直升機剛性槳轂連接件疲勞試驗中離心力加載方式研究

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

近年來，在我國綜合國力快速增強的背景下，我國直升機型號研制呈現井噴式發展，涌現出了以球柔性旋翼直升機為主要代表的諸多種新機型[1]，促使直升機疲勞試驗技術發展更上新臺階。球柔性旋翼與傳統鉸接式旋翼最大的區別在于前者采用彈性鉸代替了由金屬軸承構成的揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸[2]，彈性鉸的應用使得球柔性槳轂具備了結構簡單、可靠性高、免潤滑、視情維護、壽命長等優點[3]。而剛性旋翼直升機的旋翼取消了揮舞和擺振鉸，只保留了變距鉸，且槳葉根部剛性地固結在槳轂上，因此，其動力學特性與球柔性旋翼有較大不同[4]。

槳轂連接件是直升機旋翼系統中的典型復雜動部件[5]，由槳葉傳過來的復雜載荷通過連接件傳遞到槳轂上，其受力情況非常復雜，承受著槳葉傳來的全部載荷，疲勞破壞為主要的失效模式[6]。在剛性槳轂連接件疲勞試驗中，離心力有多種加載方式，本文針對直升機剛性槳轂連接件疲勞試驗的載荷特點，探究了兩種離心力加載方法，并通過試驗設計和安裝調試，對比研究了兩種離心力加載方式對槳葉對接面中心揮舞和擺振彎矩的影響。

1.試驗概況

剛性槳轂連接件受力情況和載荷坐標系如圖1所示，坐標系OXYZ為右手笛卡爾直角坐標系，原點位于槳葉對接面中心，X軸正方向指向翼尖，Y軸正向指向變距拉桿耳片一側。試驗包含6個載荷：（1）離心力Fc，作用在槳葉對接面中心，沿X軸正方向；（2）揮舞彎矩Mb，作用在槳葉對接面中心，以上表面受拉為正；（3）擺振彎矩Mt，作用在槳葉對接面中心，以變距拉桿耳片側受壓為正；（4）揮舞力Fb，作用在槳葉對接面中心，沿Z軸正方向；（5）擺振力Ft，作用在槳葉對接面中心，沿Y軸正方向；（6）變距拉桿力Fbdp，作用在變距拉桿中心點，拉桿受拉為正（沿Z軸正方向）。

圖1 剛性槳轂連接件受力情況示意圖

與常規旋翼不同，剛性旋翼因采用剛性槳葉，整個槳葉都要承受較大的彎矩，尤其是槳根處。因此，剛性槳轂連接件疲勞試驗載荷加載應滿足槳葉對接面中心規定的彎矩和剪力要求，但因形狀和空間的限制，無法直接在槳葉對接面中心貼應變片，需通過延伸出來的槳葉假件測量槳葉對接面中心的彎矩和剪力，后續在試驗設計中將對貼片布置進行詳細描述。

2.試驗設計

2.1 貼片位置設計與標定

（1）貼片位置設計。在槳葉假件上分別設計4組揮舞和擺振（Mb1～Mb4和Mt1～Mt4）彎矩應變片，貼片位置如圖2所示，通過4組應變片所在剖面的彎矩測量值插值計算可得到槳葉對接面中心處的彎矩和剪力。

圖2 槳葉假件貼片示意圖

（2）標定。1）標定方法：采用懸臂梁形式加載，即一端固定，在另一端某個剖面處施加揮舞/擺振力，測量應變片的應變值ε，通過力臂L計算得出槳葉假件上揮舞/擺振彎矩值與槳葉假件上彎矩應變值的相關系數k。槳葉假件材料為30CrMnSiA，彈性模量E=206GPa，應變片所在截面為圓形，直徑為d=110mm，由相關系數k的理論計算公式[7]：

2）標定過程：在專用的揮舞/擺振標定臺上，將槳葉假件一端固定，在另一端的某個剖面處通過液壓作動器對槳葉假件施加揮舞力/擺振力F進行標定，如圖3所示。測量4個貼片剖面的應變值，重復加載多次取平均值，計算出揮舞/擺振彎矩值與應變值的相關系數k，如表1所示。

表1 標定結果

圖3 槳葉假件標定示意圖

由表1可知，各剖面標定值與理論計算值的誤差均小于3%，因此，標定結果有效。在誤差允許范圍內，標定結果滿足剛性槳轂連接件疲勞試驗要求。

2.2 加載方案設計

（1）離心力加載設計，采用遠端和近端兩種離心力加載方式進行試驗，研究剛性槳轂連接件疲勞試驗中離心力加載對揮舞和擺振加載的影響。

方案1：遠端加載。如圖4所示，離心力施加在槳葉假件遠離槳葉銷孔的末端，采用單股鋼絲繩沿槳葉假件軸線方向加載，該加載方式的優點是：結構簡單、便于安裝、拆卸。缺點：單股鋼絲繩受間歇載荷時會發生扭曲纏繞，且會改變槳葉假件的整體剛度，可能對作用在槳葉假件上的揮舞和擺振力造成影響。

圖4 離心力遠端加載示意圖

方案2：近端加載。如圖5所示，離心力施加在槳葉假件兩個槳葉銷孔中心所在剖面，同時采用兩股鋼絲繩保證離心力加載沿槳葉假件軸線方向。該加載方式好處在于加載穩定性好，對槳葉假件剛度影響小，不足之處是結構較復雜，不易拆卸。

圖5 離心力近端加載示意圖

（2）其他相關設計。1）揮舞、擺振力和彎矩加載設計：在槳葉假件上設計揮舞和擺振加載點，通過液壓作動器施加揮舞和擺振力，實現試驗規定剖面處的揮舞和擺振彎矩要求；2）變距拉桿加載設計：設計變距拉桿假件與剛性槳轂連接件耳片連接，變距拉桿力通過固定在試驗臺架上的作動器與變距假件連接實現加載，試驗整體加載如圖6所示；3）試驗控制系統：選用協調加載控制系統，可以滿足試驗多點協調加載和測量的要求。

圖6 剛性槳轂連接件疲勞試驗整體加載示意圖

3.試驗調試

3.1 調試結果

根據方案1和方案2中離心力的加載方式，分別對剛性槳轂連接件某階段低周載荷進行了載荷調試、數據測量和采集，結果見表2、表3。

表2 離心力遠端加載載荷調試結果

表3 離心力近端加載載荷調試結果

利用線性擬合法對表2和表3的數據進行處理可得力臂長度與揮舞/擺振彎矩大小的關系曲線。采用離心力遠端加載方案時，如圖7～圖10所示，揮舞彎矩/擺振彎矩與力臂長度關系曲線表現為非線性關系，可見該加載方式下揮舞/擺振加載出現了載荷異常情況（注：圖7～圖10中mean為平均值，amp為幅值，下同）。

圖7 離心力遠端加載揮舞彎矩均值與力臂關系曲線

圖8 離心力遠端加載擺振彎矩均值與力臂關系曲線

圖9 離心力遠端加載揮舞彎矩幅值與力臂關系曲線

圖10 離心力遠端加載擺振彎矩幅值與力臂關系曲線

若采用離心力近端加載方案，如圖11～圖14所示，揮舞彎矩/擺振彎矩與力臂長度關系曲線為線性關系，且線性度較好。

圖11 離心力近端加載揮舞彎矩均值與力臂關系曲線

圖12 離心力近端加載擺振彎矩均值與力臂關系曲線

圖13 離心力近端加載揮舞彎矩幅值與力臂關系曲線

圖14 離心力近端加載擺振彎矩幅值與力臂關系曲線

通過插值法計算出槳葉對接面中心處的彎矩和剪力，其中，槳葉對接面中心揮舞/擺振彎矩即為揮舞/擺振彎矩與力臂關系曲線中力臂為零處的彎矩值，剪力則為曲線的斜率。槳葉對接面中心揮舞/擺振彎矩計算結果見表4和表5。

表4 離心力遠端加載槳葉對接面中心揮舞/擺振彎矩計算結果

表5 離心力近端加載槳葉對接面中心揮舞/擺振彎矩計算結果

從表4和表5可以看出，離心力采用遠端加載方式時，槳葉對接面中心揮舞彎矩的實際測量值與理論計算值相差較大，而擺振彎矩的實際測量值與理論計算值之間的差別更大，揮舞彎矩的實際測量值只有理論計算值的70%～85%；當離心力采用近端加載方式時，槳葉對接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實際測量值與理論計算值均相差較小，且揮舞彎矩和擺振彎矩的實際測量值達到了理論值的97%～99.5%。

3.2 調試結果原因分析

針對離心力采用遠端加載和近端加載兩種不同方式下載荷調試結果表現出的巨大差異，作出原因分析如下：

（1）離心力采用遠端加載方式時，一方面離心力加載鋼絲繩直接作用在槳葉假件上，改變了槳葉假件在試驗時的整體剛度；另一方面，槳葉假件在揮舞和擺振力的作用下將發生變形，從而改變了離心力的加載方向，導致離心力在揮舞和擺振方向產生分力，造成離心力在揮舞和擺振彎矩的耦合，即出現了揮舞/擺振彎矩與力臂長度關系曲線線性關系異常的情況；（2）離心力采用近端加載方式時，離心力沒有直接加載在槳葉假件上，由此帶來的剛度影響不明顯，離心力加載沒有與揮舞和擺振力形成交叉耦合，沒有影響到揮舞彎矩和擺正彎矩的載荷分布，所以揮舞彎矩和擺振彎矩的實際測量值跟理論計算值一致，揮舞/擺振彎矩與力臂長度關系曲線呈現良好的線性關系。

4.結論

本文采用遠端和近端兩種離心力加載方式，對比研究了離心力加載方式對槳葉對接面中心揮舞和擺振彎矩的影響，得出以下結論：

（1）離心力采用遠端加載方式時，離心力會在揮舞和擺振方向產生分力，造成離心力在揮舞和擺振彎矩的耦合，導致槳葉對接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實際測量值與理論計算值相差較大；（2）離心力采用近端加載方式時，揮舞/擺振彎矩與力臂長度關系曲線呈現良好的線性關系，槳葉對接面中心揮舞彎矩和擺振彎矩的實際測量值與理論計算值一致。在試驗誤差允許的條件下，離心力采用近端加載方式能達到理想的試驗載荷分布規律，滿足試驗加載要求。