基于葉間布置的球柔性縮比模型槳轂阻尼器設(shè)計(jì)與分析

趙 青，黃文俊，楊廣勇

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

粘彈阻尼器采用高強(qiáng)度、高阻尼、抗疲勞的硅橡膠與金屬粘結(jié)的夾層結(jié)構(gòu)，高阻尼硅橡膠材料的剪切變形會(huì)提供相應(yīng)的彈性剛度和阻尼剛度。在五支臂球柔性縮比模型旋翼設(shè)計(jì)研究中，粘彈阻尼器的設(shè)計(jì)不僅在尺寸上要滿足與相關(guān)零件的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，在彈性剛度性能上滿足旋翼動(dòng)力學(xué)要求，還要在阻尼剛度性能上滿足模型旋翼阻尼特性與模型試驗(yàn)臺(tái)架的剛度、阻尼特性協(xié)調(diào)，避免“地面共振”。本文將在性能設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮“地面共振”的穩(wěn)定裕度對(duì)粘彈阻尼器阻尼剛度范圍的要求，以及旋翼動(dòng)力學(xué)對(duì)粘彈阻尼器彈性剛度的要求，快速準(zhǔn)確地選定粘彈阻尼器的性能參數(shù)。

1 粘彈阻尼器設(shè)計(jì)方法

粘彈阻尼器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是其彈性剛度和阻尼剛度要綜合考慮旋翼動(dòng)力學(xué)和“地面共振”的要求。之前的設(shè)計(jì)是在確定粘彈阻尼器彈性剛度的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇一定損耗角的橡膠材料，推算其阻尼剛度代入“地面共振”計(jì)算，確定是否滿足“地面共振”要求。若不滿足要求，重新設(shè)計(jì)損耗角和阻尼剛度，設(shè)計(jì)反復(fù)直至滿足“地面共振”要求。

本文擬采用直接設(shè)計(jì)法，粘彈阻尼器阻尼剛度根據(jù)計(jì)算直接選定。利用某模型旋翼裝4米模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)槳轂中心動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合模型旋翼特性數(shù)據(jù)，直接確定滿足“地面共振”要求的阻尼剛度范圍，避免設(shè)計(jì)反復(fù)。

1.1 粘彈阻尼器結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

由于多支臂的模型槳轂尺寸小，零部件空間位置難以布置，結(jié)構(gòu)之間容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，在設(shè)計(jì)阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，應(yīng)充分考慮以上因素。

五支臂球柔性縮比模型旋翼中粘彈阻尼器采用葉間布置。相比傳統(tǒng)常規(guī)式布置，在既定的槳轂半徑的條件下結(jié)構(gòu)布置的空間大;粘彈阻尼器的作用力臂大;在槳葉集合型運(yùn)動(dòng)時(shí)粘彈阻尼器不會(huì)產(chǎn)生額外的載荷。

粘彈性阻尼器旋轉(zhuǎn)平面節(jié)點(diǎn)布置，主要考慮槳葉在運(yùn)動(dòng)包線范圍內(nèi)，阻尼器不與搖臂發(fā)生任何干涉，并應(yīng)留有至少8mm的運(yùn)動(dòng)間隙。根據(jù)這一原則，應(yīng)進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，初步選定阻尼器旋轉(zhuǎn)平面節(jié)點(diǎn)位置，確定球軸承中心到阻尼器的力臂L。

1.2 粘彈阻尼器彈性剛度設(shè)計(jì)

粘彈阻尼器主要的功能是為旋翼槳葉的擺振運(yùn)動(dòng)提供足夠的阻尼，防止發(fā)生“地面共振”。但是由于橡膠材料本身的粘彈性特性，在提供結(jié)構(gòu)阻尼的同時(shí)會(huì)附加彈性剛度，從而影響旋翼的擺振一階頻率，如下式所示［1］:

對(duì)于球柔性槳轂，槳轂支臂的擺振角剛度kδ是由彈性軸承的擺振角剛度kδ1和阻尼器的擺振角剛度kδ2并聯(lián)。阻尼器的擺振角剛度可以用阻尼器的擺振線剛度進(jìn)行等價(jià)換算。

根據(jù)縮比旋翼的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，可以得到如圖1所示擺振一階頻率隨著當(dāng)量擺振約束剛度的變化規(guī)律，考慮到模型旋翼的氣彈穩(wěn)定性要求和原旋翼動(dòng)力相似的頻率比要求，初步選定擺振一階頻率為0.5 ～0.6Ω［2］。

圖1 擺振一階頻率隨著當(dāng)量擺振約束剛度的變化圖

1.3 粘彈阻尼器阻尼剛度設(shè)計(jì)

在一階擺振頻率初步確定的條件下，盡可能提高阻尼器的阻尼值，避免“地面共振”的發(fā)生。根據(jù)阻尼器彈性剛度以及旋翼動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)、旋翼試驗(yàn)臺(tái)槳轂中心動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相互傳遞函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得到粘彈阻尼器的阻尼剛度可行范圍。

針對(duì)不同的粘彈阻尼器狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，得到模態(tài)阻尼曲線如圖2、圖3所示。

圖2 天平鎖緊狀態(tài)下不同阻尼器剛度下模態(tài)阻尼曲線

圖3 天平松開(kāi)狀態(tài)下不同阻尼器剛度下模態(tài)阻尼曲線

由圖2、圖3可知，隨著阻尼器狀態(tài)的增大，試驗(yàn)臺(tái)的“不穩(wěn)定性”趨向于穩(wěn)定以及高頻。隨著阻尼器狀態(tài)的改變，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)的模態(tài)阻尼都小于零，試驗(yàn)臺(tái)是穩(wěn)定的，均滿足穩(wěn)定性要求。因此在粘彈阻尼器參數(shù)計(jì)算值變化60%～140%范圍內(nèi)的阻尼剛度為可行。

由于粘彈性阻尼器的彈性體具有高阻尼的特性，因此其力與位移存在相位差，力落后位移一定的相位。當(dāng)粘彈性材料受到剪切變形時(shí)，材料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)磨擦，當(dāng)材料受到一定頻率的變形時(shí)，內(nèi)摩擦力在相位上滯后變形90°，起到阻尼作用。

因此，由橡膠材料本身的特性決定的損耗角α為:

1.4 粘彈阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

在初步確定粘彈阻尼器彈性剛度和阻尼剛度性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定其結(jié)構(gòu)幾何尺寸。由彈性剛度的經(jīng)驗(yàn)公式［3］，可得到:

圖4 粘彈性阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

橡膠材料的剪切彈性模量G=0.76 N/mm2，如圖4所示，R1、R2、L分別為橡膠層的內(nèi)徑、外徑和長(zhǎng)度。在保證粘彈阻尼器作用力臂以及性能參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，合理選擇橡膠的長(zhǎng)度及厚度。

2 粘彈阻尼器設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

2.1 性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上一節(jié)的粘彈阻尼器設(shè)計(jì)方法，以及五支臂球柔性縮比模型旋翼結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定粘彈阻尼器的性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 阻尼器的性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 旋翼動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

根據(jù)CAMRADⅡ軟件動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，得到旋翼阻尼特性隨著總距的變化圖，見(jiàn)圖5。

圖5 旋翼阻尼特性隨總距變化

旋翼動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析表明，旋翼在總距變化范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

2.3 “地面共振”計(jì)算分析

對(duì)4米模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)裝球柔性縮比模型旋翼“地面共振”穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。圖6、圖7示出了大預(yù)緊力加兩層墊片天平鎖緊、松開(kāi)狀態(tài)下的典型的“地面共振”穩(wěn)定性曲線;

圖6 天平鎖緊狀態(tài)時(shí)特征值實(shí)部隨轉(zhuǎn)速的變化

圖7 天平松開(kāi)狀態(tài)時(shí)特征值實(shí)部隨轉(zhuǎn)速的變化

根據(jù)4米模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)裝球柔性縮比模型旋翼“地面共振”計(jì)算結(jié)果，可以看出:額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，球柔性縮比模型旋翼裝4米模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)不存在地面共振不穩(wěn)定性區(qū)域。

3 結(jié)論

本文建立了快速確定縮比模型槳轂阻尼器性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的工程設(shè)計(jì)方法，減少設(shè)計(jì)反復(fù)，提高設(shè)計(jì)效率，并應(yīng)用于葉間布置的五支臂球柔性縮比模型槳轂阻尼器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)粘彈阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，解決了模型槳轂尺寸小，難布置，易發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的問(wèn)題，并避免了與4米模型旋翼試驗(yàn)臺(tái)的“地面共振”。

［1］張呈林.張曉谷.郭士龍，等.直升機(jī)部件設(shè)計(jì)［M］.南京:航空專(zhuān)業(yè)教材編審組，1986.

［2］江民標(biāo).李滿福.新型粘彈阻尼器及其模具設(shè)計(jì)研究［J］.直升機(jī)技術(shù)，2007(3):69-72.

［3］Potter J.粘彈性阻尼器在旋翼系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］，Journal of the AHS，1973(1).