內(nèi)已有一些直升機(jī)地面共振及懸?？罩泄舱竦姆治瞿Ｐ?，有的模型及軟件已利用國外公開發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了部分驗(yàn)證，但由于上述國外數(shù)據(jù)的局限性，未能得到全面驗(yàn)證。目前，國內(nèi)有些研究機(jī)構(gòu)建設(shè)有一些旋翼動力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，但一般都是針對某個(gè)課題設(shè)立實(shí)驗(yàn)臺，功能較為單一［7-8］。

直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將影響直升機(jī)動力學(xué)性能的問題綜合起來，實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)功能，將有限的經(jīng)費(fèi)發(fā)揮最大的效益。

1 主要功能

直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)直升機(jī)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

能夠完成旋翼模態(tài)特性、旋翼氣彈響應(yīng)、旋翼動部件載荷、旋翼動平衡、直升機(jī)地面共振、空中共振等10多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。

(2)旋翼系統(tǒng)的機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)

通過旋翼和機(jī)體的振動測試信號，分析旋翼系統(tǒng)的故障類型、故障部位、嚴(yán)重程度等，為研制直升機(jī)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng) (HUMS)進(jìn)行必要的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究。

(3)直升機(jī)動穩(wěn)定性主動控制實(shí)驗(yàn)

直升機(jī)地面及空中共振動穩(wěn)定性的主動控制技術(shù)，是近二十年來直升機(jī)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)［9-10］。作者已經(jīng)開始了這方面的理論研究，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)時(shí)考慮了動穩(wěn)定性主動控制的實(shí)驗(yàn)方案，可以進(jìn)行穩(wěn)定性主動控制實(shí)驗(yàn)研究。

2 系統(tǒng)組成

圖1是直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場全貌，系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:(1)旋翼;(2)電機(jī)及轉(zhuǎn)速控制部分;(3)旋翼操縱部分;(4)液壓油源;(5)數(shù)據(jù)采集與分析部分(圖2)。

圖1 直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場

圖2 系統(tǒng)組成

2.1 旋翼

旋翼是實(shí)驗(yàn)臺的核心部分，主要包括半鉸接式金屬槳轂、空心金屬旋翼軸、自動傾斜器和4片復(fù)合材料槳葉。旋翼直徑2 m，槳葉剖面采用NACA0012翼型、矩形直槳葉;旋翼最大轉(zhuǎn)速1 000 r/min，在0～1 000 r/min內(nèi)可以改變。采用液壓或黏彈減擺器，減擺器一端與變距軸相連，另一端與槳轂相連，構(gòu)成幾何耦合的減擺器布局，減擺器上能布置軸向力傳感器。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了常見的環(huán)式自動傾斜器對旋翼進(jìn)行操縱，操縱自動傾斜器不旋轉(zhuǎn)環(huán)的是3個(gè)液壓動作筒。自動傾斜器通過一個(gè)球面鉸安裝在旋翼軸的軸套上，動環(huán)與變距鉸用可調(diào)變距拉桿連接，變距拉桿的軸端采用球鉸，變距拉桿上可以布置壓力傳感器。槳轂采用 (由里到外)揮舞軸承、擺振柔性片、變距軸承的形式(圖3)。

圖3 旋翼系統(tǒng)槳轂示意圖

用電機(jī)、集流環(huán)組成“模擬機(jī)體”，通過設(shè)計(jì)計(jì)算和最后的測試，確定整個(gè)系統(tǒng)的重心位置，將該重心位置作為萬向鉸中心。機(jī)體與基礎(chǔ)之間用彈性元件或黏彈性元件連接，可以模擬起落架剛度和阻尼。

2.2 電機(jī)及轉(zhuǎn)速控制部分

電機(jī)是旋翼的動力源，采用10 kW三相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 200 r/min可連續(xù)調(diào)節(jié)，精度為±1 r/min。電機(jī)能在350～440 V的條件下穩(wěn)定工作，具有過流、過壓保護(hù)，連續(xù)工作時(shí)間大于30 min。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制部分用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止和轉(zhuǎn)速的控制，能感受并顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度1 r/min。

電機(jī)殼體與旋翼軸的軸套連接，電機(jī)軸為空心軸，內(nèi)徑φ25 mm，上端與旋翼軸用花鍵連接，下端與集流環(huán)的內(nèi)環(huán)相連，帶動集流環(huán)內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)。

2.3 旋翼操縱部分

旋翼操縱部分用于操縱旋翼總距和周期變距以及在實(shí)驗(yàn)時(shí)對旋翼進(jìn)行激振。旋翼操縱部分包括3個(gè)動作筒、3個(gè)電液伺服閥、3個(gè)位移傳感器、液壓控制系統(tǒng)和相關(guān)附件(圖4)。

圖4 旋翼操縱系統(tǒng)框圖

選用的電液伺服閥頻率范圍0～30 Hz，頻率精度為0.01 Hz;在各頻率下，動作筒行程為-15～30 mm，激振時(shí)輸出振幅不小于±1.25 mm，加速度能達(dá)到45 m/s2、動態(tài)輸出最大力幅不小于85 N。

位移傳感器用于反饋動作筒的位移信號給液壓控制系統(tǒng)，位移精度0.080 mm。

液壓伺服控制包括計(jì)算機(jī)、伺服控制器、D/A轉(zhuǎn)換板等，用于接受位移傳感器信號和發(fā)出控制信號對電液伺服閥進(jìn)行控制。

操縱軟件用Labwindows CVI編制，能夠完成自檢、參數(shù)調(diào)整、旋翼操縱、激振、掃頻等功能，圖形界面能夠顯示3個(gè)液壓伺服動作器的輸入和輸出信號(圖5)。

旋翼操縱控制軟件內(nèi)置的控制信號為正弦信號，能在0～30 Hz內(nèi)發(fā)出不同幅度的正弦掃頻信號。

控制軟件能實(shí)現(xiàn)如下幾種控制:

(1)3個(gè)作動筒同時(shí)輸出相同幅度的靜態(tài)位移;

(2)3個(gè)作動筒同時(shí)輸出幅度各不相同的靜態(tài)位移;

(3)3個(gè)作動筒同時(shí)輸出同頻率、同幅值及同相位的動態(tài)位移。

(4)各動作筒輸出同頻率、不同幅值、不同相 位差的動態(tài)位移。

2.4 液壓油源

液壓油源用于向旋翼操縱系統(tǒng)提供動力，額定工作壓力為13.5 MPa、額定流量不小于25 L/min、絕對過濾度為3 μm，通過分油器同時(shí)為3個(gè)電液伺服閥供油。

具有壓力顯示、油溫顯示、油箱液位顯示功能。為了保證安全，具有超溫報(bào)警裝置、低液位報(bào)警裝置和污染度超標(biāo)告警裝置。使用HY-10航空液壓油，能夠通過自身的循環(huán)使油液污染度達(dá)到GJB-4206/A的標(biāo)準(zhǔn)。采用水冷的方式控制油溫，能夠在環(huán)境溫度為-10～60℃內(nèi)正常工作。

2.5 數(shù)據(jù)采集與分析部分

數(shù)據(jù)采集與分析部分用于完成對旋翼槳葉和機(jī)體振動量的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)存儲、打印及傳輸?shù)热蝿?wù)。其硬件系統(tǒng)包括傳感器、集流環(huán)、A/D轉(zhuǎn)換板、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的附件。

采用基于PXI總線的信號采集系統(tǒng)，將旋翼槳葉的揮舞、擺振、變距信號，槳葉應(yīng)變信號，機(jī)體滾轉(zhuǎn)、俯仰信號，減擺器載荷、變距拉桿載荷信號，旋翼轉(zhuǎn)速信號，機(jī)體振動信號等經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與動態(tài)分析儀連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

在4片槳葉的揮舞及擺振柔性片上均貼有應(yīng)變片以測量其揮舞及擺振彎曲應(yīng)變。這些信號均通過穿過空心旋翼軸及電機(jī)軸的導(dǎo)線和集流環(huán)傳給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。除此之外，還要測量旋翼的轉(zhuǎn)速信號和一個(gè)方位角信號。

在“模擬機(jī)體”上沿縱向及橫向安裝加速度傳感器，測量其縱、橫向轉(zhuǎn)動的角加速度。在約束“模擬機(jī)體”運(yùn)動的彈性片上貼有應(yīng)變片，由其彎曲應(yīng)變通過標(biāo)定可推出其縱、橫向轉(zhuǎn)動角度。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析軟件是基于NI LabVIEW平臺編制的，具有使用簡單，擴(kuò)展性能好等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集分析軟件提供“功能模塊”和“圖形顯示模塊”(圖6)。

圖6 數(shù)據(jù)采集分析軟件界面

功能模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊完成對信號采集通道的配置和管理。數(shù)據(jù)處理模塊對采集的信號進(jìn)行處理，包括加窗函數(shù)、FFT變換、功率譜函數(shù)、頻響函數(shù)等。數(shù)據(jù)保存模塊提供對采集數(shù)據(jù)的自動保存。

圖形顯示模塊為用戶提供了方便靈活的圖形操作界面，用戶只需拖動需要觀察的數(shù)據(jù)通道至圖形顯示區(qū)，即可觀察該通道數(shù)據(jù)圖線;同時(shí)，提供的Cursors功能，為用戶提供了方便的查看和比較圖線數(shù)據(jù)點(diǎn)精確值的功能。

3 結(jié)束語

構(gòu)建了一套完整的模擬旋翼/機(jī)體耦合系統(tǒng)的直升機(jī)旋翼動力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研制了旋翼操縱控制軟件，實(shí)現(xiàn)了旋翼的變頻率、變幅值、多通道的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了旋翼動力特性的仿真，能夠模擬直升機(jī)旋翼/機(jī)體耦合的各種狀態(tài)和設(shè)置模擬故障。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已應(yīng)用于海軍航空工程學(xué)院各層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了教學(xué)訓(xùn)練過程中直升機(jī)旋翼系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段欠缺的難題，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于直升機(jī)部隊(duì)的模擬排故、訓(xùn)練。依托該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，取得了較好的教學(xué)科研成果，效果顯著。

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