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

0.引言

近年來(lái)，在我國(guó)綜合國(guó)力快速增強(qiáng)的背景下，我國(guó)直升機(jī)型號(hào)研制呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，涌現(xiàn)出了以球柔性旋翼直升機(jī)為主要代表的諸多種新機(jī)型[1]，促使直升機(jī)疲勞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展更上新臺(tái)階。球柔性旋翼與傳統(tǒng)鉸接式旋翼最大的區(qū)別在于前者采用彈性鉸代替了由金屬軸承構(gòu)成的揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸[2]，彈性鉸的應(yīng)用使得球柔性槳轂具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、免潤(rùn)滑、視情維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。而剛性旋翼直升機(jī)的旋翼取消了揮舞和擺振鉸，只保留了變距鉸，且槳葉根部剛性地固結(jié)在槳轂上，因此，其動(dòng)力學(xué)特性與球柔性旋翼有較大不同[4]。

槳轂連接件是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中的典型復(fù)雜動(dòng)部件[5]，由槳葉傳過來(lái)的復(fù)雜載荷通過連接件傳遞到槳轂上，其受力情況非常復(fù)雜，承受著槳葉傳來(lái)的全部載荷，疲勞破壞為主要的失效模式[6]。在剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)中，離心力有多種加載方式，本文針對(duì)直升機(jī)剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)的載荷特點(diǎn)，探究了兩種離心力加載方法，并通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試，對(duì)比研究了兩種離心力加載方式對(duì)槳葉對(duì)接面中心揮舞和擺振彎矩的影響。

1.試驗(yàn)概況

剛性槳轂連接件受力情況和載荷坐標(biāo)系如圖1所示，坐標(biāo)系OXYZ為右手笛卡爾直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于槳葉對(duì)接面中心，X軸正方向指向翼尖，Y軸正向指向變距拉桿耳片一側(cè)。試驗(yàn)包含6個(gè)載荷：（1）離心力Fc，作用在槳葉對(duì)接面中心，沿X軸正方向；（2）揮舞彎矩Mb，作用在槳葉對(duì)接面中心，以上表面受拉為正；（3）擺振彎矩Mt，作用在槳葉對(duì)接面中心，以變距拉桿耳片側(cè)受壓為正；（4）揮舞力Fb，作用在槳葉對(duì)接面中心，沿Z軸正方向；（5）擺振力Ft，作用在槳葉對(duì)接面中心，沿Y軸正方向；（6）變距拉桿力Fbdp，作用在變距拉桿中心點(diǎn)，拉桿受拉為正（沿Z軸正方向）。

圖1 剛性槳轂連接件受力情況示意圖

與常規(guī)旋翼不同，剛性旋翼因采用剛性槳葉，整個(gè)槳葉都要承受較大的彎矩，尤其是槳根處。因此，剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)載荷加載應(yīng)滿足槳葉對(duì)接面中心規(guī)定的彎矩和剪力要求，但因形狀和空間的限制，無(wú)法直接在槳葉對(duì)接面中心貼應(yīng)變片，需通過延伸出來(lái)的槳葉假件測(cè)量槳葉對(duì)接面中心的彎矩和剪力，后續(xù)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中將對(duì)貼片布置進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 貼片位置設(shè)計(jì)與標(biāo)定

（1）貼片位置設(shè)計(jì)。在槳葉假件上分別設(shè)計(jì)4組揮舞和擺振（Mb1～Mb4和Mt1～Mt4）彎矩應(yīng)變片，貼片位置如圖2所示，通過4組應(yīng)變片所在剖面的彎矩測(cè)量值插值計(jì)算可得到槳葉對(duì)接面中心處的彎矩和剪力。

圖2 槳葉假件貼片示意圖

（2）標(biāo)定。1）標(biāo)定方法：采用懸臂梁形式加載，即一端固定，在另一端某個(gè)剖面處施加揮舞/擺振力，測(cè)量應(yīng)變片的應(yīng)變值ε，通過力臂L計(jì)算得出槳葉假件上揮舞/擺振彎矩值與槳葉假件上彎矩應(yīng)變值的相關(guān)系數(shù)k。槳葉假件材料為30CrMnSiA，彈性模量E=206GPa，應(yīng)變片所在截面為圓形，直徑為d=110mm，由相關(guān)系數(shù)k的理論計(jì)算公式[7]：

2）標(biāo)定過程：在專用的揮舞/擺振標(biāo)定臺(tái)上，將槳葉假件一端固定，在另一端的某個(gè)剖面處通過液壓作動(dòng)器對(duì)槳葉假件施加揮舞力/擺振力F進(jìn)行標(biāo)定，如圖3所示。測(cè)量4個(gè)貼片剖面的應(yīng)變值，重復(fù)加載多次取平均值，計(jì)算出揮舞/擺振彎矩值與應(yīng)變值的相關(guān)系數(shù)k，如表1所示。

表1 標(biāo)定結(jié)果

圖3 槳葉假件標(biāo)定示意圖

由表1可知，各剖面標(biāo)定值與理論計(jì)算值的誤差均小于3%，因此，標(biāo)定結(jié)果有效。在誤差允許范圍內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果滿足剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)要求。

2.2 加載方案設(shè)計(jì)

（1）離心力加載設(shè)計(jì)，采用遠(yuǎn)端和近端兩種離心力加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，研究剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)中離心力加載對(duì)揮舞和擺振加載的影響。

方案1：遠(yuǎn)端加載。如圖4所示，離心力施加在槳葉假件遠(yuǎn)離槳葉銷孔的末端，采用單股鋼絲繩沿槳葉假件軸線方向加載，該加載方式的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、拆卸。缺點(diǎn)：?jiǎn)喂射摻z繩受間歇載荷時(shí)會(huì)發(fā)生扭曲纏繞，且會(huì)改變槳葉假件的整體剛度，可能對(duì)作用在槳葉假件上的揮舞和擺振力造成影響。

圖4 離心力遠(yuǎn)端加載示意圖

方案2：近端加載。如圖5所示，離心力施加在槳葉假件兩個(gè)槳葉銷孔中心所在剖面，同時(shí)采用兩股鋼絲繩保證離心力加載沿槳葉假件軸線方向。該加載方式好處在于加載穩(wěn)定性好，對(duì)槳葉假件剛度影響小，不足之處是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易拆卸。

圖5 離心力近端加載示意圖

（2）其他相關(guān)設(shè)計(jì)。1）揮舞、擺振力和彎矩加載設(shè)計(jì)：在槳葉假件上設(shè)計(jì)揮舞和擺振加載點(diǎn)，通過液壓作動(dòng)器施加揮舞和擺振力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)規(guī)定剖面處的揮舞和擺振彎矩要求；2）變距拉桿加載設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)變距拉桿假件與剛性槳轂連接件耳片連接，變距拉桿力通過固定在試驗(yàn)臺(tái)架上的作動(dòng)器與變距假件連接實(shí)現(xiàn)加載，試驗(yàn)整體加載如圖6所示；3）試驗(yàn)控制系統(tǒng)：選用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，可以滿足試驗(yàn)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載和測(cè)量的要求。

圖6 剛性槳轂連接件疲勞試驗(yàn)整體加載示意圖

3.試驗(yàn)調(diào)試

3.1 調(diào)試結(jié)果

根據(jù)方案1和方案2中離心力的加載方式，分別對(duì)剛性槳轂連接件某階段低周載荷進(jìn)行了載荷調(diào)試、數(shù)據(jù)測(cè)量和采集，結(jié)果見表2、表3。

表2 離心力遠(yuǎn)端加載載荷調(diào)試結(jié)果

表3 離心力近端加載載荷調(diào)試結(jié)果

利用線性擬合法對(duì)表2和表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得力臂長(zhǎng)度與揮舞/擺振彎矩大小的關(guān)系曲線。采用離心力遠(yuǎn)端加載方案時(shí)，如圖7～圖10所示，揮舞彎矩/擺振彎矩與力臂長(zhǎng)度關(guān)系曲線表現(xiàn)為非線性關(guān)系，可見該加載方式下?lián)]舞/擺振加載出現(xiàn)了載荷異常情況（注：圖7～圖10中mean為平均值，amp為幅值，下同）。

圖7 離心力遠(yuǎn)端加載揮舞彎矩均值與力臂關(guān)系曲線

圖8 離心力遠(yuǎn)端加載擺振彎矩均值與力臂關(guān)系曲線

圖9 離心力遠(yuǎn)端加載揮舞彎矩幅值與力臂關(guān)系曲線

圖10 離心力遠(yuǎn)端加載擺振彎矩幅值與力臂關(guān)系曲線

若采用離心力近端加載方案，如圖11～圖14所示，揮舞彎矩/擺振彎矩與力臂長(zhǎng)度關(guān)系曲線為線性關(guān)系，且線性度較好。

圖11 離心力近端加載揮舞彎矩均值與力臂關(guān)系曲線

圖12 離心力近端加載擺振彎矩均值與力臂關(guān)系曲線

圖13 離心力近端加載揮舞彎矩幅值與力臂關(guān)系曲線

圖14 離心力近端加載擺振彎矩幅值與力臂關(guān)系曲線

通過插值法計(jì)算出槳葉對(duì)接面中心處的彎矩和剪力，其中，槳葉對(duì)接面中心揮舞/擺振彎矩即為揮舞/擺振彎矩與力臂關(guān)系曲線中力臂為零處的彎矩值，剪力則為曲線的斜率。槳葉對(duì)接面中心揮舞/擺振彎矩計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表4 離心力遠(yuǎn)端加載槳葉對(duì)接面中心揮舞/擺振彎矩計(jì)算結(jié)果

表5 離心力近端加載槳葉對(duì)接面中心揮舞/擺振彎矩計(jì)算結(jié)果

從表4和表5可以看出，離心力采用遠(yuǎn)端加載方式時(shí)，槳葉對(duì)接面中心揮舞彎矩的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較大，而擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值之間的差別更大，揮舞彎矩的實(shí)際測(cè)量值只有理論計(jì)算值的70%～85%；當(dāng)離心力采用近端加載方式時(shí)，槳葉對(duì)接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值均相差較小，且揮舞彎矩和擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值達(dá)到了理論值的97%～99.5%。

3.2 調(diào)試結(jié)果原因分析

針對(duì)離心力采用遠(yuǎn)端加載和近端加載兩種不同方式下載荷調(diào)試結(jié)果表現(xiàn)出的巨大差異，作出原因分析如下：

（1）離心力采用遠(yuǎn)端加載方式時(shí)，一方面離心力加載鋼絲繩直接作用在槳葉假件上，改變了槳葉假件在試驗(yàn)時(shí)的整體剛度；另一方面，槳葉假件在揮舞和擺振力的作用下將發(fā)生變形，從而改變了離心力的加載方向，導(dǎo)致離心力在揮舞和擺振方向產(chǎn)生分力，造成離心力在揮舞和擺振彎矩的耦合，即出現(xiàn)了揮舞/擺振彎矩與力臂長(zhǎng)度關(guān)系曲線線性關(guān)系異常的情況；（2）離心力采用近端加載方式時(shí)，離心力沒有直接加載在槳葉假件上，由此帶來(lái)的剛度影響不明顯，離心力加載沒有與揮舞和擺振力形成交叉耦合，沒有影響到揮舞彎矩和擺正彎矩的載荷分布，所以揮舞彎矩和擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值跟理論計(jì)算值一致，揮舞/擺振彎矩與力臂長(zhǎng)度關(guān)系曲線呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

4.結(jié)論

本文采用遠(yuǎn)端和近端兩種離心力加載方式，對(duì)比研究了離心力加載方式對(duì)槳葉對(duì)接面中心揮舞和擺振彎矩的影響，得出以下結(jié)論：

（1）離心力采用遠(yuǎn)端加載方式時(shí)，離心力會(huì)在揮舞和擺振方向產(chǎn)生分力，造成離心力在揮舞和擺振彎矩的耦合，導(dǎo)致槳葉對(duì)接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值相差較大；（2）離心力采用近端加載方式時(shí)，揮舞/擺振彎矩與力臂長(zhǎng)度關(guān)系曲線呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，槳葉對(duì)接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值一致。在試驗(yàn)誤差允許的條件下，離心力采用近端加載方式能達(dá)到理想的試驗(yàn)載荷分布規(guī)律，滿足試驗(yàn)加載要求。