三型螺旋槳振動特性試驗研究

項松，王頤，張業(yè)偉，王志，劉遠強

1.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136 2.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136

航空科技發(fā)展水平是體現(xiàn)一個國家綜合國力的重要標志之一[1]。電動飛機是未來航空發(fā)展熱點方向，是一種新型清潔能源的飛行器，可降低飛行器的運行成本、飛行噪聲和污染排放，是實現(xiàn)航空工業(yè)高效、安靜和無污染排放的綠色航空目標的優(yōu)選[2]。電動通用飛機以鋰電池為能源，采用電動機驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生拉力或推力，螺旋槳共振將導致電動飛機整機振動過大，影響飛行員及乘客的舒適性，并對飛機的結(jié)構(gòu)造成嚴重損傷。因此，在電動通用飛機初步設計階段，需要開展螺旋槳掃頻振動試驗，獲得螺旋槳的各階固有頻率，防止螺旋槳固有頻率與工作轉(zhuǎn)頻重合。

針對螺旋槳振動特性測試與計算，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，魏武國[3]基于循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論，建立了螺旋槳整體結(jié)構(gòu)振動特性仿真分析方法，大大降低了求解規(guī)模。牛宏偉等[4]通過飛行試驗方法研究了某型飛機單發(fā)推進式螺旋槳的振動應力特性，獲得了螺旋槳在典型工作狀態(tài)下的靜應力和動應力。項松等[5]利用ES-2-150振動試驗系統(tǒng)進行了兩葉木質(zhì)螺旋槳和碳纖維螺旋槳的振動特性試驗，采用諧振搜索與駐留方法測量出兩種螺旋槳的第一階固有頻率，最終確定了某型電動飛機振動故障的原因，保證了該型電動飛機適航取證工作的順利進行。孔瑞蓮等[6]采用有限元素法對某型螺旋槳及其改型槳槳葉的振動特性進行了計算和分析，結(jié)果表明，對于長梁結(jié)構(gòu)的螺旋槳槳葉，用動頻系數(shù)計算各轉(zhuǎn)速下的動頻是可行的。顧仲權(quán)等[7]研究考慮了槳葉揮舞和擺振彎曲、槳角變化以及扭轉(zhuǎn)與縱向振動耦合的螺旋槳-減速器-發(fā)動機系統(tǒng)固有特性計算問題，提出了一種合理的算法。尚玲玲等[8]發(fā)展了一種槳葉對稱削層結(jié)構(gòu)的分區(qū)優(yōu)化方法，有效避開槳葉共振區(qū)間，實現(xiàn)了螺旋槳輕質(zhì)量和高固有頻率之間的權(quán)衡設計。牛宏偉等[9]通過振動應力實測和仿真分析相結(jié)合，研究螺旋槳的共振轉(zhuǎn)速特性，為螺旋槳結(jié)構(gòu)動力學設計提供了依據(jù)。程俊杰等[10]提出了一種以最小化質(zhì)量和最大化一階固有頻率作為兩個優(yōu)化目標的螺旋槳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，有效避免了槳葉共振。 J. Joshi 等[11]測定了三種不同材料螺旋槳振動的固有頻率并對結(jié)果進行了分析，確定了適合螺旋槳制造的材料。王正峰等[12]針對傳統(tǒng)激振器激勵方法不能識別高于50Hz尾槳頻率問題，發(fā)展了基于升降轉(zhuǎn)速自然激勵的尾槳固有頻率識別方法。陳兆林等[13]對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的吊艙—螺旋槳系統(tǒng)和機翼-吊艙-螺旋槳系統(tǒng)進行了旋轉(zhuǎn)顫振分析，總結(jié)出機翼對發(fā)動機旋轉(zhuǎn)顫振的影響規(guī)律，揭示了其影響機理。叢家勇[14]應用機械振動理論建立整體的振動微分方程，對直升機尾傳動系統(tǒng)進行動力學分析，獲得了該系統(tǒng)的固有頻率和振型。李其漢等[15]用試驗模態(tài)分析技術(shù)分析了螺旋槳槳葉振動特性，分析了槳葉根部連接狀態(tài)和安裝方式對固有頻率和模態(tài)的影響。Xing Xueyan等[16]設計了一種基于反步技術(shù)的控制方法，使螺旋槳系統(tǒng)振動控制在一個很小的區(qū)域。高宇[17]對某型復合材料螺旋槳槳葉的振動特性進行分析計算，得到了螺旋槳槳葉的靜頻和動頻。

諧振搜索和駐留方法通過正弦信號發(fā)生器改變振動的頻率和幅值，控制試件在一定頻率范圍內(nèi)按要求振動，試件振幅峰值對應的頻率即為固有頻率。本文基于高頻電動振動試驗系統(tǒng)，采用諧振搜索與駐留方法，測量出三型螺旋槳的固有頻率，并對試驗結(jié)果進行分析，三型螺旋槳分別為X1930 型、W80CM8 型和76EM8 型。這三型螺旋槳的第一階固有頻率均超過工作轉(zhuǎn)頻，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會發(fā)生共振。

1 試驗設備

螺旋槳振動特性試驗采用高頻電動振動試驗系統(tǒng)（見圖1）進行，該試驗系統(tǒng)可進行正弦、隨機、沖擊、正弦疊加隨機等振動激振，同時具有沖擊響應譜控制、疲勞等效譜計算、諧振搜索與駐留等高級功能。該試驗系統(tǒng)主要由振動臺體、功率放大器、風機、垂直擴展臺面、水平擴展臺面、振動控制儀等部分組成。功率放大器的型號為MPA407；振動發(fā)生機的型號為G334A；風機型號為HP-3；水平滑臺型號為GT600M；垂直擴展臺面型號為HE600SQ/A；軟件為Vibration VⅠEW（VR9500）。

圖1 高頻電動振動試驗系統(tǒng)Fig.1 High-frequency electrodynamic vibration experimental system

2 掃頻振動試驗

2.1 試驗件

試驗件為三型螺旋槳，分別是X1930型、W80CM8型和76EM8型。

2.1.1 X1930型螺旋槳

X1930 型螺旋槳為兩葉固定槳距木質(zhì)螺旋槳，直徑1.93m，自主設計的氣動外形，在丹東颶風螺旋槳公司加工，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖2所示。

圖2 X1930型螺旋槳Fig.2 X1930 propeller

2.1.2 W80CM8型螺旋槳

W80CM8 型螺旋槳為兩葉固定槳距木質(zhì)螺旋槳，直徑1.93m，由美國Sensenich螺旋槳公司生產(chǎn)，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖3所示。

圖3 W80CM8型螺旋槳Fig.3 W80CM8 propeller

2.1.3 76EM8型螺旋槳

76EM8 型螺旋槳為兩葉固定槳距金屬螺旋槳，直徑1.93m，由美國Sensenich螺旋槳公司生產(chǎn)，螺旋槳采用法蘭盤及螺栓固定在振動臺上，如圖4所示。

圖4 76EM8型螺旋槳Fig.4 76EM8 propeller

2.2 試驗方法

高頻電動振動試驗系統(tǒng)具有諧振搜索與駐留功能，因此，采用諧振搜索與駐留方法測量螺旋槳的固有頻率。諧振搜索與駐留方法通過正弦掃頻試驗，搜索出螺旋槳的固有頻率。并且可以在固有頻率上進行跟蹤駐留試驗。

振動臺振幅為0.5g，起始頻率為10Hz，終止頻率為160Hz。振動臺加速度曲線如圖5所示，圖中紅線為警戒線。

圖5 振動臺加速度曲線Fig.5 Vibration table acceleration curve

3 試驗結(jié)果

3.1 X1930型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，X1930型螺旋槳第一階固有頻率為51.81Hz，第二階固有頻率為101.8Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖6 X1930型螺旋槳加速度曲線Fig.6 Acceleration curve of X1930 propeller

3.2 W80CM8型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖7所示。從圖7可以看出，W80CM80 型螺旋槳第一階固有頻率為51.65Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖7 W80CM8型螺旋槳加速度曲線Fig.7 Acceleration curve of W80CM8 propeller

3.3 76EM8型螺旋槳

螺旋槳振動加速度曲線如圖8所示。從圖8可以看出，76EM8型螺旋槳第一階固有頻率為48Hz，第二階固有頻率為154.1Hz。某型電動四座飛機最大轉(zhuǎn)速為2400r/min（40Hz），轉(zhuǎn)頻遠離螺旋槳第一階固有頻率，可保證螺旋槳平穩(wěn)運行。

圖8 76EM8型螺旋槳加速度曲線Fig.8 Acceleration curve of 76EM8 propeller

4 模態(tài)分析

對X1930型、W80CM8型與76EM8型螺旋槳進行模態(tài)分析。通過對螺旋槳的模態(tài)分析可以很直觀地看到螺旋槳的整體和部分結(jié)構(gòu)是否合理，在本文中，對螺旋槳的模態(tài)分析是對螺旋槳施加一個軸約束來進行的。在有限元軟件中，通過對螺旋槳劃分網(wǎng)格，設置分析求解步驟，得到了螺旋槳的固有頻率和振型圖。

4.1 X1930型螺旋槳

從圖9可以看出，振動的最大變形為83.93mm，發(fā)生在螺旋槳槳尖部位。通過有限元軟件得到X1930型螺旋槳的第一階固有頻率為51.87Hz，試驗結(jié)果為51.81Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖9 X1930型螺旋槳一階模態(tài)Fig.9 First-order modal of X1930 propeller

4.2 W80CM8型螺旋槳

從圖10 可以看出，振動的最大變形為57.18mm，發(fā)生在螺旋槳槳尖部位。通過有限元軟件得到W80CM8 型螺旋槳的第一階固有頻率為54.78Hz，試驗結(jié)果為51.65Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖10 W80CM8型螺旋槳一階模態(tài)Fig.10 First-order modal of W80CM8 propeller

4.3 76EM8型螺旋槳

從圖11、圖12 可以看出，76EM8 型螺旋槳在第一階模態(tài)的最大變形量為26.77mm，在第二階模態(tài)的最大變形量為32.52mm，均發(fā)生在槳尖位置處。計算得到76EM8 型螺旋槳的第一階固有頻率為49.75Hz，第二階固有頻率為148.19Hz，試驗得到第一階固有頻率為48Hz，第二階為154.1Hz，計算結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 76EM8型螺旋槳一階模態(tài)Fig.11 First-order modal of 76EM8 propeller

圖12 76EM8型螺旋槳二階模態(tài)Fig.12 Second-order modal of 76EM8 propeller

對比仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)，兩者一致性較好。表明試驗方法可靠，獲得的數(shù)據(jù)可以為螺旋槳選型提供參考。

5 結(jié)論

本文基于高頻電動振動試驗系統(tǒng)，采用諧振搜索與駐留方法，測量出三型螺旋槳的固有頻率。通過研究，可以得出以下結(jié)論:

（1）X1930 型、W80CM8 型和76EM8 型螺旋槳的第一階固有頻率均遠離某型電動四座飛機螺旋槳的最大工作轉(zhuǎn)頻，可保證正常工作，正常工作時不會發(fā)生共振。

（2）通過有限元軟件進行了螺旋槳模態(tài)分析，固有頻率計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，表明試驗數(shù)據(jù)合理可靠，為后續(xù)電動四座飛機螺旋槳選型提供了參考。