一種直升機(jī)粘彈性阻尼器疲勞定壽的新方法

呂明月，李建偉，朱 勇，許名瑞

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.陸航駐景德鎮(zhèn)地區(qū)軍事代表室，江西 景德鎮(zhèn) 333002)

0 引言

阻尼器是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要功用是為槳葉的擺振運(yùn)動提供阻尼，從而防止因槳葉的擺振后退型模態(tài)與起落架耦合而引發(fā)地面共振以及與機(jī)體的耦合而引發(fā)空中共振[1]。阻尼器有摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈性阻尼器、液彈性阻尼器等多種形式。磨擦阻尼器使用維護(hù)不方便，可靠性差，因而很快就被后來發(fā)展起來的液壓阻尼器替代。液壓阻尼器雖然解決了許多磨擦阻尼器所無法克服的問題，但這種阻尼器也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量重、使用維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，使用受到很大的限制。隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了高阻尼硅橡膠和金屬混合夾層結(jié)構(gòu)的粘彈性阻尼器。這種阻尼器不僅結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，可靠性高，同時能夠滿足現(xiàn)代直升機(jī)對可靠性和維護(hù)性的高要求。此外，粘彈性阻尼器為槳葉擺振運(yùn)動提供阻尼的同時還為擺振運(yùn)動附加了擺振剛度，提高了旋翼的一階擺振固有頻率，從而有效地避開了可能的地面共振頻率。因此，粘彈性阻尼器在現(xiàn)代直升機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

板式阻尼器是粘彈性阻尼器常見的形式之一，安裝在槳葉支臂的上下表面，當(dāng)槳葉作擺振運(yùn)動時，金屬上下蓋板之間發(fā)生相對運(yùn)動，上下蓋板之間的高阻尼硅橡膠層產(chǎn)生剪切變形，從而為旋翼提供擺振方向的阻尼。本文以板式粘彈性阻尼器為例，提出了一種疲勞定壽新方法，通過理論推導(dǎo)及試驗(yàn)論證該方法真實(shí)可靠，可操作性強(qiáng)，大大提高了試驗(yàn)效率，為以后直升機(jī)粘彈性阻尼器的疲勞定壽積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 載荷譜

在直升機(jī)阻尼器定壽的工作中，載荷譜的確定是首要工作。通過旋翼操縱載荷計(jì)算可以得到阻尼器各個狀態(tài)下對應(yīng)的各級靜載和動載，結(jié)合飛行譜的時間比例，即可得到阻尼器的計(jì)算載荷譜。單個狀態(tài)內(nèi)通常會有不同重量的各級載荷，如表1所示。

表1 粘彈性阻尼器疲勞載荷譜

按照表1的載荷譜進(jìn)行加載會比較繁瑣。為簡化加載形式，需要將載荷譜單個狀態(tài)內(nèi)的各級載荷等效合成狀態(tài)內(nèi)的等效載荷，同時按重量譜的要求給出不同重量下的等效載荷譜，各個重量下等效載荷譜之間的比例要滿足重量譜的時間比例。

2 合譜方法

合譜方法是根據(jù)損傷等效原理將單個狀態(tài)內(nèi)對應(yīng)的各級載荷等效成一個等效載荷，該等效載荷造成的損傷與等效前的各級載荷造成的損傷相等。

2.1 靜載等效

靜載損傷等效采用“頻數(shù)均值處理”獲得，即某狀態(tài)的各級靜載荷乘以對應(yīng)的作用頻數(shù)，然后再取頻數(shù)均值。具體公式如下：

(1)

其中：Si，ni:第i狀態(tài)等效后的靜載及作用頻數(shù)；Sij，nij:第i狀態(tài)第j級靜載及作用頻數(shù)；K:載荷級數(shù)。

2.2 動載等效

動載的損傷等效公式需要進(jìn)行理論推導(dǎo)，借鑒復(fù)合材料S-N曲線方程為[2]：

(2)

其中：A，α：粘彈性材料S-N形狀參數(shù)；Sai：狀態(tài)內(nèi)第i級交變載荷；S∞：疲勞極限；Ni：結(jié)構(gòu)破壞時第i級交變載荷對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)損傷累計(jì)理論，粘彈性阻尼器總的疲勞損傷D用相應(yīng)的“循環(huán)比”來表示：

(3)

根據(jù)式(2)和式(3)可推導(dǎo)出：

(4)

將載荷譜的各級載荷等效成Saeq，結(jié)合式(1)、式(2)可得等效載荷造成的損傷如式(5)所示：

(5)

由D=D′可知：

(6)

其中：m：狀態(tài)內(nèi)交變載荷總級數(shù)。

2.3 算例

某直升機(jī)旋翼粘彈性阻尼器的載荷譜，結(jié)合旋翼轉(zhuǎn)速得到對應(yīng)5h壽命的阻尼器載荷譜，如表2所示。

表2 阻尼器載荷譜(5h壽命)

大重量(2000kg)與小重量(1400kg)在重量譜中的時間比例為4：1，為了方便加載，可以將大重量的作用次數(shù)除以4，這樣兩個重量的作用次數(shù)一致。這樣表2的載荷譜等效合譜成為1個小重量A譜和4個大重量B譜。即A+4B加載程序與阻尼器5h壽命載荷譜等效(表3、表4)。

表3 載荷A譜(小重量1400 kg)

表4 載荷B譜(大重量2000 kg)

3 壽命試驗(yàn)

將2.3節(jié)算例中的阻尼器安裝在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，模擬真實(shí)裝機(jī)狀態(tài)設(shè)計(jì)一套專用試驗(yàn)夾具，把兩件阻尼器同時固定在材料試驗(yàn)機(jī)上。根據(jù)旋翼轉(zhuǎn)速確定加載頻率為7Hz，試驗(yàn)加載示意圖如圖1所示。

橡膠材料疲勞試驗(yàn)時，會出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。溫度過高會嚴(yán)重影響阻尼材料的性能指標(biāo)。試驗(yàn)環(huán)境溫度應(yīng)保持室溫，并且對試件使用風(fēng)扇加速空氣流動。

試驗(yàn)開始前和試驗(yàn)過程中每完成10個耐久性疲勞試驗(yàn)程序塊，進(jìn)行一次阻尼器基本性能測試，包括靜剛度K0，動態(tài)彈性剛度K′，阻尼剛度K″，損耗角α。

圖1 疲勞試驗(yàn)加載裝置示意圖

根據(jù)阻尼器出廠時的性能指標(biāo)(7Hz±1mm，彈性剛度K′=380±20%N/mm，損耗角α≥26°)，試驗(yàn)結(jié)束的判據(jù)定為動態(tài)彈性剛度K′變化下降超過20%或者阻尼器外觀出現(xiàn)明顯損傷[3]。

4 結(jié)果與分析

在完成500h(100個加載譜塊)疲勞壽命試驗(yàn)后，對阻尼器進(jìn)行剛度測試，若動態(tài)彈性剛度變化超過20%，終止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

橡膠材料出廠后隔一段時間就會出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，硬化的材料不能達(dá)到阻尼器性能指標(biāo)要求。本文選取做完2個加載譜塊后的阻尼器動態(tài)剛度值作為對比的初始值。

由于損耗角等于阻尼剛度與彈性剛度之比的反正切，對于小位移時彈性剛度上升，阻尼剛度下降會導(dǎo)致?lián)p耗角降低。

表5 阻尼器疲勞試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

通過損傷等效原理將載荷級數(shù)較為繁瑣的載荷譜進(jìn)行簡化合譜，在理論及工程試驗(yàn)中均可以實(shí)現(xiàn)，該方法對試驗(yàn)過程中的載荷加載級數(shù)進(jìn)行了簡化，既能夠完整保留原始的損傷累積，獲得真實(shí)有效的疲勞壽命，又極大地節(jié)省了試驗(yàn)時間，提高了效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武坤楊,衛(wèi) 東,等. 旋翼液彈阻尼器模型試驗(yàn)與非線性動力學(xué)特性分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,43(3)：318-323.

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[3] 徐 新，彭江水.直升機(jī)旋翼粘彈性阻尼器性能試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)[J].直升機(jī)技術(shù),2007(3):92-95.