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        尾槳升降轉(zhuǎn)速自然激勵固有頻率識別方法研究

        2019-06-19 07:15:54王正峰趙文梅李燕秀
        直升機(jī)技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:尾槳激振器旋翼

        王正峰,趙文梅,李燕秀

        (1.海軍駐南昌地區(qū)軍事代表室,江西 南昌 330001;2.中國直升機(jī)設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

        0 引言

        直升機(jī)尾槳固有頻率是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計中一個重要的參數(shù),它直接影響尾槳性能甚至全機(jī)振動水平,因此在設(shè)計階段需要合理配置尾槳各階模態(tài)頻率。由于受尾槳構(gòu)型和具體結(jié)構(gòu),復(fù)合材料的分散性及工藝不穩(wěn)定性,孤立旋翼動力學(xué)計算時未考慮機(jī)身、扭振系統(tǒng)等因素的影響,尾槳固有頻率理論計算結(jié)果與實(shí)際值可能存在一定的偏差,故通過尾槳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)動特性試驗(yàn)測試尾槳固有頻率成為尾槳研制工作的重要環(huán)節(jié)之一,也為后續(xù)設(shè)計改進(jìn)、改型提供試驗(yàn)依據(jù)。

        國內(nèi)外旋翼學(xué)者對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下旋翼固有特性測試工作開展了廣泛研究。文獻(xiàn)[1]-[6]分別對UH-1D、“虎”式直升機(jī)旋翼、S-76無軸承旋翼、“Comanche”無軸承旋翼、EC155旋翼、Yamaha R-50無人直升機(jī)旋翼開展了旋翼固有特性試驗(yàn),但上述文獻(xiàn)未提供固有頻率測試與識別的詳細(xì)方法。

        黃珺、鄧景輝等人[7]進(jìn)行了全尺寸旋翼固有特性測試工作,旋翼在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下通過自動傾斜器激振,對應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行分析,找出其固有頻率,針對旋翼試驗(yàn)中干擾因素多等特點(diǎn),提出了一種將時域數(shù)據(jù)分段處理的新方法。尹春望與黃建萍等人[8]采用激振器階梯式掃頻方式識別直升機(jī)動部件綜合系統(tǒng)動力特性,這種泛掃頻結(jié)合精掃頻的頻率識別技術(shù)既能避免識別頻率的遺漏,又能保證一定的試驗(yàn)精度。周云與胡和平[9]通過將固定坐標(biāo)系下的激勵位移信號與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的槳葉響應(yīng)信號同步采集、激勵位移信號坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、激勵響應(yīng)信號重采樣處理等步驟,發(fā)展了基于傳遞函數(shù)分析的旋轉(zhuǎn)槳葉固有頻率識別方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

        傳統(tǒng)旋翼動特性識別激勵輸入一般采用激振器[7-9],激振頻率一般小于50Hz??紤]直升機(jī)尾槳的轉(zhuǎn)速比較高,故某階固有頻率有可能比激振器激勵頻率大。為解決傳統(tǒng)激振器激勵方法不能識別高于50Hz尾槳頻率的問題,本文發(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,并通過某型機(jī)尾槳動特性試驗(yàn),進(jìn)行尾槳固有頻率識別分析與考核驗(yàn)證。

        1 升降轉(zhuǎn)速自然激勵固有頻率識別方法

        1.1 基本原理

        結(jié)合共振圖說明升降轉(zhuǎn)速自然激勵固有頻率識別方法的基本原理。圖1為某型機(jī)尾槳共振圖,隨著尾槳轉(zhuǎn)速變化,當(dāng)氣動諧波自然激振頻率與模態(tài)固有頻率重合時,必然引起共振。在共振圖中虛線為前8階氣動諧波,粗實(shí)線為前3階固有頻率比,虛線與實(shí)線的交點(diǎn)為理論共振點(diǎn)。試驗(yàn)過程中,共振在信號輸出上的表現(xiàn)是該階諧波分量的載荷突增,通過諧波分析識別出共振點(diǎn)以及對應(yīng)的諧波。圖1中圓點(diǎn)為識別出的共振點(diǎn),由于前三階固有頻率比曲線相隔較遠(yuǎn),共振點(diǎn)為哪階固有頻率很好判斷。

        圖1 某型機(jī)尾槳共振圖

        1.2 數(shù)據(jù)處理

        結(jié)合尾槳葉振型圖,在尾槳葉載荷敏感點(diǎn)貼電阻應(yīng)變片測量載荷,采用光電傳感器或磁傳感器測量尾槳的相鍵信號,載荷信號與相鍵信號同步采集。

        利用MATLAB軟件編譯數(shù)據(jù)處理分析源程序,主要包含三部分內(nèi)容:相鍵信號處理,采用傅里葉變換對載荷進(jìn)行諧波分析,繪制各階諧波隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。主要流程如圖2所示。

        圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

        1.3 共振點(diǎn)判斷準(zhǔn)則

        多次試驗(yàn)的結(jié)果峰值應(yīng)具有重復(fù)性,對于不具有重復(fù)性的幅頻曲線放棄不用。從圖3給出的某兩個信號重復(fù)性檢查可以看出,圖3(b)的重復(fù)性不好,放棄不用;圖3 (a)的一致性較好,可以進(jìn)行后續(xù)分析工作。因此識別共振點(diǎn)的第一個準(zhǔn)則:共振點(diǎn)應(yīng)具有重復(fù)性。

        圖3 信號重復(fù)性檢查示意圖

        將共振點(diǎn)在共振圖中標(biāo)出,如圖1所示,可以初步判斷共振點(diǎn)是哪階固有頻率。理論計算的振型圖與不同展向位置載荷測試點(diǎn)的相位對應(yīng)關(guān)系應(yīng)具有合理性,理論計算的振型二階導(dǎo)數(shù)圖與不同展向位置載荷測試點(diǎn)的幅值對應(yīng)關(guān)系應(yīng)具有合理性,此為共振點(diǎn)識別的第二個準(zhǔn)則。

        使用共振點(diǎn)判斷準(zhǔn)則,共識別出14個共振點(diǎn),如圖1圓點(diǎn)所示。

        1.4 額定轉(zhuǎn)速下固有頻率推算

        識別出的共振頻率一般是低轉(zhuǎn)速下的固有頻率,但最關(guān)心的是額定轉(zhuǎn)速下的固有頻率。如果某階固有模態(tài)在多個轉(zhuǎn)速下都有識別頻率,將多個頻率偏差進(jìn)行平均,然后將額定轉(zhuǎn)速下的理論計算值也做相同的偏移,認(rèn)為偏移后的頻率即為間接識別出的額定轉(zhuǎn)速下的固有頻率。

        2 識別技術(shù)驗(yàn)證

        2.1 試驗(yàn)過程簡介

        為驗(yàn)證所發(fā)展的基于升降轉(zhuǎn)速自然激勵的尾槳固有頻率識別方法的可行性,在某尾槳臺開展了某型機(jī)尾槳在不同升降轉(zhuǎn)速速率下的動特性試驗(yàn)。試驗(yàn)基本參數(shù)如下:

        1)試驗(yàn)共開展了三個不同升降轉(zhuǎn)速速率的動特性試驗(yàn),分別為5rpm/s,10rpm/s,20rpm/s,且每個升降轉(zhuǎn)速速率的試驗(yàn)重復(fù)3次;

        2)揮舞載荷測試剖面為185、310、845、970四個剖面,且擺振載荷測試剖面與揮舞載荷測試剖面相同,數(shù)據(jù)采樣率為2048次/s,尾槳額定轉(zhuǎn)速為1100rpm。

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

        從轉(zhuǎn)速激勵的原理來看,升降轉(zhuǎn)速速率越小,在共振點(diǎn)附近旋轉(zhuǎn)自激勵的次數(shù)越多,更易于識別出共振點(diǎn),但是載荷也更大,對槳葉的損傷越大,故確定合適的升降轉(zhuǎn)速速率非常必要。試驗(yàn)結(jié)果顯示,升降轉(zhuǎn)速速率為5rpm/s時,識別出的共振點(diǎn)共有14個,10rpm/s時識別出的共振點(diǎn)僅6個,20rpm/s識別出的共振點(diǎn)更少。圖4給出了不同升降轉(zhuǎn)速速率幅值的對比,可見5rpm/s的峰值比較突出,且信噪比與一致性較好,且最大載荷在槳葉可承受最大載荷范圍之內(nèi),因此采用5rpm/s的升降轉(zhuǎn)速速率能夠滿足試驗(yàn)需求。

        為考核基于升降轉(zhuǎn)速自然激勵固有頻率識別方法的有效性,在某型機(jī)尾槳臺架試驗(yàn)時,同時采用了傳統(tǒng)激勵器激振法進(jìn)行尾槳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)動特性試驗(yàn)。傳統(tǒng)激勵器激振方法只能識別出尾槳一階揮舞和一階擺振頻率(低于50Hz)。表1給出了采用本文方法及激勵器激振法獲得的試驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果對比分析。

        表1 某型機(jī)尾槳額定轉(zhuǎn)速下動特性試驗(yàn)值與理論值對比分析

        從表1的對比分析結(jié)果可以看出:

        1)采用本文方法與激勵器激振法的識別結(jié)果之尾槳一階揮舞和一階擺振頻率(低于50Hz)吻合較好;

        2)采用本文方法可以識別出揮舞二階固有頻率(高于50Hz),而受限于激振器激勵水平,激振法無法識別揮舞二階固有頻率,這也是本文方法的意義所在。

        圖4 不同升降轉(zhuǎn)速速率幅頻曲線對比

        3 結(jié)論與展望

        為彌補(bǔ)傳統(tǒng)激勵器激振固有頻率識別方法的不足,發(fā)展了一種基于升降轉(zhuǎn)速自然激勵法的尾槳固有頻率識別方法。詳細(xì)介紹了該方法的技術(shù)途徑,包括數(shù)據(jù)處理基本原理、MATLAB程序編寫、共振點(diǎn)判斷準(zhǔn)則及額定轉(zhuǎn)速下固有頻率推算等。通過某型機(jī)尾槳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)動特性試驗(yàn),驗(yàn)證升降轉(zhuǎn)速自然激勵法的尾槳固有頻率識別方法,并與采用激振器激勵法得到的頻率進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明該方法可行,識別結(jié)果可信。所發(fā)展的尾槳固有頻率識別方法研究屬于創(chuàng)新性的通用技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景,可廣泛應(yīng)用于各型號直升機(jī)尾槳研制。

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