直升機機載設(shè)備隔振設(shè)計方法

丁盛國

摘 要：直升機振動包含周期性的中低頻分量，這是直升機在空中發(fā)生振動故障的主要原因。本文分析了直升機的振動特性，以旋翼一階通過頻率下的隔振效率作為系統(tǒng)的核心設(shè)計參數(shù)，介紹了直升機在航空產(chǎn)品中的隔振系統(tǒng)的設(shè)計要求。以某型直升機在空中為例，設(shè)計了隔振系統(tǒng)平臺，有效降低了該件設(shè)備的振動。

關(guān)鍵詞：直升機;機載設(shè)備;隔振

引言

近年來，得益于更好的機動性和懸停性能，起降時不受地形限制，各種先進的電子偵察設(shè)備和武器系統(tǒng)提高了直升機的功能性能。它們用于軍事和民用領(lǐng)域，如偵察、運輸和反恐。效果明顯，直升機邁出了一大步。一方面，對直升機機動性的要求越來越高，發(fā)動機功率和旋翼產(chǎn)生的升力越來越大。由此產(chǎn)生的不平衡振動導(dǎo)致直升機的振動增加。電子設(shè)備的準確性、可靠性和預(yù)期壽命，例如B、直升機光電偵察裝置和武器瞄準系統(tǒng)也較高。在設(shè)計飛行和資格審查階段，設(shè)備損壞通常是由設(shè)備振動引起的。直升機振動問題引起了大家的興趣。尹春旺等。討論了基于構(gòu)造、制造和測試連接的直升機減振方法。劉曉輝，許新喜等。討論了中國軍用直升機建造過程中的噪聲和減振方法。梁廷偉等為了抑制直升機槳葉系統(tǒng)的振動，孫東紅等人。與直升機機載產(chǎn)品振動環(huán)境研究相關(guān)的問題。國家科學(xué)家目前正在更詳細地研究直升機及其部件的主動和半主動控制技術(shù)。在分析直升機振動環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了在直升機機載設(shè)備上安裝隔振裝置的幾個指導(dǎo)原則。有針對性的被動隔振方法可有效降低電子設(shè)備在空氣中的振動等級，提高抗振精度和可靠性。

1直升機機載振動特點分析

直升機振動是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，具有多種振動源。一方面，旋翼系統(tǒng)、傳動系、發(fā)動機等振源裝置產(chǎn)生不平衡振動;另一方面，這些振源裝置和飛機高速運行時外表面的氣動載荷使機身、機房、儀表板和起落架。在受迫振動中，直升機振動的主要來源是旋翼系統(tǒng)。激勵的主要形式是類似于正弦激勵的多重單頻激勵。主頻率是主螺旋槳的飛行頻率及其諧波頻率。驅(qū)動系統(tǒng)和電機也是振動的主要來源。傳動系終傳動輸入軸的不平衡和齒輪之間的齒的嚙合產(chǎn)生類似于正弦激勵的多頻激勵。發(fā)動機振動主要是由發(fā)動機葉片旋轉(zhuǎn)時不平衡的部件引起的。由旋轉(zhuǎn)部件引起的多個單頻正弦激勵和由劣質(zhì)正弦元件、氣動噪聲等引起的寬帶隨機振蕩共同構(gòu)成了飛行器振動環(huán)境，其中Fi為正弦分量。根據(jù)主螺旋槳、傳動系、尾旋翼等引起飛機所在區(qū)域振動的裝置的不同作用，將直升機機載設(shè)備的振動環(huán)境劃分為不同的部分，其振動幅值每個部分明顯不同。

2設(shè)備安裝過程探析

振動對設(shè)備的影響主要與以下三個方面有關(guān)：降低設(shè)備的精度甚至破壞設(shè)備的功能。例如，低頻轉(zhuǎn)子振動引起大位移，使光學(xué)設(shè)備無法成像，中高頻振動頻率耦合到慣性導(dǎo)航設(shè)備，導(dǎo)致定位偏差。它們有不可預(yù)測的后果;長期振動引起設(shè)備疲勞，主要是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)元件疲勞失效;振動幅度過大導(dǎo)致硬件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)振動裂紋，主要包括電子設(shè)備內(nèi)部電路板接口焊點的裂紋和堵塞。來自直升機旋翼的高正弦激勵值是設(shè)備結(jié)構(gòu)損壞的主要原因。降低設(shè)備的精度和對結(jié)構(gòu)的破壞。高頻寬帶振動是電路板上焊點開裂和降低慣導(dǎo)設(shè)備精度的主要原因。直升機空中設(shè)備通常集中在飛機的前部設(shè)備艙，附著在儀表盤和駕駛艙上，是螺旋槳主要影響區(qū)域的一部分。因此，主螺旋槳的一階頻率是隔振系統(tǒng)應(yīng)考慮的最低隔振頻率。根據(jù)直升機振動特性和沖擊規(guī)律，提出了直升機機載電子設(shè)備對隔振系統(tǒng)的要求。

3安裝過程振動影響因素分析

3.1頻率特性

隔振系統(tǒng)的傳遞率、阻尼系數(shù)和頻率系數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)傳遞系數(shù)是否大于1可分為共振區(qū)和隔振區(qū)。如果激勵頻率與振動頻率之比小于隔振系統(tǒng)，則系統(tǒng)的隔振屬于共振區(qū);當激振頻率與隔振系統(tǒng)頻率之比超過時，隔振系統(tǒng)具有減振作用。這是隔離區(qū)。頻率系數(shù)越高，絕緣效果越好。同時，隔振系統(tǒng)的剛度也較低。系統(tǒng)的靜態(tài)撓度越大，隔振系統(tǒng)所需的結(jié)構(gòu)就越大。轉(zhuǎn)子的一階躍遷頻率一般為15Hz～25Hz，為了使隔振系統(tǒng)有更好的隔振效果，考慮到隔振系統(tǒng)的尺寸和位移空間，隔振系統(tǒng)一般設(shè)計為（0.3～0.5）F1。其中，隔振系統(tǒng)在第一排轉(zhuǎn)子運行頻率下傳遞速度的降低是隔振系統(tǒng)的基本設(shè)計指標。

3.2阻尼特性

系統(tǒng)的阻尼系數(shù)越大，共振增加越小，傳輸?shù)臏p少通常很小。在直升機的空氣環(huán)境中，由于空間原因，隔振系統(tǒng)的固有頻率不能太低。轉(zhuǎn)子的一次通過頻率與隔振系統(tǒng)的頻率之比通常大2-3倍。簡單地追求高阻尼系數(shù)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的第一次通過頻率。阻尼系數(shù)降低。如果阻尼系數(shù)過低，系統(tǒng)的激勵頻率必須在直升機啟動階段超過隔振系統(tǒng)的頻率，否則會因過高的共振而損壞裝置。因此建議將直升機減振系統(tǒng)的阻尼系數(shù)設(shè)置在0.1～0.15的范圍內(nèi)，相應(yīng)的放大倍數(shù)為3～5。

4隔震平臺技術(shù)

由于直升機飛行過程中旋翼受到六個空間方向的擾動，因此隔振平臺必須能夠同時隔離六個空間方向的振動擾動。Stewart平臺作為典型的并聯(lián)機構(gòu)，具有承載能力高、結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定、精度高、動態(tài)性能好等優(yōu)點。是實現(xiàn)空間六自由度隔振的理想設(shè)計。在本章中，Stewart設(shè)計了一個使用磁流變阻尼器隔離振動的半主動平臺，并使用結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論建模對其進行了深入研究。隔振器的工作原理分為兩種：一種是振幅絕緣，另一種是絕緣強度。直升機主隔振系統(tǒng)是力隔離模型的一部分，即主要減少旋翼激振力/力矩向機身的傳遞。在剛性基礎(chǔ)模型中，如果基礎(chǔ)質(zhì)量遠大于絕緣物體的質(zhì)量，則基礎(chǔ)運動可以忽略不計。由于直升機旋翼/主減速系統(tǒng)的質(zhì)量略小于機身質(zhì)量，因此直升機主減速和隔熱系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮機身質(zhì)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所設(shè)計的隔振平臺具有以下有益效果：

（1）隔振平臺采用磁流變阻尼器降低低頻共振峰，采用柔性襯套降低高頻高頻振動，在隔振較寬的頻段具有良好的隔振效果;

（2）通過調(diào)整臂架上的鎖緊螺母，更換不同剛度的柔性襯套，使防振平臺具有良好的通用性，能適應(yīng)不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)子/主減速系統(tǒng);

（3）利用磁流變阻尼器的高可控性和Stewart平臺良好的穩(wěn)定性，將磁流變阻尼器插入Stewart平臺，在隔振平臺的空間內(nèi)實現(xiàn)六向隔振，保證平臺的可靠性。隔振平臺高，易于控制;

（4）控制器實時控制相應(yīng)磁流變阻尼器的輸入電流，當上平臺振動環(huán)境發(fā)生變化時，可以達到更好的隔振效果;

（5）通過設(shè)計鉸鏈塊，保證相鄰支腿相互垂直，形成Stewart平臺的立方結(jié)構(gòu)，使隔振平臺在所有空間方向上的控制性能更加一致，可以最大限度地減少支腿之間的距離移動離合器。

5結(jié)語

分析了直升機振動的特點及直升機振動環(huán)境對機載電子設(shè)備的破壞形式，提出了直升機機載設(shè)備隔振裝置的相關(guān)要求，提出了機載設(shè)備一階通過頻率下的阻尼效率。主轉(zhuǎn)子是隔振系統(tǒng)的核心設(shè)計參數(shù);以儀表盤為例，設(shè)計了一套隔振系統(tǒng)平臺，有效降低了儀表盤的振動，具有很強的工程參考意義。

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