章猛 郭聰 楊月

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 概述

阻尼器是一種提供運(yùn)動(dòng)阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置。早在幾十年前，阻尼器就廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍工、機(jī)械等行業(yè)，二十世紀(jì)七十年代后，人們開始逐步將其應(yīng)用到建筑、橋梁、鐵路等結(jié)構(gòu)工程中，發(fā)展十分迅速。阻尼器有摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈性阻尼器和液彈性阻尼器等多種形式[1]。粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和金屬粘結(jié)的一種結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、重量輕、生產(chǎn)工藝和裝配協(xié)調(diào)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在上世紀(jì)八十年代就應(yīng)用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)，是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[2]。

圓盤式粘彈性阻尼器是為槳葉擺振運(yùn)動(dòng)提供阻尼的一種專用結(jié)構(gòu)阻尼器。阻尼器通過螺栓固定在直升機(jī)旋翼支臂袖套上，如圖1所示，當(dāng)槳葉驅(qū)動(dòng)支臂產(chǎn)生擺振方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于袖套在擺振方向是剛硬的，會(huì)帶動(dòng)阻尼器產(chǎn)生沿支臂擺振方向的相對運(yùn)動(dòng)。在直升機(jī)旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測量該相對運(yùn)動(dòng)位移對旋翼的安全監(jiān)控和阻尼效果分析具有非常重要的意義。

以往直升機(jī)試驗(yàn)中，阻尼器位移的測量對象為固定在旋翼槳轂支臂和槳轂中央件之間或者固定在兩套支臂之間的圓筒式阻尼器，這種阻尼器的的運(yùn)動(dòng)方式為沿其自身軸線進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。針對這種阻尼器位移的測量方式往往采用激光位移傳感器及擋板測量阻尼器兩端固定點(diǎn)的相對位移，該方法不適合于圓盤式阻尼器位移測量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

2.1 直線位移傳感器工作原理

直線位移傳感器又稱電阻尺,碳膜尺,電子尺，由電刷組件、電氣連接、軸承、阻軌、電阻元件、外殼（經(jīng)過陽極氧化鋁）組成，如圖2 所示，其內(nèi)置導(dǎo)電塑料測量單元壽命長無溫漂，外殼表面經(jīng)過陽極處理是可以防腐蝕的，一般兩端都有一點(diǎn)緩沖的行程。其特點(diǎn)是壽命長、線性好、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和受環(huán)境影響小。

其原理簡單,通常將可變的電阻滑軌定置在傳感器固定的部位,通過電刷滑動(dòng)來改變碳膜尺的阻值從而得到位移對應(yīng)的阻值。

2.2 傳感器安裝工裝設(shè)計(jì)

傳感器安裝工裝主要由傳感器固定支架和擋板組成，如圖3 所示，傳感器固定支架將直線位移傳感器安裝在圓盤式阻尼器的上表面，擋板安裝在旋翼支臂的袖套上，測量阻尼器沿旋翼支臂擺振方向的相對運(yùn)動(dòng)，安裝時(shí)必須保證傳感器的頂桿朝旋翼支臂的擺振方向并且與擋板接觸面垂直，最大程度上消除測量誤差。由于是安裝在旋轉(zhuǎn)部件上，采用開口銷和保險(xiǎn)絲雙重防松方式，并且試驗(yàn)前對安裝工裝進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保試驗(yàn)的安全性。

圖1：圓盤式粘彈性阻尼器安裝示意圖

圖2：直線位移傳感器

圖3：傳感器安裝工裝

表1：試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)

圖4：試驗(yàn)原理

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，在貼好電阻應(yīng)變片的相對的兩個(gè)主旋翼支臂的上下翼面各安裝一個(gè)直線位移傳感器用于測量阻尼器位移，并進(jìn)行旋翼系統(tǒng)的錐體動(dòng)平衡調(diào)整。試驗(yàn)機(jī)在飛行狀態(tài)下提升主槳總距并改變周期變距，在不同狀態(tài)下采集阻尼器位移數(shù)據(jù)、主旋翼系統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)與阻尼器曲桿剪力數(shù)據(jù)，試驗(yàn)原理如圖4 所示，當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槳葉在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)擺動(dòng)，而粘彈性橡膠層則產(chǎn)生往復(fù)的剪切變形，從而產(chǎn)生內(nèi)阻尼來提供所要求的擺振阻尼，以防止旋翼系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。通過同步采集阻尼器相對旋翼支臂的剪切位移和曲桿剪力從而分析圓盤式粘彈性阻尼器的性能。

完成以表1 狀態(tài)的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)時(shí)為常溫常壓，每個(gè)狀態(tài)下尾槳為中立狀態(tài)且穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不低于2 分鐘。

試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中全程對阻尼器位移，主槳葉、袖套、柔性梁、阻尼器曲桿、變距拉桿、主旋翼軸上的載荷數(shù)據(jù)，旋翼轉(zhuǎn)速、總距、縱橫向周期變距等操縱數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控及存儲(chǔ)。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 阻尼器性能參數(shù)

產(chǎn)生單位變形所需的動(dòng)態(tài)力叫動(dòng)剛度。

式中：F——?jiǎng)討B(tài)力N；δ——變形幅值mm；K——?jiǎng)觿偠萅/mm

動(dòng)剛度分為動(dòng)態(tài)彈性剛度和阻尼剛度。

產(chǎn)生單位變形所需的動(dòng)態(tài)彈性力叫動(dòng)態(tài)彈性剛度。[3]

式中：F＇——?jiǎng)討B(tài)彈性力N；K＇——?jiǎng)討B(tài)彈性剛度N/mm

產(chǎn)生單位變形所需的阻尼力叫阻尼剛度。

式中：F＂——阻尼力N；K＂——阻尼剛度N/mm

損耗角：tgα=F＂/F＇

3.2 阻尼器位移數(shù)據(jù)處理

測量記錄數(shù)據(jù)為工程量，采樣率為2000Hz，按時(shí)間周期分別給出靜值與動(dòng)值。其中靜、動(dòng)值計(jì)算方法如下：

其中：Vmax：一段時(shí)間周期內(nèi)的最大值；Vmin：一段時(shí)間周期內(nèi)的最小值；

四個(gè)直線位移傳感器測量的阻尼器位移數(shù)據(jù)如圖5 所示,四組數(shù)據(jù)位移波形相似，可證明數(shù)據(jù)的有效性。阻尼器位移數(shù)值不同是因?yàn)楦髯枘崞鳡顟B(tài)、安裝位置和試驗(yàn)件狀態(tài)不一樣，而導(dǎo)致位移數(shù)值有所區(qū)別。位移正負(fù)波動(dòng)則是由于總距的改變使得旋翼的扭轉(zhuǎn)角產(chǎn)生變化，導(dǎo)致阻尼器受力方向發(fā)生改變。其中(a)、(c)是同一旋翼上下翼面的阻尼器位移數(shù)據(jù)，(b)、(d)另一旋翼上下翼面的阻尼器位移數(shù)據(jù)。

產(chǎn)生(a)、(c)兩組數(shù)據(jù)的兩個(gè)阻尼器所受的曲桿剪力如圖6 所示，曲桿剪力和阻尼器位移越大，阻尼器做的功量就越大。經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析可得，直升機(jī)在飛行狀態(tài)下，增加總距，直升機(jī)上升，阻尼器做的功量增加，但是阻尼器的彈性剛度降低，性能變差，損耗加大。總距不變時(shí)增加縱向周期變距，直升機(jī)前飛，阻尼器做的功量增加，彈性剛度降低。

3.3 位移參數(shù)誤差分析

位移參數(shù)數(shù)據(jù)誤差要求優(yōu)于±3%。

位移數(shù)據(jù)誤差主要來源于傳感器誤差及測試儀器誤差。傳感器誤差D1優(yōu)于±0.5%，測試儀器D2誤差優(yōu)于±0.5%，總的誤差為：

滿足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)通過自主設(shè)計(jì)工裝，安裝直線位移傳感器和電阻應(yīng)變片直升機(jī)旋翼支臂上，并進(jìn)行不同狀態(tài)下的直升機(jī)地面試驗(yàn)，測量圓盤式粘彈性阻尼器在擺振方向的位移和曲桿剪力。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直線位移傳感器在直升機(jī)飛行狀態(tài)下測量效果良好，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出該方法測量得到的信號準(zhǔn)確，滿足直升機(jī)旋翼圓盤阻尼器性能測試的測量需求，設(shè)計(jì)的安裝工裝安全可靠，首次實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)旋翼使用的圓盤式粘彈性阻尼器在直升機(jī)旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的位移測量，可應(yīng)用于今后同類直升機(jī)旋翼運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)阻尼器的安全監(jiān)控以及阻尼效果分析。

圖5：阻尼器位移

圖6：曲桿剪力