基于叶间布置的球柔性缩比模型桨毂阻尼器设计与分析

赵 青，黄文俊，杨广勇

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

粘弹阻尼器采用高强度、高阻尼、抗疲劳的硅橡胶与金属粘结的夹层结构，高阻尼硅橡胶材料的剪切变形会提供相应的弹性刚度和阻尼刚度。在五支臂球柔性缩比模型旋翼设计研究中，粘弹阻尼器的设计不仅在尺寸上要满足与相关零件的运动协调，在弹性刚度性能上满足旋翼动力学要求，还要在阻尼刚度性能上满足模型旋翼阻尼特性与模型试验台架的刚度、阻尼特性协调，避免“地面共振”。本文将在性能设计时充分考虑“地面共振”的稳定裕度对粘弹阻尼器阻尼刚度范围的要求，以及旋翼动力学对粘弹阻尼器弹性刚度的要求，快速准确地选定粘弹阻尼器的性能参数。

1 粘弹阻尼器设计方法

粘弹阻尼器的设计重点是其弹性刚度和阻尼刚度要综合考虑旋翼动力学和“地面共振”的要求。之前的设计是在确定粘弹阻尼器弹性刚度的基础上，通过选择一定损耗角的橡胶材料，推算其阻尼刚度代入“地面共振”计算，确定是否满足“地面共振”要求。若不满足要求，重新设计损耗角和阻尼刚度，设计反复直至满足“地面共振”要求。

本文拟采用直接设计法，粘弹阻尼器阻尼刚度根据计算直接选定。利用某模型旋翼装4米模型旋翼试验台桨毂中心动特性试验数据，结合模型旋翼特性数据，直接确定满足“地面共振”要求的阻尼刚度范围，避免设计反复。

1.1 粘弹阻尼器结构布置设计

由于多支臂的模型桨毂尺寸小，零部件空间位置难以布置，结构之间容易发生运动干涉，在设计阻尼器结构尺寸时，应充分考虑以上因素。

五支臂球柔性缩比模型旋翼中粘弹阻尼器采用叶间布置。相比传统常规式布置，在既定的桨毂半径的条件下结构布置的空间大;粘弹阻尼器的作用力臂大;在桨叶集合型运动时粘弹阻尼器不会产生额外的载荷。

粘弹性阻尼器旋转平面节点布置，主要考虑桨叶在运动包线范围内，阻尼器不与摇臂发生任何干涉，并应留有至少8mm的运动间隙。根据这一原则，应进行空间运动协调，初步选定阻尼器旋转平面节点位置，确定球轴承中心到阻尼器的力臂L。

1.2 粘弹阻尼器弹性刚度设计

粘弹阻尼器主要的功能是为旋翼桨叶的摆振运动提供足够的阻尼，防止发生“地面共振”。但是由于橡胶材料本身的粘弹性特性，在提供结构阻尼的同时会附加弹性刚度，从而影响旋翼的摆振一阶频率，如下式所示［1］:

对于球柔性桨毂，桨毂支臂的摆振角刚度kδ是由弹性轴承的摆振角刚度kδ1和阻尼器的摆振角刚度kδ2并联。阻尼器的摆振角刚度可以用阻尼器的摆振线刚度进行等价换算。

根据缩比旋翼的结构尺寸参数，可以得到如图1所示摆振一阶频率随着当量摆振约束刚度的变化规律，考虑到模型旋翼的气弹稳定性要求和原旋翼动力相似的频率比要求，初步选定摆振一阶频率为0.5 ～0.6Ω［2］。

图1 摆振一阶频率随着当量摆振约束刚度的变化图

1.3 粘弹阻尼器阻尼刚度设计

在一阶摆振频率初步确定的条件下，尽可能提高阻尼器的阻尼值，避免“地面共振”的发生。根据阻尼器弹性刚度以及旋翼动力学特性数据、旋翼试验台桨毂中心动特性试验数据以及相互传递函数关系，计算得到粘弹阻尼器的阻尼刚度可行范围。

针对不同的粘弹阻尼器状态进行计算，得到模态阻尼曲线如图2、图3所示。

图2 天平锁紧状态下不同阻尼器刚度下模态阻尼曲线

图3 天平松开状态下不同阻尼器刚度下模态阻尼曲线

由图2、图3可知，随着阻尼器状态的增大，试验台的“不稳定性”趋向于稳定以及高频。随着阻尼器状态的改变，对应试验台的模态阻尼都小于零，试验台是稳定的，均满足稳定性要求。因此在粘弹阻尼器参数计算值变化60%～140%范围内的阻尼刚度为可行。

由于粘弹性阻尼器的弹性体具有高阻尼的特性，因此其力与位移存在相位差，力落后位移一定的相位。当粘弹性材料受到剪切变形时，材料的分子结构产生内磨擦，当材料受到一定频率的变形时，内摩擦力在相位上滞后变形90°，起到阻尼作用。

因此，由橡胶材料本身的特性决定的损耗角α为:

1.4 粘弹阻尼器结构尺寸设计

在初步确定粘弹阻尼器弹性刚度和阻尼刚度性能参数的基础上，确定其结构几何尺寸。由弹性刚度的经验公式［3］，可得到:

图4 粘弹性阻尼器结构示意图

橡胶材料的剪切弹性模量G=0.76 N/mm2，如图4所示，R1、R2、L分别为橡胶层的内径、外径和长度。在保证粘弹阻尼器作用力臂以及性能参数要求的基础上，合理选择橡胶的长度及厚度。

2 粘弹阻尼器设计结果及分析

2.1 性能参数和结构设计结果

根据上一节的粘弹阻尼器设计方法，以及五支臂球柔性缩比模型旋翼结构参数，确定粘弹阻尼器的性能参数及结构尺寸如表1所示。

表1 阻尼器的性能参数及结构尺寸

2.2 旋翼动力学计算分析

根据CAMRADⅡ软件动力学的计算结果，得到旋翼阻尼特性随着总距的变化图，见图5。

图5 旋翼阻尼特性随总距变化

旋翼动力学计算结果分析表明，旋翼在总距变化范围内是稳定的。

2.3 “地面共振”计算分析

对4米模型旋翼试验台装球柔性缩比模型旋翼“地面共振”稳定性进行了计算。图6、图7示出了大预紧力加两层垫片天平锁紧、松开状态下的典型的“地面共振”稳定性曲线;

图6 天平锁紧状态时特征值实部随转速的变化

图7 天平松开状态时特征值实部随转速的变化

根据4米模型旋翼试验台装球柔性缩比模型旋翼“地面共振”计算结果，可以看出:额定转速范围内，球柔性缩比模型旋翼装4米模型旋翼试验台不存在地面共振不稳定性区域。

3 结论

本文建立了快速确定缩比模型桨毂阻尼器性能参数和结构尺寸的工程设计方法，减少设计反复，提高设计效率，并应用于叶间布置的五支臂球柔性缩比模型桨毂阻尼器的设计中，通过对粘弹阻尼器设计参数的选择，解决了模型桨毂尺寸小，难布置，易发生运动干涉的问题，并避免了与4米模型旋翼试验台的“地面共振”。

［1］张呈林.张晓谷.郭士龙，等.直升机部件设计［M］.南京:航空专业教材编审组，1986.

［2］江民标.李满福.新型粘弹阻尼器及其模具设计研究［J］.直升机技术，2007(3):69-72.

［3］Potter J.粘弹性阻尼器在旋翼系统中的应用［J］，Journal of the AHS，1973(1).