三型螺旋槳振動特性試驗研究

項松，王頤，張業(yè)偉，王志，劉遠(yuǎn)強

1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136 2.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136

航空科技發(fā)展水平是體現(xiàn)一個國家綜合國力的重要標(biāo)志之一[1]。電動飛機是未來航空發(fā)展熱點方向，是一種新型清潔能源的飛行器，可降低飛行器的運行成本、飛行噪聲和污染排放，是實現(xiàn)航空工業(yè)高效、安靜和無污染排放的綠色航空目標(biāo)的優(yōu)選[2]。電動通用飛機以鋰電池為能源，采用電動機驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生拉力或推力，螺旋槳共振將導(dǎo)致電動飛機整機振動過大，影響飛行員及乘客的舒適性，并對飛機的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷。因此，在電動通用飛機初步設(shè)計階段，需要開展螺旋槳掃頻振動試驗，獲得螺旋槳的各階固有頻率，防止螺旋槳固有頻率與工作轉(zhuǎn)頻重合。

針對螺旋槳振動特性測試與計算，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，魏武國[3]基于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論，建立了螺旋槳整體結(jié)構(gòu)振動特性仿真分析方法，大大降低了求解規(guī)模。牛宏偉等[4]通過飛行試驗方法研究了某型飛機單發(fā)推進(jìn)式螺旋槳的振動應(yīng)力特性，獲得了螺旋槳在典型工作狀態(tài)下的靜應(yīng)力和動應(yīng)力。項松等[5]利用ES-2-150振動試驗系統(tǒng)進(jìn)行了兩葉木質(zhì)螺旋槳和碳纖維螺旋槳的振動特性試驗，采用諧振搜索與駐留方法測量出兩種螺旋槳的第一階固有頻率，最終確定了某型電動飛機振動故障的原因，保證了該型電動飛機適航取證工作的順利進(jìn)行?？兹鹕彽萚6]采用有限元素法對某型螺旋槳及其改型槳槳葉的振動特性進(jìn)行了計算和分析，結(jié)果表明，對于長梁結(jié)構(gòu)的螺旋槳槳葉，用動頻系數(shù)計算各轉(zhuǎn)速下的動頻是可行的。顧仲權(quán)等[7]研究考慮了槳葉揮舞和擺振彎曲、槳角變化以及扭轉(zhuǎn)與縱向振動耦合的螺旋槳-減速器-發(fā)動機系統(tǒng)固有特性計算問題，提出了一種合理的算法。尚玲玲等[8]發(fā)展了一種槳葉對稱削層結(jié)構(gòu)的分區(qū)優(yōu)化方法，有效避開槳葉共振區(qū)間，實現(xiàn)了螺旋槳輕質(zhì)量和高固有頻率之間的權(quán)衡設(shè)計。牛宏偉等[9]通過振動應(yīng)力實測和仿真分析相結(jié)合，研究螺旋槳的共振轉(zhuǎn)速特性，為螺旋槳結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計提供了依據(jù)。程俊杰等[10]提出了一種以最小化質(zhì)量和最大化一階固有頻率作為兩個優(yōu)化目標(biāo)的螺旋槳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，有效避免了槳葉共振。 J. Joshi 等[11]測定了三種不同材料螺旋槳振動的固有頻率并對結(jié)果進(jìn)行了分析，確定了適合螺旋槳制造的材料。王正峰等[12]針對傳統(tǒng)激振器激勵方法不能識別高于50Hz尾槳頻率問題，發(fā)展了基于升降轉(zhuǎn)速自然激勵的尾槳固有頻率識別方法。陳兆林等[13]對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的吊艙—螺旋槳系統(tǒng)和機翼-吊艙-螺旋槳系統(tǒng)進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)顫振分析，總結(jié)出機翼對發(fā)動機旋轉(zhuǎn)顫振的影響規(guī)律，揭示了其影響機理。叢家勇[14]應(yīng)用機械振動理論建立整體的振動微分方程，對直升機尾傳動系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，獲得了該系統(tǒng)的固有頻率和振型。李其漢等[15]用試驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)分析了螺旋槳槳葉振動特性，分析了槳葉根部連接狀態(tài)和安裝方式對固有頻率和模態(tài)的影響。Xing Xueyan等[16]設(shè)計了一種基于反步技術(shù)的控制方法，使螺旋槳系統(tǒng)振動控制在一個很小的區(qū)域。高宇[17]對某型復(fù)合材料螺旋槳槳葉的振動特性進(jìn)行分析計算，得到了螺旋槳槳葉的靜頻和動頻。

諧振搜索和駐留方法通過正弦信號發(fā)生器改變振動的頻率和幅值，控制試件在一定頻率范圍內(nèi)按要求振動，試件振幅峰值對應(yīng)的頻率即為固有頻率。本文基于高頻電動振動試驗系統(tǒng)，采用諧振搜索與駐留方法，測量出三型螺旋槳的固有頻率，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，三型螺旋槳分別為X1930 型、W80CM8 型和76EM8 型。這三型螺旋槳的第一階固有頻率均超過工作轉(zhuǎn)頻，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會發(fā)生共振。

1 試驗設(shè)備

螺旋槳振動特性試驗采用高頻電動振動試驗系統(tǒng)（見圖1）進(jìn)行，該試驗系統(tǒng)可進(jìn)行正弦、隨機、沖擊、正弦疊加隨機等振動激振，同時具有沖擊響應(yīng)譜控制、疲勞等效譜計算、諧振搜索與駐留等高級功能。該試驗系統(tǒng)主要由振動臺體、功率放大器、風(fēng)機、垂直擴展臺面、水平擴展臺面、振動控制儀等部分組成。功率放大器的型號為MPA407；振動發(fā)生機的型號為G334A；風(fēng)機型號為HP-3；水平滑臺型號為GT600M；垂直擴展臺面型號為HE600SQ/A；軟件為Vibration VⅠEW（VR9500）。

圖1 高頻電動振動試驗系統(tǒng)Fig.1 High-frequency electrodynamic vibration experimental system

2 掃頻振動試驗

2.1 試驗件

試驗件為三型螺旋槳，分別是X1930型、W80CM8型和76EM8型。

2.1.1 X1930型螺旋槳

X1930 型螺旋槳為兩葉固定槳距木質(zhì)螺旋槳，直徑1.93m，自主設(shè)計的氣動外形，在丹東颶風(fēng)螺旋槳公司加工，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖2所示。

圖2 X1930型螺旋槳Fig.2 X1930 propeller

2.1.2 W80CM8型螺旋槳

W80CM8 型螺旋槳為兩葉固定槳距木質(zhì)螺旋槳，直徑1.93m，由美國Sensenich螺旋槳公司生產(chǎn)，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖3所示。

圖3 W80CM8型螺旋槳Fig.3 W80CM8 propeller

2.1.3 76EM8型螺旋槳

76EM8 型螺旋槳為兩葉固定槳距金屬螺旋槳，直徑1.93m，由美國Sensenich螺旋槳公司生產(chǎn)，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖4所示。

圖4 76EM8型螺旋槳Fig.4 76EM8 propeller

2.2 試驗方法

高頻電動振動試驗系統(tǒng)具有諧振搜索與駐留功能，因此，采用諧振搜索與駐留方法測量螺旋槳的固有頻率。諧振搜索與駐留方法通過正弦掃頻試驗，搜索出螺旋槳的固有頻率。并且可以在固有頻率上進(jìn)行跟蹤駐留試驗。

振動臺振幅為0.5g，起始頻率為10Hz，終止頻率為160Hz。振動臺加速度曲線如圖5所示，圖中紅線為警戒線。

圖5 振動臺加速度曲線Fig.5 Vibration table acceleration curve

3 試驗結(jié)果

3.1 X1930型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，X1930型螺旋槳第一階固有頻率為51.81Hz，第二階固有頻率為101.8Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠(yuǎn)離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖6 X1930型螺旋槳加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of X1930 propeller

3.2 W80CM8型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖7所示。從圖7可以看出，W80CM80 型螺旋槳第一階固有頻率為51.65Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠(yuǎn)離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖7 W80CM8型螺旋槳加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of W80CM8 propeller

3.3 76EM8型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖8所示。從圖8可以看出，76EM8型螺旋槳第一階固有頻率為48Hz，第二階固有頻率為154.1Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠(yuǎn)離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖8 76EM8型螺旋槳加速度曲線Fig.8 Acceleration curve of 76EM8 propeller

4 模態(tài)分析

對X1930型、W80CM8型與76EM8型螺旋槳進(jìn)行模態(tài)分析。通過對螺旋槳的模態(tài)分析可以很直觀地看到螺旋槳的整體和部分結(jié)構(gòu)是否合理，在本文中，對螺旋槳的模態(tài)分析是對螺旋槳施加一個軸約束來進(jìn)行的。在有限元軟件中，通過對螺旋槳劃分網(wǎng)格，設(shè)置分析求解步驟，得到了螺旋槳的固有頻率和振型圖。

4.1 X1930型螺旋槳

從圖9可以看出，振動的最大變形為83.93mm，發(fā)生在螺旋槳槳尖部位。通過有限元軟件得到X1930型螺旋槳的第一階固有頻率為51.87Hz，試驗結(jié)果為51.81Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖9 X1930型螺旋槳一階模態(tài)Fig.9 First-order modal of X1930 propeller

4.2 W80CM8型螺旋槳

從圖10 可以看出，振動的最大變形為57.18mm，發(fā)生在螺旋槳槳尖部位。通過有限元軟件得到W80CM8 型螺旋槳的第一階固有頻率為54.78Hz，試驗結(jié)果為51.65Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖10 W80CM8型螺旋槳一階模態(tài)Fig.10 First-order modal of W80CM8 propeller

4.3 76EM8型螺旋槳

從圖11、圖12 可以看出，76EM8 型螺旋槳在第一階模態(tài)的最大變形量為26.77mm，在第二階模態(tài)的最大變形量為32.52mm，均發(fā)生在槳尖位置處。計算得到76EM8 型螺旋槳的第一階固有頻率為49.75Hz，第二階固有頻率為148.19Hz，試驗得到第一階固有頻率為48Hz，第二階為154.1Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 76EM8型螺旋槳一階模態(tài)Fig.11 First-order modal of 76EM8 propeller

圖12 76EM8型螺旋槳二階模態(tài)Fig.12 Second-order modal of 76EM8 propeller

對比仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)，兩者一致性較好。表明試驗方法可靠，獲得的數(shù)據(jù)可以為螺旋槳選型提供參考。

5 結(jié)論

本文基于高頻電動振動試驗系統(tǒng)，采用諧振搜索與駐留方法，測量出三型螺旋槳的固有頻率。通過研究，可以得出以下結(jié)論:

（1）X1930 型、W80CM8 型和76EM8 型螺旋槳的第一階固有頻率均遠(yuǎn)離某型電動四座飛機螺旋槳的最大工作轉(zhuǎn)頻，可保證正常工作，正常工作時不會發(fā)生共振。

（2）通過有限元軟件進(jìn)行了螺旋槳模態(tài)分析，固有頻率計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，表明試驗數(shù)據(jù)合理可靠，為后續(xù)電動四座飛機螺旋槳選型提供了參考。