直升機(jī)主減液彈隔振系統(tǒng)隔振效率分析

夏雙滿，林長亮，袁勝弢，朱躍法，張體磊

(1.航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 飛機(jī)設(shè)計研究所，哈爾濱 150066；2.陸軍航空兵軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)軍事代表室，哈爾濱 150066)

振動問題長期制約著直升機(jī)的交付和使用，過高的振動水平不僅影響駕駛員和乘員的舒適性，而且對機(jī)載設(shè)備的使用和壽命也會造成一定的影響[1]。直升機(jī)獨特的結(jié)構(gòu)形式和工作特點決定了旋翼是引起直升機(jī)機(jī)體振動的主要振源，旋翼產(chǎn)生的振動載荷通過旋翼主軸、主減速器和主減支撐結(jié)構(gòu)傳遞給機(jī)體，從而引起機(jī)體的振動[2-5]。針對振動載荷傳遞這一特點，國內(nèi)外研究人員提出在直升機(jī)主減系統(tǒng)和機(jī)身之間安裝相應(yīng)隔振系統(tǒng)，將旋翼產(chǎn)生的振動載荷與直升機(jī)機(jī)身隔離，從而降低機(jī)體的振動水平。

主減隔振技術(shù)主要包括：節(jié)點梁隔振、聚焦式隔振和動力反共振隔振。我國現(xiàn)役的直九和直八直升機(jī)均采用的聚焦式隔振技術(shù)，雖然聚焦式隔振系統(tǒng)具有隔離面內(nèi)載荷的能力，但是對垂向振動載荷隔振效率低，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大。隨著現(xiàn)代直升機(jī)對振動水平提出要求越來越高，傳統(tǒng)的聚焦隔振技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有技術(shù)需求。

動力反共振技術(shù)利用了反共振原理，隔振效率遠(yuǎn)高于常規(guī)的聚焦隔振技術(shù)，因此備受青睞，在此基礎(chǔ)上衍生出機(jī)械式動力反共振(dynamic anti-vibration isolation,DAVI)和液彈隔振器兩種結(jié)構(gòu)形式[6-7]。其中液彈隔振器由于具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和隔振效率高，已經(jīng)在Bell公司的427、429和Agusta的A109E等多種型號的直升機(jī)上成功應(yīng)用，并取得了很好的隔振效果[8-9]。目前國內(nèi)對液彈隔振器研究剛剛起步，南京航空航天大學(xué)對液彈隔振器的原理進(jìn)行了研究，開展了一些動力學(xué)試驗[10-13]。中國直升機(jī)設(shè)計研究所開展了一種新型液彈隔振器的設(shè)計與仿真工作[14]。盡管國內(nèi)對液彈隔振器的原理和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了分析，也開展了一些液彈隔振器動力學(xué)基礎(chǔ)試驗，但是對液彈隔振器裝機(jī)之后隔振效率仿真研究很少，也尚未開展液彈隔振器裝機(jī)試驗，缺少試驗數(shù)據(jù)支撐。

基于上述原因，本文以國內(nèi)某型直升機(jī)為背景機(jī)，建立了主減液彈隔振器和機(jī)身耦合的動力學(xué)仿真模型，通過頻響響應(yīng)分析得到了液彈隔振器的隔振效率。將直升機(jī)采用懸吊的方式，開展液彈隔振器地面裝機(jī)振動試驗驗證工作。試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果表明，液彈隔振器綜合隔振效率即能達(dá)到70%以上。

1 液彈隔振系統(tǒng)動力學(xué)建模

1.1 基本理論

液彈隔振器主要結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)筒、外筒、儲液腔、慣性通道和橡膠，通過上下兩端連接在主減撐桿上，如圖1所示。

圖1 液彈隔振器結(jié)構(gòu)簡圖

其中，內(nèi)外筒通過橡膠連接在一起，儲液腔上液室與外筒連接，儲液腔下液室設(shè)置在內(nèi)筒中。當(dāng)液彈隔振器受到激振力時，會引起橡膠的伸縮，從而產(chǎn)生作用力，與此同時，液體會受到擠壓，在慣性通道中流動，液體質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，與橡膠產(chǎn)生的作用力抵消，起到隔振效果。液彈隔振器與主減系統(tǒng)連接，組合成為主減液彈隔振系統(tǒng)。

液彈隔振系統(tǒng)的分析模型,如圖2所示。假設(shè)其中：K1為橡膠彈簧的動態(tài)剛度;K2為下液室底部的彈簧剛度;c為阻尼系數(shù)；η為橡膠的損耗系數(shù)；Au為上液腔的面積;Ab為下液腔的面積;A0為液體慣性通道的橫截面積;m為慣性液體通道中液體的質(zhì)量;M1為液彈隔振系統(tǒng)連接的主減系統(tǒng)質(zhì)量;M2為液彈隔振系統(tǒng)連接的機(jī)身質(zhì)量;Pd為下液腔壓強(qiáng);Pu為上液腔壓強(qiáng)。

圖2 液彈隔振器力學(xué)模型

設(shè)主減系統(tǒng)質(zhì)量M1的位移為x1，機(jī)身位移為x2，上腔液體相對于內(nèi)筒的移動位移為x0，下腔液體相對于內(nèi)筒的移動位移記為xd。

根據(jù)流體的連續(xù)性，可得方程

A0x0=Au(x1-x2)=Adxd

(1)

下液腔的平衡方程為

(2)

儲液腔慣性液體受到的壓力為

f0=A0(Pd-Pu)

(3)

當(dāng)液體在慣性通道中流動時，流體的黏性產(chǎn)生黏性阻尼力以及慣性通道的突然擴(kuò)張和收縮產(chǎn)生局部損失阻尼力。

對于橡膠彈簧的動態(tài)剛度K1，由于一般橡膠具有復(fù)剛度，因而主橡膠彈簧剛度可表示為

K1=K1(1+iη)

式中，η為橡膠損耗系數(shù)。

慣性通道內(nèi)的液體m以及主減質(zhì)量M1和機(jī)身質(zhì)量M2的平衡方程為

(4)

(5)

(6)

當(dāng)液彈系統(tǒng)受到f=Fsin(ωt)諧波激勵，則有

-ω2m(x0+x2)=(Pd-Pu)A0-jcwx0

(7)

-ω2M1x1=-K1(1+iη)(x1-x2)+PuAu

(8)

然后將式(1)和式(2)代入式(7)和式(8)，可以推導(dǎo)出液彈隔振器的傳遞率T與機(jī)身響應(yīng)函數(shù)Δ1和主減系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)Δ2的關(guān)系式為

(9)

其中，

若液彈隔振系統(tǒng)隔振效率為100%，則機(jī)身振動響應(yīng)函數(shù)Δ1=0應(yīng)為0,假設(shè)阻尼c和橡膠損耗系數(shù)η均為0，則可以得到液彈隔振系統(tǒng)在無阻尼情況下的隔振頻率為

(10)

系統(tǒng)的動剛度為激勵力與位移響應(yīng)的幅值之比

當(dāng)內(nèi)筒內(nèi)的彈簧剛度較小，在分析時可以忽略，式(10)變?yōu)?/p>

(12)

由式(12)可以知道液彈隔振器的隔振頻率只與剛度、液體慣性質(zhì)量以及外內(nèi)筒面積比有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來達(dá)到設(shè)計隔振頻率的目的。

由于某型機(jī)的旋翼激振頻率為24 Hz，經(jīng)過基礎(chǔ)動力學(xué)試驗可以確定橡膠的剛度6 800 N/mm，慣性液體質(zhì)量為0.160 2 kg,儲液腔與慣性通道的面積比為43.5。由式(12)可知，系統(tǒng)的隔振頻率為

1.2 液彈隔振系統(tǒng)限元仿真模型

根據(jù)上述液彈隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用MSC.PATRAN建立有限元仿真模型，如圖3所示。

圖3 液彈隔振系統(tǒng)有限元模型

其中:m,m1和m2為mass單元，m用于模擬液彈隔振器中慣性通道中的液體的質(zhì)量,m1用于模擬主減速上部質(zhì)量，m2用于模擬主減平臺下部質(zhì)量；b/a為beam元(梁元)，用于模擬隔振器儲液腔與慣性通道的面積比；m1和m2之間通過spring元(彈簧元)連接，用于模擬液彈隔振器中橡膠的剛度和阻尼。

在m1施加載荷，設(shè)定激勵幅值為10 N，分析方式為頻響分析，頻率范圍為0～50 Hz，可以得到液彈隔振系統(tǒng)的傳遞率曲線，如圖4所示。

圖4 傳遞率曲線

從圖4可以看出，傳遞率隨著激振力頻率的變化有一個波峰值，這是共振點，即液彈隔振系統(tǒng)的固有頻率；波谷對應(yīng)的橫軸表示隔振頻率，此時的傳遞率最低，隔振效果最好。液彈隔振系統(tǒng)在24 Hz左右有一個隔振頻率，這與前面的理論分析是一致的。仿真結(jié)果說明建立的液彈隔振系統(tǒng)仿真模型是正確的。

1.3 參數(shù)影響分析

為了進(jìn)一步分析液-彈隔振系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對傳遞率的影響，分析了在不同橡膠剛度和阻尼的情況下，液-彈隔振系統(tǒng)的傳遞率的變化，如圖5和圖6所示。

圖5 傳遞率曲線隨著k1的變化

圖6 傳遞率隨阻尼系數(shù)c的變化

從圖5中明顯看出，隨著k1的增大，傳遞率不變，但是隔振頻率增大。從圖6中可以看出隨著阻尼c的增大傳遞曲線更為平緩，隔振頻率未發(fā)生變化，但是傳遞率降低。

2 液彈隔振系統(tǒng)隔振效率仿真

為了綜合分析液彈隔振系統(tǒng)的隔振效率，建立液彈隔振系統(tǒng)和機(jī)身耦合的全機(jī)動力學(xué)模型，如圖7所示。本文采用有限元模塊化建模方法，分別建立主減聚焦隔振系統(tǒng)模型、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)模型和機(jī)體模型，其中槳葉以質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的形式用mass單元模擬。再將三個模型和液彈隔振系統(tǒng)模型組建成全機(jī)動力學(xué)模型。

圖7 帶液彈隔振系統(tǒng)的全機(jī)動力學(xué)仿真模型

由于液彈隔振系統(tǒng)具有面內(nèi)隔振效果，單純將液彈隔振系統(tǒng)與聚焦隔振系統(tǒng)組合分析，不能分辨出液彈隔振系統(tǒng)的隔振效率，為了在全機(jī)模型中真實的反映液彈隔振系統(tǒng)的隔振效率，將原聚焦隔振系統(tǒng)的層壓止動件做了失效處理，采用的方法是將用于模擬層壓止動件的spring元(彈簧元)替換成航向和側(cè)向剛度較大、垂向剛度較小的板元模擬，這樣處理的目的一是使聚焦隔振系統(tǒng)的彈性元件失效，不能隔離振動載荷；二是改變垂向載荷的傳遞路徑，使垂向振動載荷從液彈隔振系統(tǒng)傳遞至機(jī)身。

在主減撐桿處建立液彈隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型，并通過MPC與機(jī)身連接，見圖7。

為了正確模擬直升機(jī)飛行狀態(tài)，約束選取自由-自由狀態(tài)，由于某型機(jī)激振頻率為24 Hz，所以本文分析所采用的激勵頻率范圍取20～25 Hz，步長為0.01 Hz，頻率響應(yīng)分析采用直接法。施加的載荷為CAMRADII計算的槳轂中心4 Ω振動載荷，載荷通過MPC(多點約束)施加在槳榖中心處。選取工程實際中關(guān)注的腳蹬處地板、座椅地板和機(jī)艙地板進(jìn)行對比分析。

本文共分析了三種狀態(tài)：狀態(tài)一是原機(jī)鎖死聚焦隔振系統(tǒng)；狀態(tài)二是原機(jī)；狀態(tài)三是原機(jī)鎖死聚焦隔振系統(tǒng)，增加液彈隔振系統(tǒng)。分析結(jié)果如表1所示。

表1 仿真分析結(jié)果

從表1可以看出，聚焦隔振系統(tǒng)與液彈隔振系統(tǒng)對航向、側(cè)向均具有較好的隔振效率，但是聚焦隔振系統(tǒng)對垂向基本不產(chǎn)生隔振作用，而液彈隔振系統(tǒng)在垂向均有比較好的隔振效果，其隔振效率能達(dá)到70%以上。

表1中隔振效率指狀態(tài)三相對于狀態(tài)一的隔振效率，綜合隔振效率指航向、側(cè)向、垂向三個方向的隔振效率平均值。

3 液彈隔振系統(tǒng)地面裝機(jī)振動試驗

3.1 柔性止動件設(shè)計

試驗機(jī)主減隔振系統(tǒng)為聚焦隔振系統(tǒng)，為了消除聚焦隔振系統(tǒng)對液彈隔振系統(tǒng)地面裝機(jī)振動試驗的影響，從而更加真實評估液彈隔振系統(tǒng)的隔振效率，必須對試驗機(jī)進(jìn)行改裝設(shè)計，其設(shè)計要求為：改裝后的主減底部航向和側(cè)向連接件剛度大于原減振器(聚焦隔振系統(tǒng))剛度2倍，垂向剛度遠(yuǎn)小于帶液彈隔振器的撐桿剛度，從而達(dá)到聚焦隔振系統(tǒng)失效同時不傳遞垂向載荷的目的，以滿足地面振動試驗的要求。

聚焦隔振系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)減速器繞著主減撐桿交匯點做縱向和橫向擺動時，主減底部懸掛組件中的桿組件和層壓止動件可以將旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的反扭矩傳遞給機(jī)身，同時可使這種小偏轉(zhuǎn)得以緩沖，吸收由于旋翼所引起的水平振動。其中桿組件由復(fù)合材料制成，具有橫向的剛性和縱向的彈性，可以緩沖縱向、橫向的振動。層壓擋塊組件是橡膠金屬夾層結(jié)構(gòu)件，可以緩沖縱向的振動。如圖8和圖9所示。

圖8 主減組件示意圖

圖9 主減底部懸掛組件工作原理圖

根據(jù)聚焦隔振系統(tǒng)的工作原理、主減底部懸掛組件的受力形式以及層壓止動件的結(jié)構(gòu)形式，對主減底部懸掛組件中層壓止動件的勾形件和檔塊支座進(jìn)行重新設(shè)計:將原勾形件和檔塊支座取消，并設(shè)計一個柔性止動件來代替，如圖10所所示。

圖10 改裝示意圖

通過計算可以得到柔性止動件的航向、側(cè)向和垂向的剛度，受于篇幅所限，剛度計算具體過程在這里不再表述。如表2所示。

表2 剛度對比

從表2可以看出，柔性止動件的航向剛度與主減懸掛系統(tǒng)相比增加2倍，側(cè)向剛度與主減懸掛系統(tǒng)相比增加76倍，垂向剛度為主減撐桿剛度的1/370，起到了使聚焦隔振系統(tǒng)失效作用，滿足地面激振試驗要求。

3.2 地面裝機(jī)驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

為了驗證液彈隔振器的隔振效率，以某型直升機(jī)為試驗機(jī)，進(jìn)行了地面裝機(jī)試驗，為了模擬直升機(jī)飛行自由-自由狀態(tài)，通過吊起落架的方式將直升機(jī)懸吊設(shè)置，要求吊起后整體懸吊支持頻率小于2 Hz，分別對直升機(jī)槳榖中心處施加航向、側(cè)向和垂向的激勵載荷，激勵載荷為100 N，以正弦方式進(jìn)行激勵，激勵范圍從22～28 Hz，并在機(jī)身關(guān)注點(腳蹬地板、座椅地板和機(jī)艙地板)粘貼振動傳感器。槳葉用等質(zhì)量假件模擬，其余用沙袋配重到試驗質(zhì)量。在駕駛艙座椅地板處和客艙乘員的地板處粘貼加速度傳感器。

圖11 試驗現(xiàn)場圖

試驗分為兩種狀態(tài)進(jìn)行：一種是試驗機(jī)安裝液彈隔振器；另一種是試驗機(jī)不安裝液彈隔振器。每種試驗狀態(tài)均用柔性止動件鎖死聚焦隔振系統(tǒng)。

通過兩組試驗數(shù)據(jù)對比分析，可以得到液彈隔振器的隔振效率，如表3所示。

表3 地面裝機(jī)試驗結(jié)果

從表3中可以看出，液彈隔振器隔振效率較好，具有很好的隔振性能。其中Y(側(cè)向)、Z(垂向)向隔振效率最好，平均在75%以上，X(航向)向隔振效率稍差，但是也能達(dá)到60%左右。三個方向綜合隔振效率達(dá)到70%以上。

將仿真分析結(jié)果與地面試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，如表4所示。

表4 仿真分析與試驗結(jié)果對比

通過表4發(fā)現(xiàn)，其仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，液彈隔振系統(tǒng)在航向、側(cè)向和垂向綜合隔振效率在70%以上。個別點隔振效率差異較大，這是由于現(xiàn)有的仿真軟件不能真實的模擬液彈隔振系統(tǒng)阻尼和機(jī)體結(jié)構(gòu)阻尼，導(dǎo)致個別點計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。

4 結(jié) 論

本文建立了液彈隔振系統(tǒng)與機(jī)體耦合動力學(xué)仿真模型，通過仿真分析和裝機(jī)試驗驗證，得出如下結(jié)論：

(1)液彈隔振系統(tǒng)相比傳動的聚焦隔振系統(tǒng)，不僅對旋翼產(chǎn)生的航向和側(cè)向振動載荷有很好的隔離作用，還可以隔離旋翼垂向振動載荷。

(2)液彈隔振器的隔振頻率隨著k1的增大而增大，但是傳遞率不變；液彈隔振器的隔振效率隨著阻尼c的增大傳遞率降低，但隔振頻率未發(fā)生變化。在選擇液體時，盡量選擇阻尼較小的液體，以增加隔振效率。

(3)受制于液彈隔振器內(nèi)部液體的限制，使目前制造的液彈隔振器相對于聚焦隔振系統(tǒng)來說體積、質(zhì)量偏大，無法達(dá)到與主減撐桿原樣互換的目的，后續(xù)研究會在液體、材料、結(jié)構(gòu)等方面開展進(jìn)一步研究。

(4)通過對液彈隔振系統(tǒng)的仿真分析和地面裝機(jī)試驗，充分驗證了液彈隔振系統(tǒng)在航向、側(cè)向和垂向均能有效的降低機(jī)體的振動水平，三個方向綜合隔振效率在70%以上。主減液彈隔振系統(tǒng)是一種新型有效的直升機(jī)減振手段，通過本文的研究工作，為液彈隔振器后續(xù)型號應(yīng)用實現(xiàn)技術(shù)積累，也拓寬了型號改進(jìn)、改型的減振技術(shù)手段。