基于直線位移傳感器對直升機旋翼圓盤阻尼器性能測試方法

章猛 郭聰 楊月

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

1 概述

阻尼器是一種提供運動阻力，耗減運動能量的裝置。早在幾十年前，阻尼器就廣泛應用于航天、航空、軍工、機械等行業，二十世紀七十年代后，人們開始逐步將其應用到建筑、橋梁、鐵路等結構工程中，發展十分迅速。阻尼器有摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈性阻尼器和液彈性阻尼器等多種形式[1]。粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和金屬粘結的一種結構，具有尺寸小、重量輕、生產工藝和裝配協調簡單等優點，在上世紀八十年代就應用于直升機旋翼系統，是直升機旋翼系統的關鍵部件[2]。

圓盤式粘彈性阻尼器是為槳葉擺振運動提供阻尼的一種專用結構阻尼器。阻尼器通過螺栓固定在直升機旋翼支臂袖套上，如圖1所示，當槳葉驅動支臂產生擺振方向運動時，由于袖套在擺振方向是剛硬的，會帶動阻尼器產生沿支臂擺振方向的相對運動。在直升機旋翼運轉時測量該相對運動位移對旋翼的安全監控和阻尼效果分析具有非常重要的意義。

以往直升機試驗中，阻尼器位移的測量對象為固定在旋翼槳轂支臂和槳轂中央件之間或者固定在兩套支臂之間的圓筒式阻尼器，這種阻尼器的的運動方式為沿其自身軸線進行往復運動。針對這種阻尼器位移的測量方式往往采用激光位移傳感器及擋板測量阻尼器兩端固定點的相對位移，該方法不適合于圓盤式阻尼器位移測量。

2 試驗設計及過程

2.1 直線位移傳感器工作原理

直線位移傳感器又稱電阻尺,碳膜尺,電子尺，由電刷組件、電氣連接、軸承、阻軌、電阻元件、外殼（經過陽極氧化鋁）組成，如圖2 所示，其內置導電塑料測量單元壽命長無溫漂，外殼表面經過陽極處理是可以防腐蝕的，一般兩端都有一點緩沖的行程。其特點是壽命長、線性好、重復性好、結構簡單、使用方便和受環境影響小。

其原理簡單,通常將可變的電阻滑軌定置在傳感器固定的部位,通過電刷滑動來改變碳膜尺的阻值從而得到位移對應的阻值。

2.2 傳感器安裝工裝設計

傳感器安裝工裝主要由傳感器固定支架和擋板組成，如圖3 所示，傳感器固定支架將直線位移傳感器安裝在圓盤式阻尼器的上表面，擋板安裝在旋翼支臂的袖套上，測量阻尼器沿旋翼支臂擺振方向的相對運動，安裝時必須保證傳感器的頂桿朝旋翼支臂的擺振方向并且與擋板接觸面垂直，最大程度上消除測量誤差。由于是安裝在旋轉部件上，采用開口銷和保險絲雙重防松方式，并且試驗前對安裝工裝進行強度校核，確保試驗的安全性。

圖1：圓盤式粘彈性阻尼器安裝示意圖

圖2：直線位移傳感器

圖3：傳感器安裝工裝

表1：試驗機運行狀態

圖4：試驗原理

2.3 試驗過程

試驗前，在貼好電阻應變片的相對的兩個主旋翼支臂的上下翼面各安裝一個直線位移傳感器用于測量阻尼器位移，并進行旋翼系統的錐體動平衡調整。試驗機在飛行狀態下提升主槳總距并改變周期變距，在不同狀態下采集阻尼器位移數據、主旋翼系統載荷數據與阻尼器曲桿剪力數據，試驗原理如圖4 所示，當旋翼轉動時，槳葉在旋轉平面內擺動，而粘彈性橡膠層則產生往復的剪切變形，從而產生內阻尼來提供所要求的擺振阻尼，以防止旋翼系統的不穩定運動。通過同步采集阻尼器相對旋翼支臂的剪切位移和曲桿剪力從而分析圓盤式粘彈性阻尼器的性能。

完成以表1 狀態的試驗機運轉，試驗時為常溫常壓，每個狀態下尾槳為中立狀態且穩定運轉時間不低于2 分鐘。

試驗機運轉過程中全程對阻尼器位移，主槳葉、袖套、柔性梁、阻尼器曲桿、變距拉桿、主旋翼軸上的載荷數據，旋翼轉速、總距、縱橫向周期變距等操縱數據進行監控及存儲。

3 數據處理及分析

3.1 阻尼器性能參數

產生單位變形所需的動態力叫動剛度。

式中：F——動態力N；δ——變形幅值mm；K——動剛度N/mm

動剛度分為動態彈性剛度和阻尼剛度。

產生單位變形所需的動態彈性力叫動態彈性剛度。[3]

式中：F＇——動態彈性力N；K＇——動態彈性剛度N/mm

產生單位變形所需的阻尼力叫阻尼剛度。

式中：F＂——阻尼力N；K＂——阻尼剛度N/mm

損耗角：tgα=F＂/F＇

3.2 阻尼器位移數據處理

測量記錄數據為工程量，采樣率為2000Hz，按時間周期分別給出靜值與動值。其中靜、動值計算方法如下：

其中：Vmax：一段時間周期內的最大值；Vmin：一段時間周期內的最小值；

四個直線位移傳感器測量的阻尼器位移數據如圖5 所示,四組數據位移波形相似，可證明數據的有效性。阻尼器位移數值不同是因為各阻尼器狀態、安裝位置和試驗件狀態不一樣，而導致位移數值有所區別。位移正負波動則是由于總距的改變使得旋翼的扭轉角產生變化，導致阻尼器受力方向發生改變。其中(a)、(c)是同一旋翼上下翼面的阻尼器位移數據，(b)、(d)另一旋翼上下翼面的阻尼器位移數據。

產生(a)、(c)兩組數據的兩個阻尼器所受的曲桿剪力如圖6 所示，曲桿剪力和阻尼器位移越大，阻尼器做的功量就越大。經數據處理分析可得，直升機在飛行狀態下，增加總距，直升機上升，阻尼器做的功量增加，但是阻尼器的彈性剛度降低，性能變差，損耗加大。總距不變時增加縱向周期變距，直升機前飛，阻尼器做的功量增加，彈性剛度降低。

3.3 位移參數誤差分析

位移參數數據誤差要求優于±3%。

位移數據誤差主要來源于傳感器誤差及測試儀器誤差。傳感器誤差D1優于±0.5%，測試儀器D2誤差優于±0.5%，總的誤差為：

滿足試驗要求。

4 結論

本次試驗通過自主設計工裝，安裝直線位移傳感器和電阻應變片直升機旋翼支臂上，并進行不同狀態下的直升機地面試驗，測量圓盤式粘彈性阻尼器在擺振方向的位移和曲桿剪力。通過試驗發現，直線位移傳感器在直升機飛行狀態下測量效果良好，經試驗數據分析，得出該方法測量得到的信號準確，滿足直升機旋翼圓盤阻尼器性能測試的測量需求，設計的安裝工裝安全可靠，首次實現了直升機旋翼使用的圓盤式粘彈性阻尼器在直升機旋翼運轉時的位移測量，可應用于今后同類直升機旋翼運轉時阻尼器的安全監控以及阻尼效果分析。

圖5：阻尼器位移

圖6：曲桿剪力