焦帥克， 耿麗松， 王澤峰， 鄭甲宏

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引 言

自從直升機(jī)首次被發(fā)明出來，直升機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，雖然全世界幾萬架直升機(jī)遍布于軍用、民用各個(gè)領(lǐng)域，但是直升機(jī)技術(shù)的潛力仍被開發(fā)得很少，與固定翼飛機(jī)技術(shù)相比仍有很大差距。飛機(jī)飛行壽命偏低，安全性不高是約束直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的因素之一。旋翼作為直升機(jī)的核心部件之一，其主要為直升機(jī)提供升力，從而使直升機(jī)穩(wěn)定的飛行[1]。因此，旋翼系統(tǒng)的安全性影響著直升機(jī)的飛行安全。直升機(jī)旋翼系統(tǒng)工作時(shí)，其有揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)等多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，這些自由度之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，旋翼系統(tǒng)會(huì)受周期載荷的作用，從而引起槳葉的疲勞，影響直升機(jī)的飛行安全[2-4]。因此，旋翼載荷測量是直升機(jī)技術(shù)必不可少的研究課題，如何準(zhǔn)確地測量出直升機(jī)的揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)等載荷顯得尤為重要[5]。

直升機(jī)部件載荷測量技術(shù)已經(jīng)十分成熟，許多直升機(jī)部件的變形已經(jīng)能夠準(zhǔn)確測量[6-7]，直升機(jī)的旋翼部件也是其測量的一部分。國內(nèi)外在直升機(jī)槳葉載荷測量技術(shù)方面有所研究，大多數(shù)對(duì)旋翼系統(tǒng)載荷測量一般采用電阻應(yīng)變計(jì)法[8]，通過標(biāo)定載荷和電橋輸出的關(guān)系，得到標(biāo)定曲線，將實(shí)測數(shù)據(jù)帶入該曲線反算出飛行載荷[9]。由于飛行載荷中存在揮—擺耦合，2000年，Bernard Y[10-11]針對(duì)某型直升機(jī)通過數(shù)值解耦的方法將揮舞、擺振載荷分離出來；2001年，余洵等[12]提出了一種高效的載荷標(biāo)定方法，通過理論分析的方法，認(rèn)為找出“最佳角度”更能減少載荷標(biāo)定的工作量；2009年，劉正江等[13]對(duì)模型槳葉載荷進(jìn)行標(biāo)定研究，為實(shí)際槳葉載荷標(biāo)定奠定基礎(chǔ)；2010年，余洵[14]對(duì)比分析了“數(shù)值解耦”和“物理解耦”方法的優(yōu)劣性；2012年，韓樹旺等[15]系統(tǒng)描述了飛行載荷的標(biāo)定方法，但未曾分析旋翼重力在載荷標(biāo)定過程中的影響；2014年，李永壽等[16]將“物理解耦”的方法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)上；2018年,王澤峰等[17]提出了一種槳葉預(yù)扭角的確定方法。

該文在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮分析了槳葉重力對(duì)載荷標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的影響，并為后續(xù)載荷標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中“預(yù)扭角”確定的過程中出現(xiàn)了一種“預(yù)扭角”隨旋轉(zhuǎn)方向的不同而不同的“偽現(xiàn)象”進(jìn)行了解釋分析，并對(duì)“錯(cuò)誤”數(shù)據(jù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)修正，說明了載荷標(biāo)定過程中槳葉的重量不可忽略，否則將會(huì)影響標(biāo)定曲線的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響飛行載荷數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，影響直升機(jī)的飛行安全。

1 應(yīng)變片的選擇與粘貼

為了測得更為準(zhǔn)確的主槳葉的載荷數(shù)據(jù)，選取合適的應(yīng)變片尤為重要。該文選用的是中航電測生產(chǎn)的應(yīng)變片，型號(hào)為BA350-2AA(9)-G150-JQC，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 應(yīng)變片的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)所給出的貼片剖面位置及類型，如圖1和表2所示?？芍灿?個(gè)剖面需要貼片，其中柔性梁上（AreaⅠ）有4個(gè)剖面（r=185 mm，r=265 mm，r=305 mm及r=550 mm剖面）；另外4個(gè)剖面位于槳葉上（r=650 mm，r=845 mm，r=970 mm及r=1 160 mm剖面）；r=1 500 mm為加載剖面。揮舞方向的彎矩載荷和擺振方向的彎矩載荷如圖1（b）所示。在柔性梁的r=185 mm，r=265 mm及r=305 mm剖面的中心位置的上下表面分別貼上一組平行片并組成全橋用于柔性梁揮舞彎矩的測量；柔性梁的前后表面分別貼上一組平行片并組成全橋用于柔性梁擺振彎矩的測量；在柔性梁r=550 mm剖面上下位置分別貼上一組扭矩片并組全橋用于柔性梁的扭矩測量。由槳葉的結(jié)構(gòu)可知，C字梁為主要承受揮舞載荷的部件，即槳葉的弦線處，應(yīng)在槳葉的r=845 mm，r=970 mm及r=1 160 mm剖面的上下表面分別貼上一組平行片并組成全橋用于槳葉揮舞彎矩的測量，但由于紅色區(qū)域（Area Ⅱ） 內(nèi)無法進(jìn)行貼片，故r=845 mm和r=970 mm的貼片位置需盡量靠近弦線處；由于槳葉的前后緣位置很薄無法進(jìn)行貼片工作，同理，這3個(gè)剖面的擺振片的貼片位置應(yīng)盡量靠近槳葉的前后緣；在槳葉r=560 mm剖面上下位置分別貼上一組扭矩片并組全橋用于槳葉的扭矩測量。

圖1 貼片位置及彎矩載荷方向示意圖

表2 貼片剖面位置與貼片類型

表2中每個(gè)剖面的類型分為四種，第一種代表該剖面貼有揮舞片，簡稱“揮舞”；第二種代表該剖面貼有擺振片，簡稱“擺振”；第三種代表該剖面貼有扭矩片，簡稱“扭矩”；第四種代表該剖面為加載剖面，簡稱“加載”。如若該剖面有某一類型的情況，則用“√”表明，如若沒有用“-”表明。

2 預(yù)扭角的測量

2.1 測試原理和裝置

直升機(jī)槳葉在正常工作狀態(tài)下，會(huì)存在揮舞運(yùn)動(dòng)和擺振運(yùn)動(dòng)。通常情況下，揮舞運(yùn)動(dòng)和擺振運(yùn)動(dòng)會(huì)相互影響，即兩種運(yùn)動(dòng)會(huì)相互耦合。故如何準(zhǔn)確測出槳葉某個(gè)剖面的揮舞彎矩和擺振彎矩尤為重要。槳葉載荷標(biāo)定是實(shí)測槳葉載荷最重要最基本的一個(gè)步驟，由圖2可知，若標(biāo)定槳葉擺振載荷時(shí)，當(dāng)槳葉豎直放置時(shí)，加載力的方向與剖面的中性軸存有一定的夾角 α，將角 α稱為預(yù)扭角，則加載力F不僅會(huì)使該剖面產(chǎn)生擺振彎矩還會(huì)產(chǎn)生揮舞彎矩。

圖2 擺振標(biāo)定加載

設(shè)加載端距計(jì)算剖面的距離為d，則該剖面的擺振彎矩為Mb=Fcosα·d，揮舞彎矩為Mh=Fsinα·d≈Fα·d。若想要得到更為準(zhǔn)確的標(biāo)定曲線則需要知道預(yù)扭角 α。

測量裝置如圖3所示，部件①是轉(zhuǎn)動(dòng)軸，用于調(diào)節(jié)加載方向與剖面中性軸之間的夾角；部件②是角度測量儀，用于測量旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度；③是待測試件，某型直升機(jī)的槳葉；④是槳葉根部的固定夾具；⑤是加載夾具。

圖3 測試裝置

一般預(yù)扭角都較小，基本都小于10°。本文槳葉自由端加載均為5 kg的砝碼，并以0°為起始點(diǎn)，2°步長旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，記錄每個(gè)角度下的揮舞應(yīng)變的輸出值，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度等于預(yù)扭角的大小時(shí)，中性軸與加載力的方向垂直，那揮舞應(yīng)變理論上應(yīng)為零，此時(shí)便能測出預(yù)扭角的大小。

2.2 未考慮重力的測量結(jié)果

槳葉載荷標(biāo)定方法中預(yù)扭角的確定過程若未考慮過槳葉自重對(duì)預(yù)扭角確定的影響會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，且會(huì)出現(xiàn)預(yù)扭角隨旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向不同而不同的偽現(xiàn)象，如圖 4 所示。圖 4（a）（b）（c）是3個(gè)剖面未考慮重量影響下的曲線，圖4（d）表明預(yù)扭角兩次實(shí)驗(yàn)明顯差別過大。

圖4 三個(gè)剖面的扭轉(zhuǎn)角測試分析圖

為了消除重力的影響，可以從兩個(gè)方面入手，一方面，從理論上分析，計(jì)算出重力的影響，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)修正；另一方面是從實(shí)驗(yàn)入手，每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度記錄一次零位（進(jìn)行清零操作）。

2.3 理論修正數(shù)據(jù)

第一次實(shí)驗(yàn)從10°位置轉(zhuǎn)到0°位置，如圖5（a）所示。由于只在初始位置（10°）進(jìn)行了一次清零操作，這時(shí)每個(gè)角度下對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)變值可由公式（1）表示；同理，第二次實(shí)驗(yàn)，如圖5（b）所示，可得到公式（2），其中 εi代 表i°時(shí)的真實(shí)應(yīng)變， ε1i代表第一次實(shí)驗(yàn)i°時(shí)，測量儀器的輸出值， εi°重力代表i°時(shí)重力產(chǎn)生的應(yīng)變值。

圖5 槳葉旋轉(zhuǎn)方向

用（1）式減去（2）式可得公式（3）：

令i=j，式子（3）變?yōu)槭阶樱?）：

由于當(dāng)F值一定時(shí)，近似有Mh∝α，且 ε ∝Mh，故 ε ∝ α，則得公式（5）：

令i=10可得，；令i=0可得，b1= ε10+ε0°重力-ε10°重力則得：

同理，得：

根據(jù)公式（4）計(jì)算得到3個(gè)剖面的差值，并做平均處理，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果代入公式（8）（9）計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，3個(gè)剖面的預(yù)扭角如圖6所示。從圖5可知經(jīng)過修正后的數(shù)據(jù)不再受旋轉(zhuǎn)方向的影響。預(yù)扭角是否計(jì)算準(zhǔn)確需要通過實(shí)驗(yàn)修正來驗(yàn)證。

表3 計(jì)算結(jié)果

圖6 數(shù)據(jù)修正后的預(yù)扭角

2.4 實(shí)驗(yàn)修正數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)修正也按照?qǐng)D5方式進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度就進(jìn)行清零操作計(jì)算結(jié)果如圖7所示。圖7（a）（b）（c）分別是 3 個(gè)槳葉剖面的預(yù)扭角擬合曲線，圖7（d）是兩次數(shù)據(jù)修正結(jié)果和兩次實(shí)驗(yàn)修正結(jié)果的比較，可以發(fā)現(xiàn)四次結(jié)果基本吻合，結(jié)果見表4。數(shù)據(jù)修正和實(shí)驗(yàn)修正結(jié)果相互印證，這說明經(jīng)過修正后的數(shù)據(jù)有效且具有一定的準(zhǔn)確性，可供后面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)使用。修正后的扭轉(zhuǎn)角存在一定偏差是可能是因?yàn)闃~的不均勻性以及在數(shù)據(jù)修正時(shí)候采用了線性插值引起了一定的誤差。

圖7 三個(gè)測試剖面的結(jié)果分析圖

表4 三個(gè)剖面四次扭轉(zhuǎn)角修正結(jié)果

3 擺振片的選擇

由第二小節(jié)內(nèi)容可知擺振片無法粘貼在槳葉的兩側(cè)，只能盡可能貼在靠近槳葉的前后緣處。首先在槳葉的上表面貼四分之一弦線處貼上一個(gè)應(yīng)變單片，作為應(yīng)變?nèi)珮驑蚵返?號(hào)應(yīng)變片，下表面對(duì)稱位置貼一個(gè)應(yīng)變單片作為2號(hào)應(yīng)變片；靠近槳葉后緣處，以1 cm為梯度布片，上表面布3個(gè)應(yīng)變片，下表面布3個(gè)應(yīng)變片，從這6個(gè)應(yīng)變片中找出應(yīng)變橋路中的2,4號(hào)應(yīng)變片，如圖8所示。

圖8 擺振片貼片示意圖

按照文獻(xiàn)[12]給出的方法進(jìn)行擺—揮解耦，揮舞加載載荷為 2 kg，擺振方向施加載荷 6 kg，，當(dāng)揮舞方向加載產(chǎn)生的應(yīng)變比上擺振方向加載的應(yīng)變小于“耦合系數(shù)”5%時(shí)，即認(rèn)為解耦成功，否則需根據(jù)測試結(jié)果重新解耦[16]。845剖面測量結(jié)果如表5，表6所示，其余2個(gè)剖面不再展示。

表5 845剖面擺振方向測量結(jié)果

表6 845剖面揮舞方向測量結(jié)果

由表7可知845剖面的擺振片的選片結(jié)果為1，2，3，5，其余兩個(gè)剖面選片過程與845剖面選片同理。

表7 選片結(jié)果

表7 選片結(jié)果

j i 3 4 5 6 7 8 3 - 5.21% 4.63% 47.45% 81.13% 47.77 4-16.94% 69.50% 94.81% 63.69%5 70.09% 96% 63.99%6-354.68% 926.19%-7 25 850%8--

4 標(biāo)定結(jié)果

槳葉和柔性梁的上的揮舞片、擺振片、扭轉(zhuǎn)片均貼好后，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖可發(fā)現(xiàn)槳葉和柔性梁標(biāo)定曲線均呈良好的線性，這表明把槳葉等效為彈性梁是基本正確的，同時(shí)側(cè)面反映了標(biāo)定結(jié)果的可靠性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)相同載荷狀態(tài)下槳葉越靠近根部槳葉所受的揮舞和擺振應(yīng)變?cè)酱?，這與彈性力學(xué)中的觀點(diǎn)一致；而柔性梁265剖面的受載最為嚴(yán)重，這與柔性梁的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。

圖9 槳葉載荷標(biāo)定結(jié)果

圖10 柔性梁標(biāo)定結(jié)果

5 結(jié)束語

該文在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一種偽現(xiàn)象，通過分析發(fā)現(xiàn)是由于槳葉重力的作用造成了這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，這表明在標(biāo)定過程中槳葉的重力影響是不能忽略的。該文從理論分析和實(shí)驗(yàn)測量兩方面入手，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，結(jié)果表明理論分析和實(shí)驗(yàn)測量基本吻合，理論和實(shí)驗(yàn)相互印證，這表明了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。最后，通過載荷標(biāo)定方法給出了旋翼柔性梁和槳葉的標(biāo)定曲線，曲線呈現(xiàn)良好的線性結(jié)果，該結(jié)果與理論分析一致，這也說明了標(biāo)定結(jié)果具有極高的可信度，為未來進(jìn)行飛行載荷測量提供依據(jù)。