摘要
针对某型直升机在飞行过程中出现脚蹬高频振动问题,通过飞行振动数据分析,确定了故障原因为尾操纵拉杆动特性不佳导致尾操纵拉杆局部共振,从而引起脚蹬高频振动。为了满足装配要求,尾操纵拉杆与安装支座之间为间隙配合,导致尾操纵拉杆边界约束存在不确定性,因此有必要进行边界约束敏感性分析。本文采用弹簧刚度表征尾操纵拉杆边界约束,并基于Ritz法建立尾操纵拉杆理论模型,分析讨论了边界约束对尾斜拉杆安装频率的影响,同时根据计算分析结果提出了相应的解决方案。经地面动特性试验和飞行试验验证,该解决方案可以有效改善该型机脚蹬高频振动问题,同时对后续操纵拉杆设计和分析具有一定的参考意义。
某型直升机在飞行过程中出现脚蹬高频振动问题,此种情况下长时间飞行容易造成飞行员疲劳,并极大地影响飞行员操纵。同时,操纵系统长时间处于高频振动环境下也容易造成结构失效和损伤,从而影响飞行安全。因此需要针对该型机脚蹬高频振动问题开展分析,提出解决方案,改善脚蹬高频振动,保证直升机飞行安全。
直升机飞行由飞行员通过操纵系统进行操控,而脚蹬作为直升机尾操纵系统的重要部分,其振动将直接影响飞行员的操纵。目前中国国内直升机尾桨操纵系统大多为机械连接的硬式操纵系统,主要包括驾驶舱操纵机构(脚蹬)、航向并联舵机、操纵拉杆(以下简称“拉杆”)、拉杆支座、摇臂、阻尼器以及尾助力器等,是一个沿操纵方向可进行轴向振动的动力学系
直升机振源多同时激励频率分布广,而尾操纵拉杆贯穿整个直升机尾部,操纵杆多而且固有频率也较为丰富,导致影响尾操纵系统振动的因素多,从而当脚蹬出现振动问题时,尾操纵系统排故会存在较大困难。在常规尾拉杆设计中,为了满足装配要求,拉杆、支座和摇臂之间均为间隙配合,由于加工制造误差,装配后的间隙在公差要求范围内是随机的,因此拉杆边界约束存在一定的不确定性。目前在拉杆设计过程中主要考虑拉杆的刚度、强度、固有频率及安装频
为了解决直升机脚蹬高频振动问题,本文通过飞行振动数据分析,确定问题原因,基于Ritz法建立了尾操纵拉杆参数化理论模型,并进一步借鉴螺栓连接结构以及安装部件之间的间隙等不确定边界约束对系统安装频率的影响进行研
某型直升机脚蹬飞行振动数据如图

图1 脚蹬航向振动水平随飞行速度变化趋势图
Fig.1 Variation trend of pedal course vibration level with flight speed

图2 脚蹬垂向振动水平随飞行速度变化趋势图
Fig.2 Variation trend of pedal vertical vibration level with flight speed

图3 尾斜拉杆安装频率测试结果
Fig.3 Test results of installation frequency of tail control stick
为了解决该机脚蹬高频振动问题,分析确定该型机尾斜拉杆侧向安装频率分散性大的原因,同时基于外场的实际条件,结合外场计算分析的实际需要并缩短排故周期,进一步考虑参数敏感性分析的便捷性以及后续操纵拉杆参数优化的需要,本文建立参数化理论模型分析讨论边界约束对直升机尾操纵动特性的影响,并分析了边界约束对操纵拉杆安装频率参数敏感性,从而确定解决方案。
尾斜拉杆结构形式如

图4 尾斜拉杆结构图
Fig.4 Structural of tail control stick

图5尾斜拉杆等效模型示意图
Fig.5 Schematic diagram of equivalent model of tail control stick
根据振型叠加法,弹性支撑梁的挠度方程可以表示
(1) |
为弹性支撑梁的第i阶振型,为振型坐标的第i分量。
基于Ritz法使用假设模
将尾斜拉杆等效为两端带弹性约束的自由梁,根据泰勒级数并略去高阶项,弹性梁的振型函数可表示为
(2) |
式中:~为权系数,l为弹性梁长度。
从而得到系统势能V为
(3) |
式中:E为弹性模量,I为惯性矩。
将式(
(4) |
从而系统势能V可以表示为
(5) |
系统动能T同样可以表示为
(6) |
写成以下矩阵形式
(7) |
考虑拉杆阻尼较小,因此为了简化计算忽略阻尼项,根据拉格朗日方程,得到系统的动力学方程为
(8) |
当尾斜拉杆为自由梁时,边界条件为
(9) |
当尾斜拉杆为简支梁时,边界条件为
(10) |
当尾斜拉杆为固支梁时,边界条件为
(11) |
将式(
该型机尾斜拉杆为变截面设计,其中两端带柄轴承材料为钢,安装柄直径为12 mm,长度为53.7 mm,拉杆材料为铝合金。带柄轴承安装段拉杆为变截面中空杆设计,直径为16~40 mm,厚度为2 mm,长度为114 mm;中间段为等截面中空杆设计,材料为铝合金,直径为40 mm,长度为1 029 mm,厚度为1.5 mm。将尾斜拉杆参数代入式(

图6 尾斜拉杆第一阶振型
Fig.6 First mode shape of tail control stick

图7 尾斜拉杆第二阶振型
Fig.7 Second mode shape of tail control stick

图8 尾斜拉杆第三阶振型
Fig.8 Third mode shape of tail control stick
由表
基于以上计算结果,利用理论分析模型,定量计算分析边界支撑刚度对于尾斜拉杆侧向和垂向安装频率的影响。考虑实际安装要求,并提高计算效率,刚度变化范围设置为原刚度的0.1~3倍,结果如图

图9 侧向1阶频率随弹性支撑刚度变化
Fig.9 Variation of lateral first-order frequency with elastic support stiffness

图10 侧向1阶频率随扭转支撑刚度变化
Fig.10 Variation of lateral first-order frequency with torsional support stiffness

图11 侧向2阶频率随弹性支撑刚度变化
Fig.11 Variation of lateral second-order frequency with elastic support stiffness

图12 侧向2阶频率随扭转支撑刚度变化
Fig.12 Variation of lateral second-order frequency with torsional support stiffness

图13 侧向3阶频率随弹性支撑刚度变化
Fig.13 Variation of lateral third-order frequency with elastic support stiffness

图14 侧向3阶频率随扭转支撑刚度变化
Fig.14 Variation of lateral third-order frequency with torsional support stiffness

图15 垂向1阶频率随支撑刚度变化
Fig.15 Variation of vertical third-order frequency with support stiffness

图16 垂向2阶频率随支撑刚度变化
Fig.16 Variation of vertical second-order frequency with support stiffness

图17 垂向3阶频率随支撑刚度变化
Fig.17 Variation of vertical third-order frequency with support stiffness
图
图
该机脚蹬高频振动是由尾斜拉杆侧向一阶安装频率靠近尾桨通过频率,导致尾斜拉杆局部产生共振引起。
为了改善该问题,需要对尾斜拉杆进行调频,同时为了保证在不同的边界约束下,尾斜拉杆安装频率均可以避开尾桨1阶通过频率以及其他的激励频率,考虑进行尾斜拉杆的截面尺寸更改。
根据尾斜拉杆动特性试验实测的安装频率以及理想边界条件下安装频率计算结果,假设尾斜拉杆两端支撑刚度损失相等,利用理论模型计算得到尾斜拉杆侧向支撑刚度损失为50%~78%,垂向支撑刚度损失为60%。
对尾斜拉杆的截面尺寸进行更改需要保证尾斜拉杆强度满足要求,即更改后尾斜拉杆截面面积大于等于原拉杆截面面积,假设尾斜拉杆截面面积和边界支撑刚度不变,利用理论模型对尾斜拉杆结构尺寸参数进行优化,并计算得到尾斜拉杆外径对其前3阶安装频率的影响曲线,如图

图18 尾斜拉杆侧向前三阶频率随拉杆外径变化曲线图
Fig.18 Variation curves of the first three order lateral installation frequency with outer diameter of tail control stick

图19 尾斜拉杆垂向前三阶频率随拉杆外径变化曲线图
Fig.19 Variation curves of the first three order vertical installation frequency with outer diameter of tail control stick
由图可知,考虑尾斜拉杆实际刚度损失,并在不改变边界约束条件下,尾斜拉杆外径至少需要降低至Φ35 mm以下。综合考虑加工、装配等因素,确定更改尾斜拉杆截面尺寸如下:直径由Φ40 mm更改为Φ32 mm,管壁厚由1.5 mm增加至2 mm。根据故障机尾斜拉杆的尺寸和安装情况,考虑该机尾斜拉杆的实际刚度损失(侧向50%,垂向60%),计算得到截面尺寸改进后尾斜拉杆安装频率,并与改进前的安装频率进行对比(
根据
为了验证改进后的尾斜拉杆是否可以有效改善和解决脚蹬高频振动问题,开展改进后尾斜拉杆装机动特性试验和飞行试验。
基于试验的实际条件,尾斜拉杆安装动特性试验采用单点激励多点拾振的测试方案,沿尾斜拉杆轴线均匀布置3个测点,试验在地面正常停机状态下,采用锤击法进行激励,分别沿着3个测点进行侧向和垂向激励,同时采集3个测点的振动水平,利用LMS模态测试软件分析得到尾斜拉杆垂向和侧向的安装频率。为了进一步验证解决方案的有效性,在脚蹬上安装1个三向加速度传感器并开展飞行振动测试,实测飞行中脚蹬的实际振动水平。
尾斜拉杆改进后安装频率测试结果如

图20 尾斜拉杆改进后脚蹬航向振动水平
Fig.20 Pedal course vibration level of tail control stick after improvement
本文针对某型机脚蹬高频振动问题,分析确定了高频振动问题产生的原因,针对边界约束对尾斜拉杆安装频率的影响建立理论模型进行分析,并基于计算分析结果提出解决方案,经尾斜拉杆安装动特性试验和飞行试验验证,得出如下结论:
(1) 脚蹬高频振动问题是由于尾斜拉杆侧向安装频率靠近尾桨一阶通过频率导致尾斜拉杆局部共振引起。
(2) 边界约束对于操纵拉杆的安装频率有较大影响,相比理想边界状态,考虑边界约束影响时,操纵拉杆垂向简支状态下支撑刚度损失约60%;侧向固定状态下支撑刚度损失约50%~78%,因此在进行操纵拉杆设计时应充分考虑边界约束对操纵拉杆安装频率的影响。
(3) 边界约束中弹性刚度对于操纵拉杆安装频率影响较大,而扭转刚度对其影响稍小。当弹性刚度较小时,操纵拉杆安装频率对弹性刚度变化非常敏感,随着弹性刚度增大,安装频率对弹性刚度变化敏感度才会逐渐降低。另外边界约束对操纵拉杆安装频率的影响随着模态阶数增大而增大,而且当两端支撑刚度相差较大时,操纵拉杆安装频率主要受到支撑刚度较大一端的影响。
(4)本文基于Rriz法建立的参数化理论模型经验证计算结果与试验结果均有较好的一致性,分析精度满足工程研制的实际需求,同时理论模型分析可以有效评估边界约束对尾斜拉杆安装频率的影响,适合外场分析使用,为后续操纵拉杆研制优化以及外场类似振动问题分析提供了思路和可行的分析方法。
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