陳丹丹，晏 峰

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

自動(dòng)傾斜器是直升機(jī)操縱系統(tǒng)及旋翼系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，直升機(jī)在空中飛行時(shí)的姿態(tài)調(diào)整及升力分配是通過(guò)旋翼的總距及周期變距操縱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些操縱都離不開自動(dòng)傾斜器［1-2］。自動(dòng)傾斜器大軸承是操縱過(guò)程中的重要承力組件，其性能對(duì)自動(dòng)傾斜器的使用壽命影響至關(guān)重要，任何組件失效都可能導(dǎo)致操縱系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴(yán)重影響直升機(jī)的安全［3-4］。自動(dòng)傾斜器大軸承的載荷特性分析，對(duì)直升機(jī)自動(dòng)傾斜器的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)有重要的意義。

由于自動(dòng)傾斜器大軸承位于旋轉(zhuǎn)環(huán)和不旋轉(zhuǎn)環(huán)之間，無(wú)法進(jìn)行飛行載荷實(shí)測(cè)，因此，大軸承載荷只能通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)獲得。本文通過(guò)對(duì)某型直升機(jī)自動(dòng)傾斜器變距拉桿飛行實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)的分析，對(duì)變距拉桿載荷模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并根據(jù)簡(jiǎn)化后的變距拉桿載荷模型以及大軸承實(shí)際承載特性，采用解析方法建立雙葉旋翼、三葉旋翼及多葉旋翼構(gòu)型的大軸承承載特性函數(shù)，給出了自動(dòng)傾斜器大軸承的載荷計(jì)算方法。

1 結(jié)構(gòu)及承載環(huán)境

目前，直升機(jī)上采用最普遍的是環(huán)式自動(dòng)傾斜器，主要由旋轉(zhuǎn)環(huán)、不旋轉(zhuǎn)環(huán)、大軸承、扭力臂、防扭臂、變距拉桿等部件組成［5］。

含大軸承的環(huán)式自動(dòng)傾斜器典型安裝環(huán)境如圖1所示，大軸承通過(guò)過(guò)盈配合的方式連接旋轉(zhuǎn)環(huán)與不旋轉(zhuǎn)環(huán)，其安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)與不旋轉(zhuǎn)環(huán)之間，槳葉傳遞來(lái)的鉸鏈力矩或助力器傳遞來(lái)的操縱載荷，通過(guò)大軸承在旋轉(zhuǎn)環(huán)與不旋轉(zhuǎn)環(huán)之間傳遞。

圖1 典型大軸承結(jié)構(gòu)及安裝環(huán)境

2 變距拉桿載荷模型簡(jiǎn)化

2.1 理論模型

操縱系統(tǒng)的外載荷來(lái)自槳葉的鉸鏈力矩，其與來(lái)自駕駛員（或助力器）的操縱力相平衡。槳葉上的鉸鏈力矩包括氣動(dòng)力矩、慣性力矩、摩擦力矩和離心力矩等，可用傅里葉級(jí)數(shù)表示：

其中，常數(shù)項(xiàng)M0傳遞至操縱系統(tǒng)形成不變的總距桿力，為靜載荷；幅值為Msn，Mcn的交變項(xiàng)傳遞至操縱系統(tǒng)形成交變的總距桿力，為動(dòng)載荷。

2.2 飛行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以某型直升機(jī)飛行實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，選取地面慢車、滑行及滑跑、懸?；剞D(zhuǎn)以及小速度平飛4種典型飛行狀態(tài)，對(duì)變距拉桿載荷進(jìn)行分析。每個(gè)飛行狀態(tài)取4 s載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，如圖2—5所示。

圖2 地面慢車狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖3 滑行及滑跑狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖4 懸?；剞D(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖5 小速度平飛狀態(tài)數(shù)據(jù)

4種飛行狀態(tài)的前三階頻率幅值對(duì)比如表1所示，二階幅值對(duì)一階幅值的比值為6%～15%，三階幅值對(duì)一階幅值的最大比值為10%～24%，可以看出變距拉桿動(dòng)載載荷以一階頻率為主，因此可用式（2）表示變距拉桿載荷。

表1 4種典型飛行狀態(tài)前三階頻率幅值對(duì)比

若不考慮鉸鏈力矩中的高階諧波量，則變距拉桿載荷可表示為：

3 大軸承載荷特性分析

自動(dòng)傾斜器大軸承在旋轉(zhuǎn)環(huán)與不旋轉(zhuǎn)環(huán)之間傳遞載荷，主要承受變距拉桿載荷在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的合成載荷，此載荷與助力器在不旋轉(zhuǎn)環(huán)上的合成載荷平衡。

由前述可知，變距拉桿載荷以一階頻率為主，高階諧波量在工程應(yīng)用中可忽略。同時(shí)假設(shè)槳葉為軸對(duì)稱且受均勻載荷，不存在氣動(dòng)干擾力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)推導(dǎo)［6］。

3.1 雙葉旋翼

雙葉旋翼構(gòu)型歷史悠久且較為特殊，因?yàn)闇p少了旋翼槳葉片數(shù)，使得旋翼結(jié)構(gòu)更加緊湊和輕便，槳葉與槳轂剛性連接，采用蹺蹺板鉸鏈同時(shí)代替揮舞鉸和擺振鉸，所以也叫半剛性旋翼，在輕小型直升機(jī)中較為常見(jiàn)。

建立如圖6所示的坐標(biāo)系，假設(shè)直升機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮暷鏁r(shí)針，旋翼轉(zhuǎn)速為ω，兩個(gè)變距拉桿軸力分別為T1，T2，旋轉(zhuǎn)一周的變距拉桿靜載荷為T0，動(dòng)載荷幅值為T，變距拉桿與旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂連接點(diǎn)的半徑為R，變距拉桿力T1在t=0時(shí)刻的初始相位角為α。

圖6 雙葉旋翼旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂載荷坐標(biāo)系

則某時(shí)刻t作用在旋轉(zhuǎn)環(huán)兩個(gè)支臂上的載荷分別為：

旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂載荷傳遞至大軸承所承受彎矩載荷為：

將式（3）代入式（4）可得：

可以看出，雙葉旋翼構(gòu)型的大軸承彎矩為隨轉(zhuǎn)速、變距拉桿初始相位角變化的周期函數(shù)，該載荷大小與變距拉桿動(dòng)載荷幅值和旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂節(jié)點(diǎn)半徑相關(guān)。

3.2 三葉旋翼

建立如圖7所示坐標(biāo)系，假設(shè)直升機(jī)3根變距拉桿軸力分別為T1，T2，T3，其余參數(shù)定義與3.1節(jié)一致。

圖7 三葉旋翼旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂載荷坐標(biāo)系

則作用在旋轉(zhuǎn)環(huán)3個(gè)支臂上的載荷分別為：

旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂載荷傳遞至大軸承所承受彎矩載荷為：

將式（7）代入式（8）可得：

對(duì)彎矩進(jìn)行合成后可得：

可以看出，變距拉桿傳遞至旋轉(zhuǎn)環(huán)上合成的彎矩載荷為一個(gè)常量，該載荷大小與變距拉桿動(dòng)載荷幅值和旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂節(jié)點(diǎn)半徑相關(guān)。

3.3 多葉旋翼

假設(shè)槳葉片數(shù)為n（n≥3），變距拉桿載荷分別為T1，T2……Tn，其余參數(shù)定義與3.1節(jié)一致。則作用在旋轉(zhuǎn)環(huán)n個(gè)支臂上的載荷分別為：

旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂載荷傳遞至大軸承所承受彎矩載荷為：

將式（11）代入式（12）可得：

對(duì)彎矩進(jìn)行合成后可得：

可以看出變距拉桿傳遞至旋轉(zhuǎn)環(huán)上合成的彎矩載荷為一個(gè)常量，該載荷大小與槳葉片數(shù)、變距拉桿動(dòng)載荷幅值和旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂節(jié)點(diǎn)半徑相關(guān)。

4 工程應(yīng)用

以某型五葉旋翼構(gòu)型直升機(jī)為例，其總重為G，旋翼半徑為L(zhǎng)，拉桿與旋轉(zhuǎn)環(huán)連接點(diǎn)半徑為0.076 7 m。選取11個(gè)飛行狀態(tài)，根據(jù)式（14），由變距拉桿動(dòng)載荷計(jì)算可得大軸承彎矩載荷如表2所示（所有參數(shù)均已無(wú)量綱化）。

表2 大軸承彎矩載荷

根據(jù)表2中大軸承彎矩載荷，進(jìn)行大軸承裝機(jī)選用，經(jīng)機(jī)隊(duì)實(shí)踐應(yīng)用表明，機(jī)上使用的大軸承滿足強(qiáng)度要求，該算法有效可行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)直升機(jī)自動(dòng)傾斜器變距拉桿載荷理論模型的簡(jiǎn)化和飛行實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)的分析以及對(duì)不同旋翼構(gòu)型自動(dòng)傾斜器旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂上載荷的推導(dǎo)，可以得出以下結(jié)論：

（1）直升機(jī)自動(dòng)傾斜器變距拉桿動(dòng)載荷主要成分為一階主旋翼頻率。

（2）雙葉旋翼直升機(jī)自動(dòng)傾斜器大軸承彎矩載荷為一個(gè)隨時(shí)間變化的周期函數(shù)。

（3）3片槳葉以上旋翼構(gòu)型的直升機(jī)自動(dòng)傾斜器大軸承彎矩載荷為一個(gè)與旋轉(zhuǎn)環(huán)支臂節(jié)點(diǎn)、變距拉桿軸力以及槳葉片數(shù)有關(guān)的常量。

（4）通過(guò)解析法得到自動(dòng)傾斜器大軸承載荷計(jì)算方法可用于指導(dǎo)大軸承的工程設(shè)計(jì)。