某型機(jī)主槳轂中央件疲勞試驗(yàn)中載荷調(diào)試異常的分析與探討

鄧 文，劉 巍，李清蓉

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

某型機(jī)主槳轂中央件疲勞試驗(yàn)中載荷調(diào)試異常的分析與探討

鄧 文，劉 巍，李清蓉

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

以某型機(jī)主槳轂中央件疲勞試驗(yàn)為對(duì)象，從試驗(yàn)夾具的安裝，控制系統(tǒng)的精度，應(yīng)變測(cè)量誤差等方面進(jìn)行分析，對(duì)試驗(yàn)載荷調(diào)試過程出現(xiàn)的載荷異常進(jìn)行了綜合分析，確定引起載荷調(diào)試異常的原因，提出改進(jìn)措施，為提高中央件疲勞試驗(yàn)的精度和試驗(yàn)技術(shù)水平提供了指導(dǎo)。

主槳轂中央件；疲勞試驗(yàn)；載荷調(diào)試異常

0 引言

近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用到疲勞試驗(yàn)的測(cè)試控制和裂紋監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等過程中，疲勞試驗(yàn)的自動(dòng)化水平不斷提高，測(cè)量控制系統(tǒng)在電子技術(shù)的發(fā)展過程中不斷改進(jìn)和完善，測(cè)試操作更為簡(jiǎn)便，測(cè)試精確度也不斷提高，促進(jìn)了疲勞試驗(yàn)技術(shù)的快速飛躍發(fā)展，并對(duì)以前的試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)方法提出了創(chuàng)新與改進(jìn)。

隨著我國直升機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，型號(hào)研制呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，多個(gè)型號(hào)的球柔性槳轂中央件急需進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。中央件是旋翼中重要的動(dòng)部件，作為球柔性槳轂的核心部件之一，受力情況極其復(fù)雜，承受著槳葉傳來的全部載荷，試驗(yàn)過程中不僅要考慮高周振動(dòng)載荷引起的高周疲勞，而且還要考慮空地載荷為主的低周疲勞，即采取高周疲勞和低周疲勞的組合[1]。

1 中央件受力簡(jiǎn)介

中央件所受載荷多樣，以主槳轂中心集中力給出的有：靜態(tài)扭矩CS，靜態(tài)升力PS，動(dòng)態(tài)彎矩Mf，動(dòng)態(tài)剪力Td；以6個(gè)支臂彈性軸承球心處給出的有：離心力Fc、擺振力Fa、揮舞力Fz。通過應(yīng)變合成的旋轉(zhuǎn)載荷有動(dòng)態(tài)彎矩Mf、動(dòng)態(tài)剪力Td，Mf、Td為繞中央件軸線的旋轉(zhuǎn)載荷。由于作動(dòng)器施加的載荷為單臂單點(diǎn)加載，所以其合成的旋轉(zhuǎn)載荷還須驗(yàn)證。

在每個(gè)支臂上設(shè)計(jì)離心力加載點(diǎn)、擺振加載點(diǎn)、揮舞加載點(diǎn)、阻尼器力加載點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)載荷的施加，如表1所示，加載示意圖如圖1所示。

表1 中央件試驗(yàn)臺(tái)所加24個(gè)載荷

圖1 主槳轂中央件加載示意圖

靜態(tài)扭矩CS，動(dòng)態(tài)剪力Td，通過6個(gè)支臂的擺振載荷合成；靜態(tài)升力PS，動(dòng)態(tài)彎矩Mf通過6個(gè)支臂的揮舞載荷合成。把集中載荷CS、Td、PS、Mf分解到各個(gè)支臂上，從而得到各個(gè)支臂的理論計(jì)算公式[2]：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 試驗(yàn)過程中的載荷調(diào)試異常

在試驗(yàn)載荷調(diào)試過程中，試驗(yàn)件的安裝誤差，試驗(yàn)夾具的加工誤差，控制系統(tǒng)的測(cè)量誤差，應(yīng)變片的測(cè)量誤差等等，都會(huì)使理論計(jì)算的載荷與反饋出的合成載荷有一定的差距，理論值通常是一個(gè)指導(dǎo)值。通過施加各個(gè)工況中理論計(jì)算出的24個(gè)載荷，來指導(dǎo)載荷的調(diào)試。對(duì)于主槳轂中心動(dòng)態(tài)載荷Mf、Td，由于空間和形狀限制，無法布置彎矩和扭矩測(cè)量片，所以只能通過延伸出的旋翼模擬軸來測(cè)量載荷Mf、Td，即通過監(jiān)控旋翼模擬軸上的應(yīng)變值來計(jì)算主槳轂中心試驗(yàn)載荷是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。旋翼模擬軸的一端固定，另一端(試驗(yàn)件安裝端)加載，這種加載可簡(jiǎn)化成懸臂梁的形式，只要得到中間任意兩點(diǎn)的彎矩，就可以得出其他位置的彎矩值。因此在旋翼模擬軸上選擇兩組正交剖面(定義為0°和90°剖面)，每個(gè)剖面的不同位置處分別布置3組彎矩應(yīng)變片。0°剖面的應(yīng)變片分別為 B01、B03、B05，90°剖面的應(yīng)變片分別為B02，B04，B06，貼片圖如圖2所示。按照理論分析，處在軸上同一位置處的應(yīng)變彎矩值B01與B02相等，B03與B04相等，B05與B06相等，兩組測(cè)量片通過插值法計(jì)算出的Mf、Td不應(yīng)有太大差異，誤差應(yīng)按設(shè)計(jì)要求控制到3%以內(nèi)。

在實(shí)際載荷調(diào)試過程中，在保證各個(gè)支臂的Fy和Fz相同的情況下，無論怎么調(diào)整，都無法減小兩個(gè)剖面計(jì)算出的Mf和Td的相對(duì)誤差，使兩者數(shù)值的相對(duì)誤差控制在3%之內(nèi)。在以前的型號(hào)試驗(yàn)時(shí)，通常單獨(dú)調(diào)整每個(gè)臂的Fy，調(diào)整每個(gè)臂的Fz，使兩組剖面的應(yīng)變B01B03B05和B02B04B06計(jì)算出的Mf、Td值相近，但此時(shí)每個(gè)臂的Fy或Fz相差較大，有些載荷相差達(dá)到30%。由于試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和型號(hào)研制要求的提高，力求邊界模擬更加真實(shí)，載荷加載更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確，所以要求對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行排查，分析出現(xiàn)這種情況的原因。

圖2 主槳轂中央件加載示意圖

3 載荷調(diào)試異常的原因分析

通過對(duì)中央件疲勞試驗(yàn)臺(tái)的安裝、調(diào)試、加載、應(yīng)變等方面進(jìn)行分析，查找原因，大概可以歸納出以下幾個(gè)方面的問題：

1)試驗(yàn)臺(tái)安裝位置不準(zhǔn)，6個(gè)支臂的揮舞、擺振、離心力、阻尼器加載的角度存在誤差，產(chǎn)生了分力，影響了載荷合成。

2)控制測(cè)量系統(tǒng)的誤差，包括傳感器的校準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)通道的誤差、加載系統(tǒng)的誤差，累積誤差可能達(dá)到了較大。

3)彎矩應(yīng)變片的位置粘貼精度，測(cè)量精度是否達(dá)到要求。

4)應(yīng)變數(shù)值的靈敏度對(duì)載荷合成是否影響很大，即微小的應(yīng)變測(cè)量誤差是否會(huì)對(duì)載荷合成產(chǎn)生較大的影響。

3.1 對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的安裝、加載角度的分析

中央件疲勞試驗(yàn)臺(tái)屬于大型疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，占地面積廣，夾具安裝復(fù)雜，加載點(diǎn)眾多。由于空間和結(jié)構(gòu)的限制，測(cè)量的中心點(diǎn)要么被加載夾具包裹，要么安裝了加載作動(dòng)器。測(cè)量加載角度時(shí)，如果拆卸作動(dòng)器和夾具，工作量將非常巨大。為了縮短試驗(yàn)周期，減小安裝工作量，可以通過夾具上的各種平面延伸和轉(zhuǎn)換，間接測(cè)量出各種角度。比如離心力的角度α，可以轉(zhuǎn)換成在鋼索拉緊的情況下兩個(gè)夾具的平面夾角β，如圖3所示。測(cè)量的角度首先是作動(dòng)器自身與空間的水平度或豎直度，其次是相互之間的夾角。使用激光測(cè)量?jī)x、電子水平尺，并設(shè)計(jì)了59.5°～60.5°和89.5°～90.5°的標(biāo)準(zhǔn)樣板角度多個(gè)，對(duì)施加載荷的24個(gè)作動(dòng)器方向進(jìn)行了測(cè)量。

圖3 測(cè)量角度轉(zhuǎn)換示意圖

首先確定了以1#支臂的離心力方向作為測(cè)量基準(zhǔn)。在旋翼模擬軸的中心內(nèi)孔上放置一個(gè)細(xì)軸，因?yàn)橹П鄣碾x心力加載中心與試驗(yàn)件中心的偏心距為29mm，所以在軸高出夾具的上部分加工出了一段直徑58mm的圓。繞圓的切線方向引出一根線，另一端固定到作動(dòng)器底部的中心點(diǎn)上，測(cè)量這條直線是否與安裝作動(dòng)器的臺(tái)面垂直。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)角度測(cè)量，角度小于90°，為89.7°。作動(dòng)器逆時(shí)針移20mm，再次測(cè)量，用直角尺靠上去后，線與臺(tái)面垂直。以此確定了1#支臂離心力的方向，并以此方向作為基準(zhǔn)測(cè)量其它的角度。測(cè)量的角度和調(diào)整后的角度如表2所示，序列1為離心力作動(dòng)器的水平度；序列2為阻尼器作動(dòng)器的水平度；序列3為擺振作動(dòng)器的水平度；序列4為揮舞作動(dòng)器的垂直度；序列5為離心力之間的相互夾角；序列6為離心力與擺振作動(dòng)器的相互夾角。

表2 角度調(diào)整前后的數(shù)值對(duì)比

注: “/”表示角度未調(diào)整

測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)臺(tái)所有角度的誤差都在0.5°之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，證明以前型號(hào)試驗(yàn)時(shí)安裝角度沒有問題。同時(shí)為了提高加載精度，微調(diào)了幾個(gè)角度。微調(diào)角度之后對(duì)試驗(yàn)載荷進(jìn)行了重新調(diào)試，前后調(diào)試結(jié)果并沒有多大的變化。以高周1.3倍載荷調(diào)試為例，角度調(diào)整前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3中對(duì)比可以看出，角度調(diào)整前后的調(diào)試數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，說明安裝角度正確，無異常。此時(shí)盡管兩剖面的均值與目標(biāo)值相符，但兩個(gè)剖面分別計(jì)算出的合成載荷Td相對(duì)誤差仍達(dá)到近13%。

3.2 對(duì)控制測(cè)量系統(tǒng)的分析

控制測(cè)量系統(tǒng)通常包括主控計(jì)算機(jī)、加載控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)等[3]，主要具有試驗(yàn)系統(tǒng)配置、載荷譜編制、多通道協(xié)調(diào)加載、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)安全保護(hù)及響應(yīng)等功能，其原理圖如圖4所示。在任何一種測(cè)量中，無論所用的儀器是多么的精密，方法是多么的完善，自動(dòng)化程度如何高，試驗(yàn)者是多么的細(xì)心，所得的測(cè)量結(jié)果往往是不同的，每次相同的載荷不可能得到任何數(shù)據(jù)都相同的調(diào)試結(jié)果，只有通過各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能減小誤差，穩(wěn)定測(cè)量值。

表3 角度調(diào)整前后的調(diào)試結(jié)果對(duì)比

圖4 控制測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

控制測(cè)量系統(tǒng)作為一個(gè)閉環(huán)整體，整合了控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、加載系統(tǒng)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。為了驗(yàn)證整體系統(tǒng)的正確性，在24個(gè)加載通道中隨機(jī)挑選了一個(gè)揮舞加載點(diǎn)、一個(gè)擺振加載點(diǎn)、一個(gè)阻尼器加載點(diǎn)、一個(gè)離心力加載點(diǎn)進(jìn)行檢定，以檢驗(yàn)施加在試驗(yàn)件上的標(biāo)準(zhǔn)載荷是否為控制系統(tǒng)輸出值。通過施加標(biāo)準(zhǔn)載荷于傳感器上，檢查顯示在控制測(cè)量系統(tǒng)上的值是否在誤差范圍之內(nèi)。檢定的程序是把連接好的載荷傳感器固定于10T標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)機(jī)上(該試驗(yàn)機(jī)在檢定有效日期內(nèi))，在試驗(yàn)機(jī)上逐級(jí)加載拉向載荷0、20kN、40kN、60kN、80kN、60kN、40kN、20kN、0，并記錄試驗(yàn)機(jī)上的載荷與控制測(cè)量系統(tǒng)上顯示的載荷。選擇了四組數(shù)據(jù)中一組最差的數(shù)據(jù)相比較，其平均相對(duì)誤差為1.09%，如表4所示。說明試驗(yàn)臺(tái)的控制測(cè)量系統(tǒng)完好，符合試驗(yàn)要求。

3.3 對(duì)應(yīng)變測(cè)量的精確度的分析

應(yīng)變測(cè)量可以根據(jù)實(shí)際情況的需要進(jìn)行各種方式的組橋。恰當(dāng)?shù)慕M橋方式，不僅可以消除因載荷偏心造成的影響，也可以消除由于溫度變化而帶來的影響，提高測(cè)量精度。旋翼模擬軸上的每組彎矩應(yīng)變片通過組成全橋，消除溫度變化帶來的誤差，測(cè)量軸上不同位置的彎矩。應(yīng)變值是計(jì)算主槳轂中心動(dòng)態(tài)彎矩、動(dòng)態(tài)剪力的原始數(shù)據(jù)。應(yīng)變片的特性不好，粘貼固化處理不好，粘貼位置有誤差或膠層過厚等，都會(huì)造成應(yīng)變片不完全服從胡克定律從而穩(wěn)定性差，直接影響到試驗(yàn)載荷。

表4 標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值相比較

首先對(duì)6組彎矩片的位置進(jìn)行了復(fù)查，應(yīng)變片的位置符合要求。通過應(yīng)變理論公式計(jì)算如下：

(5)

其中，α=d/D，D=250mm，d=60mm。

計(jì)算出彎矩應(yīng)變片在理想狀態(tài)下的應(yīng)變系數(shù)(με/kNm)為3.11，除B06與理論相差1.4%外，其他測(cè)量出的應(yīng)變系數(shù)與理論相差在1%之內(nèi)，如表5所示。說明應(yīng)變片的標(biāo)定結(jié)果與理論結(jié)果一致性較好，能達(dá)到測(cè)量要求。

表5 標(biāo)定結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較

3.4 對(duì)原始數(shù)據(jù)的靈敏度的分析

應(yīng)變值的誤差是客觀存在的，不可能消除，但這個(gè)誤差會(huì)對(duì)載荷合成造成多大的影響還有待驗(yàn)證。以高周1.3的調(diào)試過程為例，在初始調(diào)試過程中，以每個(gè)支臂的擺振Fy、揮舞Fz相同為基礎(chǔ)，調(diào)整Fy、Fz的大小，使得兩個(gè)剖面計(jì)算出的合成載荷的平均值與目標(biāo)值相符，此時(shí)兩個(gè)剖面值的相對(duì)誤差達(dá)13%。通過兩組數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)B05、B06的數(shù)據(jù)差異性較大，假設(shè)調(diào)整B06的彎矩幅值，減小B06的彎矩值1kNm，就可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)得出的結(jié)果改變很大，與0°剖面的值很接近，見表6中的假設(shè)剖面及圖5中的插值曲線，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。同樣，無論增加或減小任意剖面的任意彎矩幅值1kNm，得出的結(jié)果均變化很大。這說明應(yīng)變數(shù)據(jù)的靈敏度對(duì)Mf、Td影響很大，應(yīng)變誤差的大小直接影響到調(diào)試結(jié)果，應(yīng)變數(shù)據(jù)1%的誤差可以帶來10%以上的載荷誤差。

表6 應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化對(duì)載荷合成的影響

圖5 剖面插值法計(jì)算Td、Mf

4 引起載荷調(diào)試異常的原因的理論分析及改進(jìn)措施

插值計(jì)算法是函數(shù)逼近的一種很簡(jiǎn)單但又十分重要的方法，該方法是通過函數(shù)在有限個(gè)點(diǎn)處的取值狀況估算出該函數(shù)在其他點(diǎn)處的值。故在軸上三處(210mm、340mm、470mm)選取了三個(gè)應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，再插值計(jì)算彎矩中心(870mm)處的動(dòng)態(tài)彎矩和動(dòng)態(tài)剪力。由于插值點(diǎn)選取得不多，三個(gè)點(diǎn)中的任何一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了較小的偏差，反映到插值的曲線上就會(huì)出現(xiàn)較大的變化，所以兩個(gè)剖面的合成載荷相對(duì)誤差較大。

為了改善結(jié)果，可以考慮在軸上盡量選取較多的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，但由于結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度限制，測(cè)量點(diǎn)并非越多越好，可以考慮將三個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展成四個(gè)點(diǎn)或者五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這樣擬合出的直線更接近真實(shí)值，也就可以縮小兩個(gè)剖面的相對(duì)誤差。

其次，由于軸上的抗彎曲強(qiáng)度太大，應(yīng)變系數(shù)太小，只有3.11με/kNm。即1kNm的彎矩只輸出3.11個(gè)微應(yīng)變， 1kNm的彎矩變化對(duì)載荷合成的影響在三點(diǎn)插值的情況下可以帶來10%的載荷誤差，而1kNm所對(duì)應(yīng)的3.11個(gè)微應(yīng)變對(duì)彎矩測(cè)量片來說卻很微小。雖然調(diào)試開始前會(huì)對(duì)應(yīng)變進(jìn)行清零，但試驗(yàn)調(diào)試加載過程中的零漂不可避免，有可能帶來幾個(gè)微應(yīng)變，難以控制。因此可以考慮改進(jìn)旋翼模擬軸的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度允許的情況下，增加軸的內(nèi)徑，減小軸的外徑，減小軸的抗彎強(qiáng)度。比如，把原來的外徑D從250mm設(shè)成235mm,內(nèi)徑d由60mm改成80mm,應(yīng)變系數(shù)從3.11με/kNm增加到了3.79με/kNm，應(yīng)變輸出增大了20%。此時(shí)軸的最大彎矩應(yīng)力為：

(6)

在最大許用彎曲應(yīng)力范圍內(nèi)，安全可靠。

5 結(jié)論

從試驗(yàn)臺(tái)架的安裝角度、控制系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量這幾個(gè)方面對(duì)載荷調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)臺(tái)架的安裝角度正確，無異常，安裝角度微調(diào)對(duì)調(diào)試結(jié)果影響微小。

2)控制測(cè)量系統(tǒng)無異常，加載測(cè)量值與實(shí)際值在允許的誤差范圍內(nèi)，加載過程平穩(wěn)。

3)應(yīng)變片的粘貼位置正常，功能完好，應(yīng)變系數(shù)的理論值與實(shí)測(cè)值接近。

4)應(yīng)變誤差對(duì)調(diào)試結(jié)果影響較大，微小的應(yīng)變誤差可能會(huì)帶來較大的載荷變化。

鑒于應(yīng)變值的異常靈敏，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改善：

1)改進(jìn)旋翼模擬軸的結(jié)構(gòu)尺寸，在軸的彎曲強(qiáng)度允許的情況下，減小抗彎截面模量，增大應(yīng)變輸出值，降低應(yīng)變值對(duì)載荷合成的靈敏度。

2)增加應(yīng)變測(cè)量片，由以前離端面210mm、340mm、470mm的三組測(cè)量片改為離端面200mm、290mm、380mm、470mm四組測(cè)量片進(jìn)行測(cè)量，增加原始數(shù)據(jù)，以減小插值后的載荷合成誤差。

[1] 姚海濤，劉 巍.主槳轂中央件疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2008(2)：51-54.

[2] 李艷艷.直XX直升機(jī)主槳轂中央件疲勞試驗(yàn)大綱[Z].中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2014.

[3] 李 健,等.結(jié)構(gòu)疲勞控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].測(cè)控技術(shù)，2013,32(12):83-86.

Analysis and Discussion of the Abnormal Load Debug of One Type Helicopter Main Rotor Hug Fatigue Test

DENG Wen, LIU Wei, LI Qingrong

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Based on one type helicopter main rotor hug fatigue test, through the installation of the test fixture, the precision of the control system, the strain measurement error, abnormal Load debug was analyzed. This aim was to determine the causes of the abnormal Load debug and give the improvement measures, in order to advance the accuracy of the main rotor hug fatigue test and test technology provides。

main rotor hug；fatigue test；abnormal Load debug

2016-01-21 作者簡(jiǎn)介：鄧 文(1985-)，男，江西奉新人，碩士，工程師，主要研究方向：直升機(jī)疲勞試驗(yàn)技術(shù)。

1673-1220(2016)02-050-06

V216.3

A