直升機(jī)槳葉結(jié)構(gòu)載荷校準(zhǔn)過程中的預(yù)扭角確定方法

王澤峰 寇福軍

摘要：給出了一種直升機(jī)槳葉結(jié)構(gòu)載荷校準(zhǔn)過程中的預(yù)扭角確定方法。首先，介紹了試驗原理，試驗設(shè)計為在槳葉擺振方向小角度范圍內(nèi)加載，計算槳葉剖面在擺振方向加載時對應(yīng)剖面的揮舞彎矩輸出，在線彈性范圍內(nèi)，理論分析了揮舞彎矩電橋的輸出結(jié)果與擺振豎直方向角度的線性關(guān)系；其次，以某型直升機(jī)槳葉為例，應(yīng)用電阻應(yīng)變計法，采用機(jī)載CAM500系列測試設(shè)備，完成了對其槳葉剖面預(yù)扭角的確定實踐，驗證了方法的正確性和準(zhǔn)確性，為直升機(jī)槳葉結(jié)構(gòu)載荷校準(zhǔn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)；槳葉；預(yù)扭角；結(jié)構(gòu)載荷；載荷校準(zhǔn)

中圖分類號：V216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.042

直升機(jī)槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中，主要的運動有揮舞運動和擺振運動，揮舞和擺振本是兩個方向的自由度，但在實際運動過程中，揮擺運動往往是耦合的，即揮舞運動與擺振運動互為影響，表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上就是揮舞形變與擺振形變互為影響。反映在結(jié)構(gòu)承載上就是揮舞彎矩和擺振彎矩互為影響，因此，揮、擺彎矩較難測量。直升機(jī)槳葉在進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷測量時，也是采用電阻應(yīng)變計法，在地面完成載荷校準(zhǔn)之后進(jìn)行實測。而在載荷校準(zhǔn)過程中，如何精準(zhǔn)地確定校準(zhǔn)剖面的預(yù)扭角是最為關(guān)鍵的第一步，其直接影響后續(xù)的載荷校準(zhǔn)結(jié)果，因此，確定預(yù)扭角的方法研究非常有意義。國內(nèi)外關(guān)于槳葉在載荷校準(zhǔn)過程中的預(yù)扭角確定方法大多在理論階段。本文結(jié)合某型直升機(jī)旋翼部件載荷測量，首先通過理論分析了一種試驗原理，然后應(yīng)用電阻應(yīng)變計法，進(jìn)行該型直升機(jī)槳葉的預(yù)扭角確定方法工程實踐。

1原理介紹

圖1為槳葉安裝角示意圖，其中，a為翼型剖面的弦線與槳轂平面的夾角，即為槳葉安裝角。槳葉在設(shè)計時，考慮氣動效率的原因，從槳根到槳尖部分，各剖面的安裝角呈一定規(guī)律分布，總體趨勢為槳根處安裝角大于槳尖處安裝角。槳葉在載荷校準(zhǔn)之前需要確定的預(yù)扭角即為安裝角。

對于現(xiàn)代復(fù)合材料槳葉而言，其承載大梁一般為距離翼型前緣1/4處，因此，測量揮舞彎矩的電阻應(yīng)變計一般的貼片位置為距離前緣1/4處的槳葉上翼面和下翼面處，如圖2所示。

預(yù)扭角確定的思路：將槳葉調(diào)整至豎直位置，即擺振方向，使槳葉弦向與豎直方向呈一定角度β0，在加載端加載后記錄槳葉揮舞電橋的輸出a0，加載示意圖如圖3所示。以一定增量依次改變β的角度，采用同樣的方式，記錄揮舞電橋的輸出，繪出揮舞電橋隨β的變化曲線，可得擬合曲線如下：

p=ka+b

（1）式中：k為擬合系數(shù)，b為擬合直線的截距。

當(dāng)揮舞電橋的輸出為0時，對應(yīng)的角度β即為該剖面的預(yù)扭角，6為對應(yīng)剖面的擬合預(yù)扭角。

該過程中有兩個問題需要說明：

（1）實測得到的揮舞電橋輸出a為該剖面揮舞彎矩產(chǎn)生的應(yīng)變，由材料力學(xué)可知梁剖面的應(yīng)變計算公式如下：式中：k為常量，M揮舞為彎矩，h為距離，I為慣性矩?？芍谠摷虞d過程中，揮舞電橋的輸出a和揮舞方向的彎矩M為一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)電橋輸出為0時，意味著揮舞方向承載彎矩為O。

（2）假設(shè)槳葉加載端距離該揮舞電橋端的距離為r，加載端力的大小為F，由圖3可以得到，在擺振方向加載時，實際加載產(chǎn)生的揮舞彎矩為F×r×sinB≈F×r×B（β≤1°），是為彎矩小量。同時，隨著β的減小，揮舞彎矩同樣減小，甚至可能等于O。其次，隨著β以一定的增量△β變化，在小角度范圍內(nèi)，新加載產(chǎn)生的揮舞彎矩為F×r×（β+△β）?？梢钥闯?，加載得到的揮舞彎矩在小角度范圍內(nèi)與β呈線性關(guān)系。

綜上所述，可以采用該方法進(jìn)行槳葉載荷校準(zhǔn)前的預(yù)扭角確定。

2應(yīng)變計改裝

某型直升機(jī)槳葉載荷測量剖面有兩個，分別為r1，r2，r為距離槳根處的距離。加裝電阻應(yīng)變計前，首先確定徑向位置；其次，以實際槳葉翼型尺寸為基準(zhǔn)，量取并確定各剖面1/4弦線位置，最終確定電阻應(yīng)變計粘貼位置，選取類型適合的應(yīng)變計完成組橋。

3預(yù)扭角確定實踐

以槳葉r1，r2剖面為例進(jìn)行說明。

3.1測試準(zhǔn)備工作

試驗采用的測試設(shè)備為CAM500系列專用應(yīng)變采集器，通道激勵電壓為10V，各通道的直接輸出為碼值，用以模擬應(yīng)變輸出量。根據(jù)具體測量位置的形變大小，可以調(diào)整各通道的模擬輸出范圍，以達(dá)到較為精確的測量結(jié)果。

試驗開始前，將被試槳葉安裝至專用工作臺上，調(diào)整至擺振方向。首先完成測試通道與測試設(shè)備的連接工作，確認(rèn)信號正常。其次進(jìn)行預(yù)加載，主要用于確認(rèn)測試通道初始設(shè)置的輸出范圍是否合適。預(yù)加載載荷大小不超過校準(zhǔn)載荷最大值。

3.2預(yù)扭角確定

正式試驗開始時，將槳葉調(diào)整至豎直方向-6°（方向可任意定，本次試驗規(guī)定翼型弦線在豎直方向左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正），觀察測試通道碼值變化情況，待槳葉靜止后，記錄該時刻碼值，豎直方向角度不變，加載端加載30kg砝碼，待槳葉靜止后，再記錄該時刻碼值，得到一組數(shù)據(jù)；按照一定步長，調(diào)整豎直方向角度至另一值，采用同樣的步驟記錄數(shù)據(jù)。最終得到試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表1和表2。

按照原理介紹的方法，由碼值增量和扭角擬合的結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可以看出，擬合直線的線性相關(guān)性非常好，分別為R2=0.998和R2=0.997，圖4中直線的截距2.996，即為r1剖面的擬合預(yù)扭角，圖5中直線的截距6.697即為r2剖面的擬合預(yù)扭角，與設(shè)計給出的設(shè)計預(yù)扭角進(jìn)行比較，誤差精度為3%。為進(jìn)一步驗證該擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別將槳葉豎直方向的角度調(diào)整至2.996°和6.697°，在加載端進(jìn)行逐次加載，加載過程中同時觀察對應(yīng)剖面揮舞電橋的輸出?？梢钥闯?，在整個加載變換過程中，揮舞電橋的輸出很小，基本為0，進(jìn)一步說明擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

通過上述完整的試驗過程，可以得到以下結(jié)論：首先，理論上分析了一種直升機(jī)槳葉預(yù)扭角確定的試驗方法；其次，以某型直升機(jī)槳葉為例，采用上述方法，完成了該槳葉預(yù)扭角確定的實踐工作，確認(rèn)了該方法的可行性與準(zhǔn)確性，為直升機(jī)槳葉載荷校準(zhǔn)提供支持。