摘要
基于一种线圈内置剪切阀式磁流变阻尼器结构,设计了一种全尺寸旋翼磁流变阻尼器结构,并将结构参数与磁路参数进行关联,提出了一种基于活塞组件结构的磁路结构参数仿真优化方法。基于改进的Bingham模型,建立了该全尺寸旋翼磁流变阻尼器参数化阻尼功计算模型。研制了全尺寸旋翼磁流变阻尼器样件,开展了性能试验与试验验证技术研究,研究了结构参数、运动参数、电流参数对阻尼器性能的影响。将试验结果与仿真计算结果进行了对比,仿真计算模型与试验模型的符合性较好,研制的旋翼磁流变阻尼器样件性能稳定。
直升机旋翼摆振阻尼器是直升机旋翼系统的重要部件,为旋翼桨叶的摆振运动提供附加阻尼,防止旋翼桨叶的摆振后退型模态与起落架或者机体耦合而发生不稳定现
主动式阻尼器典型代表有磁流变阻尼器和电流变阻尼器两种类型。本文研究对象是磁流变阻尼器,其工作液体为磁流变液,通过控制磁场改变磁流变液的黏度和剪切屈服强度可以灵活控制阻尼器的阻尼效应。美国在磁流变阻尼器的研究中处于领先地位,在其汽车工业领域,磁流变阻尼器技术已得到了实际应用。美国马里兰大学开发了一种充气补偿结构的汽车磁流变阻尼
中国国内在汽车工业领域也围绕该技术开展了相关研究工作。南京航空航天大学对磁流变阻尼器技术进行了深入的实验和理论研
为初步探索全尺寸直升机旋翼磁流变阻尼器仿真和试验模型,本文以中型运输直升机旋翼为应用背景,研究探索旋翼磁流变阻尼器的仿真及试验验证方法。研制了旋翼磁流变阻尼器全尺寸样件并进行性能试验。研究了样件结构参数、运动参数变化以及电流参数对旋翼磁流变阻尼器性能的影响。基于试验结果,将性能仿真计算结果与试验曲线进行了对比分析。
针对目前采用第三代球柔性旋翼单旋翼带尾桨构型的中型运输直升机,设计以满足球柔性旋翼装机技术要求为目标的旋翼磁流变阻尼器,依托型号已定型使用的液压阻尼器构型。旋翼磁流变阻尼器一端通过挡盖轴承组件与中央件连接,另一端通过轴承杆端组件与挥舞支臂连接件连接。挡盖轴承组件和轴承杆端组件中间部分是外筒组件和活塞组件,其中外筒组件包括阻尼器外筒、热安全阀和补偿器等。

图1 旋翼磁流变阻尼器组成
Fig.1 Configuration of helicopter rotor magneto‑rheological damper
旋翼桨叶摆振运动时,桨叶通过挥舞支臂带动阻尼活塞在外筒与轴挡盖之间的油腔中往复运动,阻尼活塞两端油腔中的磁流变液通过阻尼活塞上阻尼间隙流动,依靠磁流变液流经阻尼间隙的速度以及磁场对磁流变液的剪切损失产生阻尼。阻尼的大小由阻尼间隙、运动速度和磁场强度决定。
补油装置安装在外筒上,阻尼活塞往复运动过程中,被活塞分隔的两个腔压力不等,补油活门会封闭高压腔直接通向补油器的油路,而使补油器仅与低压腔连通。补油器活塞在弹簧压力作用下使补油器内的磁流变液液体保持一定压力,实现压力补油。磁流变阻尼器同其他传统阻尼器一样在工作过程中产生的部分热量会残留在阻尼器内部使阻尼器升温,补油器用于补偿阻尼器内磁流变液受热膨胀引起的体积变化,同时用于补偿阻尼器动密封的渗漏损失。
以磁流变阻尼器的双缸双出杆剪切阀式通用结构形式为基

图2 旋翼磁流变阻尼器结构
Fig.2 Structure of helicopter rotor magneto‑rheological damper
调用磁场有限元分析模块进行磁场仿真,模型中将中心孔直径d和外筒壁厚度t设置为变量,对于设计的磁流变阻尼器,当磁芯厚度和外筒厚度相等时,磁路结构设计能得到最优。同时,它们满足活塞装配的约束条件,且满足
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式中:B为磁流变液磁感应强度,为套筒磁感应强度。据此可得,外筒厚度t与中心孔径d的关系如

图3 外筒厚度t与中心孔径d关系
Fig.3 Relationship between thickness of outer barrel t and central aperture d
基于旋翼磁流变阻尼器参数化模型,利用磁路仿真软件Ansoft自带的网格建模与网格划分功能,设置结构参数以及定义加载激励电源与边界条件进行磁路仿真。为了能够通过分析阻尼间隙内磁感应强度的变化达到优化磁路结构尺寸的目的,将不同参数的磁路结构尺寸作为输入,仿真结果输出为不同磁路结构参数,假设阻尼器阻尼间隙内磁流变效应区域内的平均磁感应强度为Bm,通过阻尼间隙内非磁流变效应区域的平均磁感应强度为Bn。

图4 变化趋势
Fig.4 Trend changes of
图

图5 磁通密度和磁感应强度分布
Fig.5 Distributions of flux density and magnetic induction intensity

图6 磁力线和磁场强度分布
Fig.6 Distributions of field lines and magnetic field intensity
设置不同电流变化参数,读取磁路仿真结果数据得到
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图7 阻尼间隙内磁感应强度变化趋势
Fig.7 Variation trend of magnetic induction intensity in damping gap
基于旋翼磁流变阻尼器参数化模型(如
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式中:表示一种附加的弹性力,其大小与振动位移相关,计算数值采用文献[
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式中:D为阻尼间隙平均周长,Ap为活塞有效横截面积,L为有效阻尼长度,Q为磁流变液通过阻尼间隙的总流量,v0为活塞相对速度,h为阻尼间隙,为黏度系数,为剪切强度。
将
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式中n表示活塞段数。
所以,阻尼力计算公式为
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式中:可以由运动速度与活塞位移的关系求得
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式中:S、Smax分别表示振幅和最大振幅值,f为运动频率。
用W表示磁流变阻尼器往复一周耗散掉的能量,W值的大小也是衡量阻尼器阻尼性能的主要指标,其表达式为
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所以,阻尼功的表达式为
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本磁流变阻尼器的设计要求基于已成熟应用型号的液压阻尼器,因此在设计旋翼磁流变阻尼器原理样件时可参考其液压阻尼器的空间位置布置、接口安装以及外筒形状。在尽可能减小外形结构变动的情况下,充分利用液压阻尼器结构件进行磁流变阻尼器改造。

图8 旋翼磁流变阻尼器样件实物
Fig.8 Sample of helicopter rotor magneto-rheological damper
在样件装配时,阻尼器活塞与外筒相对位置精度应由配套模具保证,活塞通过配合卡紧压入外筒中,挡盖轴承锁紧后经注油孔注入磁流变液,完成旋翼磁流变阻尼器样件的组装。
旋翼磁流变阻尼器的试验研究平台在传统阻尼器性能试验平台的基础上加装电流控制器,研究采用的试验装置有: MTS材料试验机及其附属设备、数据采集控制系统计算机以及可调节激励电流大小的直流稳流电源。

图9 旋翼磁流变阻尼器性能试验设置
Fig.9 Setup of performance test of helicopter rotor magneto-rheological damper
试验采用正弦激励法,按照正弦波规律变化的作为激振位移对磁流变阻尼器进行加载。其中,表示系统输入位移,表示系统输入位移幅值,表示系统加载时间,表示系统加载频率,取低频至旋翼一阶转速等效频率中的多个频率进行试验,其中包含了桨叶一阶摆振固有频率点、地慢转速频率附近点等。分别测得旋翼磁流变阻尼器的阻尼力、阻尼功对应电流、频率和振幅,处理试验数据后,得到阻尼器在电流、激振频率、位移幅值、阻尼间隙几何尺寸等参数变化下的规律。

图10 阻尼功随电流变化曲线
Fig.10 Damping work versus current

图11 阻尼功随频率变化曲线
Fig.11 Damping work versus frequency

图12 阻尼功随位移振幅变化曲线
Fig.12 Damping work versus displacement amplitude

图13 无磁场阻尼载荷随频率变化曲线
Fig.13 Damping load versus frequency in zero magnetic field

图14 不同阻尼间隙结构迟滞回线
Fig.14 Hysteresis loop of different damping gap structures
为验证性能仿真参数化计算模型的有效性,将试验测得的样件性能数据与计算模型计算得到的性能数据进行阻尼功和阻尼载荷的比较。
图

图15 模型阻尼功计算值与试验值对比(f=1.1 Hz,S=3 mm)
Fig.15 Comparison of theoretical and test damping work of the model(f=1.1 Hz,S=3 mm)

图16 模型阻尼功计算值与试验值对比(f=1.2 Hz,S=3 mm)
Fig.16 Comparison of theoretical and test damping work of model(f=1.2 Hz,S=3 mm)

图17 模型阻尼载荷计算值与试验值对比(f=4.3 Hz,S=5 mm)
Fig.17 Comparison of theoretical and test model damping load (f=4.3 Hz,S=5 mm)
从图
本文开展了全尺寸旋翼磁流变阻尼器样件构型设计、结构及磁路仿真优化研究、性能仿真计算模型研究;制造了旋翼磁流变阻尼器样件,并进行了旋翼磁流变阻尼器的性能试验,将试验结果与性能计算模型结果进了对比分析,可得到以下结论:
(1) 旋翼磁流变阻尼器具有稳定的实验性能,在相同的实验环境下,旋翼磁流变阻尼器耗能能力随阻尼间隙的减小显著增强。
(2) 旋翼磁流变阻尼器设计仿真优化方法可行,具有一定的实践价值。
(3) 旋翼磁流变阻尼器参数化计算模型能够准确仿真旋翼磁流变阻尼样件性能,模型有效,可用于旋翼磁流变阻尼器阻尼应用研究。
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