韓玉旺，朱光明，陳功力

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

旋翼是直升機(jī)最主要的部件之一，它既是唯一的升力來(lái)源，又是主要的飛行操作面。旋翼載荷顯然影響著直升機(jī)的性能和飛行品質(zhì)，同時(shí)也是直升機(jī)其他部件載荷的主要來(lái)源。從動(dòng)力學(xué)與強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，旋翼載荷的計(jì)算直接關(guān)系到旋翼這一部件本身的壽命，關(guān)系到整個(gè)直升機(jī)的安全性、可靠性及壽命［1］。因此，直升機(jī)飛行載荷測(cè)量的準(zhǔn)確性就顯得至關(guān)重要。

過(guò)去，我國(guó)直升機(jī)產(chǎn)業(yè)比較落后，直升機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱，對(duì)旋翼載荷的標(biāo)定方法沒(méi)有特別的研究。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和新型材料的不斷問(wèn)世，先進(jìn)復(fù)合材料在直升機(jī)槳葉上應(yīng)用越來(lái)越多，槳葉上的載荷分布情況越來(lái)越不明確，因此，測(cè)量確定槳葉剖面載荷分布就顯得非常重要。

槳葉標(biāo)定是直升機(jī)旋翼載荷實(shí)測(cè)前一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)靜態(tài)直接加載，對(duì)槳葉進(jìn)行全尺寸標(biāo)定，最終得出揮舞彎矩、擺振彎矩、扭轉(zhuǎn)彎矩載荷工程量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

以往槳葉載荷標(biāo)定方法的不足:

1)沒(méi)有標(biāo)定槳葉預(yù)扭角，使用理論計(jì)算預(yù)鈕角;

2)標(biāo)定時(shí)沒(méi)有消除揮舞對(duì)擺振的耦合影響，未能得出揮舞和擺振相互耦合系數(shù)，需要在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)通過(guò)耦合矩陣計(jì)算，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)提取、分離，消除揮舞對(duì)擺振的耦合。這種方法不僅計(jì)算量大，而且計(jì)算出的各剖面擺振彎矩誤差比較大。

本文提出了一種新的直升機(jī)旋翼槳葉載荷標(biāo)定方法，在標(biāo)定時(shí)找出槳葉的實(shí)際預(yù)扭角，有效消除了揮舞對(duì)擺振的耦合影響，減少了擺振彎矩的誤差，提高了旋翼載荷數(shù)據(jù)處理效率。由于槳葉的三種彎矩載荷(揮舞彎矩、擺振彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩)中只有揮舞彎矩對(duì)擺振彎矩的輸出影響較大，因此，本文重點(diǎn)介紹揮舞/擺振的解耦方法和標(biāo)定方法。

1 槳葉貼片

直升機(jī)槳葉載荷測(cè)量主要有揮舞彎矩、擺振彎矩和扭轉(zhuǎn)彎矩測(cè)量。測(cè)量揮舞彎矩的應(yīng)變片粘貼在中心線的上下表面，并排對(duì)稱平行組成全橋。圖1為某直升機(jī)旋翼槳葉各剖面貼片位置示意圖，圖2為某剖面應(yīng)變片橋路組合示意圖。

圖1 主槳葉各剖面貼片位置示意圖

圖2 某剖面應(yīng)變片橋路組合示意圖

這種應(yīng)變片組橋方式可有效消除徑向拉伸和壓縮載荷的影響，并具有溫度補(bǔ)償功能［3］。測(cè)量擺振彎矩的應(yīng)變片組橋方法和橋路組合與揮舞彎矩測(cè)量一樣，也粘貼在旋翼槳葉上下表面，并排平行組成全橋。為了提高揮舞/擺振解耦的效率，可多粘貼一到兩個(gè)擺振彎矩應(yīng)變片(擺振片ε5，擺振片ε6)，見(jiàn)圖2所示。

2 確定預(yù)扭角

直升機(jī)的主槳葉和尾槳葉都存在結(jié)構(gòu)預(yù)扭角，即各剖面的最大剛度面(即擺振面)和最小剛度面(即揮舞面)之間存在一個(gè)夾角。各剖面的擺振面或揮舞面相對(duì)于槳葉0剖面的擺振面或揮舞面的夾角稱之為各剖面的“預(yù)扭角”［2］。槳葉的預(yù)扭角的大小在槳葉的理論外形圖上有標(biāo)注。但是，理論預(yù)扭角與實(shí)際預(yù)扭角有所差異，這就需要在槳葉載荷標(biāo)定時(shí)確定各剖面的預(yù)扭角。

根據(jù)槳葉理論外形圖查看各剖面的理論預(yù)扭角的范圍，確定輸入的角度及量級(jí)(一般量級(jí)為2°～3°)。例如，某直升機(jī)旋翼載荷試飛主槳葉標(biāo)定剖面6個(gè)，分別是200剖面、1400剖面、2810剖面、3705剖面、4430剖面、5570剖面，旋翼槳葉理論外形圖確定各剖面的理論預(yù)扭角的范圍是 0.16°～10.79°，標(biāo)定時(shí)輸入角度為-1°～14°，量級(jí)3°，分六級(jí)。通過(guò)專用的槳根接頭夾具將主槳葉安裝固定在分度盤(pán)上，并利用翼形夾具進(jìn)行加載，分別測(cè)量記錄槳根平面與水平面成 -1°、2°、5°、8°、11°、14°時(shí)各個(gè)剖面的揮舞全橋電壓輸出，如表1所示。對(duì)表1中的得到的角度-剖面進(jìn)行線性擬合，如圖3所示。此時(shí)，當(dāng)揮舞輸出變化為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度即為該剖面的預(yù)扭角。各剖面的標(biāo)定預(yù)扭角如表2所示。

理論預(yù)扭角和實(shí)際標(biāo)定預(yù)扭角存在一定的誤差，如表3所示，誤差的原因在此不再詳細(xì)闡述。

表1 各剖面揮舞輸出變化(單位:mv)

圖3 各剖面揮舞輸出-各角度的線性關(guān)系

表2 各剖面的實(shí)際標(biāo)定預(yù)扭角

表3 理論預(yù)扭角和實(shí)際標(biāo)定預(yù)扭角誤差

3 加載標(biāo)定

首先要確定標(biāo)定載荷的大小，這是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，對(duì)于新設(shè)計(jì)的構(gòu)件通常是通過(guò)“有限元建?！边M(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，根據(jù)材料性能強(qiáng)度試推算出該結(jié)構(gòu)理論上的最大承載能力和應(yīng)力分布情況，進(jìn)而得出合理的標(biāo)定載荷和加載點(diǎn)［4］。雖然標(biāo)定載荷不是結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作載荷，但也應(yīng)具有一定的代表性，這樣獲得的標(biāo)定系數(shù)才更能反映真實(shí)受載狀況。一般情況下，槳葉標(biāo)定載荷按10%一級(jí)分五級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載。為了抵消旋翼槳葉變形的不連續(xù)性和對(duì)小載荷的不敏感性等因素的影響，標(biāo)定前要預(yù)加載到標(biāo)定的最大載荷，再?gòu)?0%開(kāi)始分五級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載，每種情況至少重復(fù)3次，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性和重復(fù)性。

3.1 揮舞/擺振解耦組橋

如前所述，用以往的方法(標(biāo)定時(shí)沒(méi)有消除揮舞對(duì)擺振的耦合)在槳葉載荷實(shí)測(cè)時(shí)不僅計(jì)算量大，而且計(jì)算出的各剖面的擺振彎矩誤差也比較大。鑒于以往方法的不足，在此介紹一種在槳葉載荷標(biāo)定時(shí)消除揮舞對(duì)擺振的耦合的方法(揮舞/擺振解耦處理方法)。

以主槳葉1400剖面為例，介紹揮舞/擺振解耦的方法及過(guò)程。槳葉在揮舞狀態(tài)下，將旋轉(zhuǎn)分度盤(pán)(安裝槳葉的夾具)的角度調(diào)整為1400剖面的預(yù)扭角(11.173°)。此時(shí)，加載方向與槳葉被測(cè)剖面的弦線垂直，測(cè)量零位和最大加載載荷時(shí)擺振片的輸出如表4所示。同理，槳葉在擺振狀態(tài)下，將旋轉(zhuǎn)分度盤(pán)(安裝槳葉的夾具)的角度調(diào)整為1400剖面的預(yù)扭角(11.173°)。此時(shí)，加載方向與槳葉被測(cè)剖面的弦線平行，測(cè)量零位和最大加載載荷時(shí)擺振片的輸出如表4所示。

如果表4中相對(duì)耦合系數(shù)＜3%，則消除了揮舞對(duì)擺振的耦合，如 ε1，ε2，ε3，ε4，組合的相對(duì)耦合系數(shù)為1.71%，滿足＜3%的要求，因此2810剖面擺振就用 ε1，ε2，ε3，ε4應(yīng)變片組合即可。反之，如果表4中相對(duì)耦合系數(shù)≥3%，則說(shuō)明沒(méi)有消除揮舞對(duì)擺振的耦合，應(yīng)選擇相對(duì)耦合系數(shù)接近3%的組合來(lái)調(diào)整某個(gè)應(yīng)變片的位置(調(diào)整的具體位置要根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定)，重新粘貼應(yīng)變片組橋，重復(fù)以上解耦步驟，直到消除揮舞對(duì)擺振的耦合(相對(duì)耦合系數(shù) ＜3%)。

3.2 標(biāo)定

消除每個(gè)剖面揮舞對(duì)擺振的耦合后，按照標(biāo)定步驟和事先確定的加載位置和加載級(jí)別對(duì)各剖面進(jìn)行揮舞、擺振和扭矩的標(biāo)定。在標(biāo)定揮舞彎矩的同時(shí)監(jiān)測(cè)該剖面的擺振彎矩隨加載載荷變化的輸出變化情況，進(jìn)而驗(yàn)證解耦的準(zhǔn)確性。以某直升機(jī)旋翼槳葉1400剖面揮舞彎矩和擺振彎矩為例，揮舞彎矩如表5所示，擺振彎矩如表6所示。加載揮舞彎矩與揮舞輸出電壓和加載擺振彎矩與擺振輸出電壓的擬合方程，分別如圖4、圖5所示。

表4 1400剖面揮舞/擺振解耦數(shù)據(jù)(單位:με)

表5 揮舞1400剖面標(biāo)定數(shù)據(jù)

表6 擺振1400剖面標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖4 揮舞1400彎矩與電壓Mb～V關(guān)系曲線圖

圖5 擺振1400彎矩與電壓Mb～V關(guān)系曲線圖

4 結(jié)論

此直升機(jī)旋翼槳葉載荷標(biāo)定方法在某直升機(jī)載荷測(cè)試中得到了全面應(yīng)用，載荷測(cè)試結(jié)果證明此方法是科學(xué)、高效的。

通過(guò)此方法給出的標(biāo)定載荷方程，可變換得到直升機(jī)在飛行過(guò)程中更為精確的實(shí)測(cè)旋翼槳葉的揮舞彎矩、擺振彎矩和扭矩彎矩的載荷時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，為整個(gè)直升機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中的載荷計(jì)算、載荷譜編制、旋翼各部件的損傷情況、旋翼槳葉部件的定壽提供更加精準(zhǔn)的飛行載荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1991.

［2］余詢.一種高效的槳葉載荷標(biāo)定方法［J］.直升機(jī)技術(shù)，2001(2):18.

［3］劉正江，陳煥，等.模型槳葉標(biāo)定技術(shù)研究［J］.直升機(jī)技術(shù)，2009(3).

［4］劉守慎.旋翼槳葉載荷確定技術(shù)［C］.CHS-05，1989:443～452.