液-彈隔振器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

錢峰，程起有，代志雄

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所直升機(jī)旋翼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

直升機(jī)的主要振源是旋翼，旋翼振動載荷通過主減系統(tǒng)傳遞到機(jī)身，因此對直升機(jī)振動控制來說，通過主減隔振措施，降低振動載荷向機(jī)體傳遞是一種非常有效的方法[1-3]。先后發(fā)展并得到應(yīng)用的主減被動隔振技術(shù)主要有節(jié)點(diǎn)粱隔振、聚焦式隔振、動力反共振隔振幾種[4-9]。現(xiàn)階段，動力反共振隔振得以廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的動力反共振隔振器都是機(jī)械式結(jié)構(gòu)，需要杠桿擺臂，受制于運(yùn)動空間和可靠性，使用不便。液-彈隔振器通過液壓的放大作用來取代傳統(tǒng)動力反共振結(jié)構(gòu)的擺臂機(jī)構(gòu)，其更適合不同噸位的直升機(jī)，并且可靠性高，是當(dāng)前研究和使用的新技術(shù)。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者對液-彈隔振器進(jìn)行了一系列研究，Bell 公司與Lord 公司合作研制了主減液-彈隔振系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于Bell 427、Bell 430 等多個(gè)機(jī)型上；Dennis P.McGuire 對被動式、主動式液-彈隔振器研究情況進(jìn)行了介紹；龔亮設(shè)計(jì)了一種新的液-彈隔振器實(shí)現(xiàn)形式，并建立了動力學(xué)模型[10-17]。

筆者基于動力反共振原理完成了液-彈隔振器動力學(xué)建模，基于動力學(xué)方程的分析進(jìn)行了液-彈隔振器相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并對液-彈隔振器進(jìn)行了靜、動力學(xué)相關(guān)試驗(yàn)，得到了相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論。

1 液-彈隔振器動力學(xué)建模

動力反共振隔振在常規(guī)的彈簧、阻尼單元的基礎(chǔ)上附加了慣性元件，如圖1 所示。在進(jìn)行力激勵(lì)時(shí)，慣性元件m 運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力在特定的頻率上能抵消彈性力向隔振對象的傳遞，不考慮阻尼時(shí)，能達(dá)到傳遞率為0 的隔振效果，考慮阻尼時(shí)，傳遞率也很小。

圖1 反共振系統(tǒng)的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of anti-resonance system

液-彈隔振器采用動力反共振原理，利用高密度液體作為慣性元件，具有更大的放大比，同時(shí)其可設(shè)計(jì)成高靜態(tài)剛度，而且在所要求的隔振頻率下實(shí)現(xiàn)低動態(tài)剛度。

液-彈隔振器由內(nèi)筒、外筒及橡膠等組成，其原理如圖2 所示。對液-彈隔振器進(jìn)行建模分析，令隔振器上腔截面積為A，慣性通道截面積為B，下腔截面積為C,橡膠剛度系數(shù)為K，阻尼系數(shù)為c，慣性通道內(nèi)液體質(zhì)量為 2m，液體流動阻尼系數(shù)為 2C，上端附加質(zhì)量為 1M。

假設(shè)隔振器大頭端施加幅值為F的正弦力激勵(lì)，對應(yīng)的激勵(lì)幅值為 1x（向上為正），通道內(nèi)液體的位移為 2x（向上為正），隔振器小頭端固定，小頭端的約束反力為FC（向下為正）。上腔液體壓強(qiáng)相對于平衡狀態(tài)的增加值為P。

根據(jù)體積相等及牛頓運(yùn)動定律，通過推導(dǎo)，可以得到整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)方程：

圖2 液-彈隔振器原理Fig.2 Schematic diagram of fluidlastic isolator

根據(jù)推導(dǎo)可得隔振系統(tǒng)的力傳遞率為：

式中。式（5）、（6）中右端項(xiàng)即為動剛度，其中，實(shí)部為彈性剛度，虛部為阻尼剛度。

無阻尼情況下，令約束反力FC等于0 的頻率即為系統(tǒng)的隔振頻率，隔振頻率為：

液-彈隔振器中橡膠的剛度等效成動力反共振系統(tǒng)中的彈簧剛度，隔振器液腔與慣性通道的面積比等效成機(jī)械式反共振隔振系統(tǒng)中杠桿的長度比，慣性通道中的液體質(zhì)量等效成杠桿上的慣性質(zhì)量。

2 液-彈隔振器設(shè)計(jì)

適用于直升機(jī)主減隔振的液-彈隔振器設(shè)計(jì)，要結(jié)合試驗(yàn)機(jī)來確定隔振器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。通過旋翼激勵(lì)振頻率NΩ,也即隔振頻率來設(shè)計(jì)液-彈隔振器的尺寸。設(shè)液-彈隔振器上腔的半徑為 ur，下腔的半徑為 dr，通道半徑為 0r，則系統(tǒng)隔振頻率為：

從式(9)可以看出，系統(tǒng)的隔振頻率與橡膠剛度、液體密度、慣性通道長度、放大比、以及上腔半徑等參數(shù)有關(guān)，這些也是隔振器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)上述分析，針對某民用直升機(jī)，基于液-彈隔振器結(jié)構(gòu)原理,同時(shí)結(jié)合主減結(jié)構(gòu)完成了液-彈隔振器相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：橡膠靜剛度為2500 N/mm，放大比為78，通道內(nèi)質(zhì)量為49 g。

3 液-彈隔振器性能測試及分析

為了驗(yàn)證液-彈隔振器的性能，一般采用動剛度測試法，如圖3 所示。

圖3 液-彈隔振器剛度試驗(yàn)Fig.3 Stiffness test of fluidlastic isolator

從圖4—5 中可以看出，橡膠的靜剛度約為2478 N/mm，與設(shè)計(jì)值接近，誤差很小，橡膠的動剛度隨頻率的變化逐漸增大，這也符合橡膠的特性[18-20]。從圖6—7 中可以看出，液-彈隔振器的靜剛度試驗(yàn)值約為3038 N/mm，動剛度隨著頻率增大逐漸變小，在隔振頻率點(diǎn)附近達(dá)到極值，然后隨著頻率的增大而增加，液-彈隔振器的動剛度在隔振頻率點(diǎn)處約為700 N/mm，是靜剛度的25%左右，驗(yàn)證了液-彈隔振器具有高靜態(tài)剛度，在隔振頻率下具有低動態(tài)剛度的特點(diǎn)。

為了驗(yàn)證動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將橡膠、液體的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入公式（7），可以得到液-彈隔振器的動剛度計(jì)算值，試驗(yàn)值與計(jì)算值對比結(jié)果如圖8 所示。

從圖8 可以看出，液-彈隔振器動剛度設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度很高，驗(yàn)證了分析模型的合理性。

為了模擬直升機(jī)主減結(jié)構(gòu)的懸掛狀態(tài)，設(shè)計(jì)了傳遞率測試法，利用質(zhì)量塊來模擬代替主減機(jī)構(gòu)質(zhì)量和機(jī)體質(zhì)量，試驗(yàn)分別在液-彈隔振器上下兩端附加質(zhì)量塊組成液-彈隔振系統(tǒng)，測量經(jīng)過液-彈隔振器隔振后質(zhì)量塊上的響應(yīng)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9 所示。

圖4 橡膠靜剛度Fig.4 Static stiffness of rubber

圖5 橡膠動剛度Fig.5 Dynamic stiffness of rubber

圖6 液-彈隔振器靜剛度Fig.6 Static stiffness of fluidlastic isolator

圖7 液-彈隔振器動剛度Fig.7 Dynamic stiffness of fluidlastic isolator

圖8 液-彈隔振器剛度Fig.8 Stiffness of fluidlastic isolator

圖9 液-彈隔振器振動特性試驗(yàn)Fig.9 Vibration test of fluidlastic isolator

對比測得的相關(guān)載荷與無液-彈隔振器時(shí)的載荷，得到液-彈隔振系統(tǒng)的隔振效率，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 液-彈隔振系統(tǒng)的隔振效率Fig.10 Vibration isolation efficiency of fluidlastic isolation system

從圖10 中可以看出，液-彈隔振系統(tǒng)在隔振頻率點(diǎn)附近起到了很好的隔振效果，隔振效率超過60%。

4 結(jié)語

液-彈隔振器作為一種有效的振動隔離裝置，能大幅降低旋翼振動載荷向機(jī)體的傳遞，可以有效地降低全機(jī)振動水平。通過理論建模結(jié)合實(shí)際性能試驗(yàn)，不僅建立起同試驗(yàn)結(jié)果一致的動力學(xué)分析模型，同時(shí)通過動剛度測試法和傳遞率測試法驗(yàn)證了液-彈隔振器性能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的液-彈隔振器在隔振頻率點(diǎn)下能夠?qū)崿F(xiàn)60%隔振效率的減振效果。