一種直升機粘彈性阻尼器疲勞定壽的新方法

呂明月，李建偉，朱 勇，許名瑞

(1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

阻尼器是直升機旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要功用是為槳葉的擺振運動提供阻尼，從而防止因槳葉的擺振后退型模態(tài)與起落架耦合而引發(fā)地面共振以及與機體的耦合而引發(fā)空中共振[1]。阻尼器有摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈性阻尼器、液彈性阻尼器等多種形式。磨擦阻尼器使用維護不方便，可靠性差，因而很快就被后來發(fā)展起來的液壓阻尼器替代。液壓阻尼器雖然解決了許多磨擦阻尼器所無法克服的問題，但這種阻尼器也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重、使用維護不方便等缺點，使用受到很大的限制。隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了高阻尼硅橡膠和金屬混合夾層結(jié)構(gòu)的粘彈性阻尼器。這種阻尼器不僅結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，可靠性高，同時能夠滿足現(xiàn)代直升機對可靠性和維護性的高要求。此外，粘彈性阻尼器為槳葉擺振運動提供阻尼的同時還為擺振運動附加了擺振剛度，提高了旋翼的一階擺振固有頻率，從而有效地避開了可能的地面共振頻率。因此，粘彈性阻尼器在現(xiàn)代直升機領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

板式阻尼器是粘彈性阻尼器常見的形式之一，安裝在槳葉支臂的上下表面，當(dāng)槳葉作擺振運動時，金屬上下蓋板之間發(fā)生相對運動，上下蓋板之間的高阻尼硅橡膠層產(chǎn)生剪切變形，從而為旋翼提供擺振方向的阻尼。本文以板式粘彈性阻尼器為例，提出了一種疲勞定壽新方法，通過理論推導(dǎo)及試驗論證該方法真實可靠，可操作性強，大大提高了試驗效率，為以后直升機粘彈性阻尼器的疲勞定壽積累了經(jīng)驗。

1 載荷譜

在直升機阻尼器定壽的工作中，載荷譜的確定是首要工作。通過旋翼操縱載荷計算可以得到阻尼器各個狀態(tài)下對應(yīng)的各級靜載和動載，結(jié)合飛行譜的時間比例，即可得到阻尼器的計算載荷譜。單個狀態(tài)內(nèi)通常會有不同重量的各級載荷，如表1所示。

表1 粘彈性阻尼器疲勞載荷譜

按照表1的載荷譜進行加載會比較繁瑣。為簡化加載形式，需要將載荷譜單個狀態(tài)內(nèi)的各級載荷等效合成狀態(tài)內(nèi)的等效載荷，同時按重量譜的要求給出不同重量下的等效載荷譜，各個重量下等效載荷譜之間的比例要滿足重量譜的時間比例。

2 合譜方法

合譜方法是根據(jù)損傷等效原理將單個狀態(tài)內(nèi)對應(yīng)的各級載荷等效成一個等效載荷，該等效載荷造成的損傷與等效前的各級載荷造成的損傷相等。

2.1 靜載等效

靜載損傷等效采用“頻數(shù)均值處理”獲得，即某狀態(tài)的各級靜載荷乘以對應(yīng)的作用頻數(shù)，然后再取頻數(shù)均值。具體公式如下：

(1)

其中：Si，ni:第i狀態(tài)等效后的靜載及作用頻數(shù)；Sij，nij:第i狀態(tài)第j級靜載及作用頻數(shù)；K:載荷級數(shù)。

2.2 動載等效

動載的損傷等效公式需要進行理論推導(dǎo)，借鑒復(fù)合材料S-N曲線方程為[2]：

(2)

其中：A，α：粘彈性材料S-N形狀參數(shù)；Sai：狀態(tài)內(nèi)第i級交變載荷；S∞：疲勞極限；Ni：結(jié)構(gòu)破壞時第i級交變載荷對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)損傷累計理論，粘彈性阻尼器總的疲勞損傷D用相應(yīng)的“循環(huán)比”來表示：

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)可推導(dǎo)出：

(4)

將載荷譜的各級載荷等效成Saeq，結(jié)合式(1)、式(2)可得等效載荷造成的損傷如式(5)所示：

(5)

由D=D′可知：

(6)

其中：m：狀態(tài)內(nèi)交變載荷總級數(shù)。

2.3 算例

某直升機旋翼粘彈性阻尼器的載荷譜，結(jié)合旋翼轉(zhuǎn)速得到對應(yīng)5h壽命的阻尼器載荷譜，如表2所示。

表2 阻尼器載荷譜(5h壽命)

大重量(2000kg)與小重量(1400kg)在重量譜中的時間比例為4：1，為了方便加載，可以將大重量的作用次數(shù)除以4，這樣兩個重量的作用次數(shù)一致。這樣表2的載荷譜等效合譜成為1個小重量A譜和4個大重量B譜。即A+4B加載程序與阻尼器5h壽命載荷譜等效(表3、表4)。

表3 載荷A譜(小重量1400 kg)

表4 載荷B譜(大重量2000 kg)

3 壽命試驗

將2.3節(jié)算例中的阻尼器安裝在MTS材料試驗機上進行疲勞壽命試驗，模擬真實裝機狀態(tài)設(shè)計一套專用試驗夾具，把兩件阻尼器同時固定在材料試驗機上。根據(jù)旋翼轉(zhuǎn)速確定加載頻率為7Hz，試驗加載示意圖如圖1所示。

橡膠材料疲勞試驗時，會出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。溫度過高會嚴重影響阻尼材料的性能指標。試驗環(huán)境溫度應(yīng)保持室溫，并且對試件使用風(fēng)扇加速空氣流動。

試驗開始前和試驗過程中每完成10個耐久性疲勞試驗程序塊，進行一次阻尼器基本性能測試，包括靜剛度K0，動態(tài)彈性剛度K′，阻尼剛度K″，損耗角α。

圖1 疲勞試驗加載裝置示意圖

根據(jù)阻尼器出廠時的性能指標(7Hz±1mm，彈性剛度K′=380±20%N/mm，損耗角α≥26°)，試驗結(jié)束的判據(jù)定為動態(tài)彈性剛度K′變化下降超過20%或者阻尼器外觀出現(xiàn)明顯損傷[3]。

4 結(jié)果與分析

在完成500h(100個加載譜塊)疲勞壽命試驗后，對阻尼器進行剛度測試，若動態(tài)彈性剛度變化超過20%，終止試驗。試驗結(jié)果如表5所示。

橡膠材料出廠后隔一段時間就會出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，硬化的材料不能達到阻尼器性能指標要求。本文選取做完2個加載譜塊后的阻尼器動態(tài)剛度值作為對比的初始值。

由于損耗角等于阻尼剛度與彈性剛度之比的反正切，對于小位移時彈性剛度上升，阻尼剛度下降會導(dǎo)致?lián)p耗角降低。

表5 阻尼器疲勞試驗結(jié)果

5 結(jié)語

通過損傷等效原理將載荷級數(shù)較為繁瑣的載荷譜進行簡化合譜，在理論及工程試驗中均可以實現(xiàn)，該方法對試驗過程中的載荷加載級數(shù)進行了簡化，既能夠完整保留原始的損傷累積，獲得真實有效的疲勞壽命，又極大地節(jié)省了試驗時間，提高了效率。

參考文獻：

[1] 武坤楊,衛(wèi) 東,等. 旋翼液彈阻尼器模型試驗與非線性動力學(xué)特性分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,43(3)：318-323.

[2] 穆志濤,曾本銀,洪 蛟,等.直升機結(jié)構(gòu)疲勞[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[3] 徐 新，彭江水.直升機旋翼粘彈性阻尼器性能試驗的實現(xiàn)[J].直升機技術(shù),2007(3):92-95.