直升机桨毂双线摆吸振器试验台频率设计与验证*

袁 曦，钱 峰，李贞坤，冯志壮，程起有

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000)

0 引 言

桨毂双线摆吸振器是应用在直升机上的一种减振效率较高的被动式减振装置,其地面试验台是支撑桨毂双线摆吸振器技术研究的专用设备，可进行全尺寸的桨毂双线摆吸振器性能试验。桨毂双线摆吸振器的吸振频率与其转速成正比[1-5]，通过测量不同载荷、不同转速下试验台振动响应变化规律反映桨毂双线摆吸振器的性能，验证桨毂双线摆吸振器的吸振性能是否满足理论设计要求。

当试验台工作转速Ω与试验台频率相近时，易发生共振，共振将威胁试验安全及造成试验台结构的破坏，因此，试验台频率应避开工作转速。由桨毂双线摆吸振器工作原理可知，其吸振频率与转速成正比，为提高试验台的通用性，使试验台能够适用于不同机型、不同转速要求的桨毂双线摆吸振器，则试验台在旋翼常规转速范围内均不可发生共振，即试验台频率需在2～10 Hz间调节。

国内对非航空领域的吸振器、减振器试验装置设计研究较多。如应用在潜艇中的推进轴系纵向振动离心摆动力吸振器，王家盛[6]针对该吸振器设计了试验装置并进行了试验，证明了该吸振器在一定频带内对螺旋桨到艇体的纵向振动具有减振效果；冯肖肖[7]为一新型电磁式半主动吸振器设计了试验装置，运用该试验装置开展了吸振性能试验，获得了该电磁式吸振器实际工作频段。

从上述试验台的研究发展现状可以看出，进行试验研究是吸振器设计和应用过程中的必不可少的一步，但上述试验台仅适用某一特定规格试验件，并未针对不同试验件的试验条件作出相应设计，未采取相应设计确保试验的安全性，也未提出相应的多频率调节方式，以防止共振。笔者将结合工程实际，针对不同机型桨毂双线摆吸振器的工作条件，进行桨毂双线摆吸振器试验台频率设计，并开展频率测定试验研究。

1 试验台动力学建模

试验台主要由桨毂激振力模拟系统、传动系统、机体模拟系统及其附件系统组成，其布局如图1所示。机体模拟系统通过弹性支撑安装在支撑台架上，用以模拟机体的俯仰和滚转运动，反映机体振动响应水平；传动系统将动力传至双线摆吸振器，使得双线摆转动；桨毂激振力模拟系统采用两个相互独立的激振器对双线摆吸振器施加激振力，以模拟桨毂平面振动载荷。

图1 试验台总体布局

将机体模拟系统及传动系统简化为绕转动中心O点转动(俯仰或滚转)的振动系统，如图2所示。将弹性支撑外的其它零部件视为刚体，设试验台动部件的绕O点转动惯量为J，转角为θ，激振力F作用点G至转动中心O的距离为D，弹性支撑安装点A至转动中心O的距离为L，弹性支撑安装点的间距为d，弹性支撑刚度为k，该系统阻尼为c。

图2 试验台动力学模型

在外力作用下，根据力矩平衡，建立系统动力学方程，动部件绕转动中心O点转动的系统运动方程为：

2d)2]sinθcosθ=FLcosθ

(1)

其中，A、B、C分别取0或1，当A为0时，则表示该点未安装弹性支撑，当A为1时，则安装有弹性支撑。B与C同理。

当系统转动角度较小时，根据小角度假设，有cosθ≈1,sinθ≈θ，得到系统自由振动方程为：

2d)2]θ=0

(2)

由式(2)得试验台固有频率：

(3)

2 试验台频率设计

工程中，在试验台设计阶段，常用有限元法进行动力学设计，通过迭代设计修改结构参数，运用有限元软件对试验台进行分析求解，将试验台的固有频率调整到适当的范围[8-9]。该种方法适用于在试验台设计前期就已明确频率设计目标，同时目标频率较为单一且后续无频率调节要求的工况，即无法在试验时针对不同试验需求调节试验台频率。

由式(3)可知，试验台频率与弹性支撑刚度及安装数量、间距成正比，基于试验台弹性支撑提出多频率调节设计，即采用更换不同刚度的弹性支撑、调节安装距离及改变弹性支撑数量的方法调节试验台频率。弹性支撑选用压缩弹簧，依据试验台频率范围及弹性支撑安装空间要求，为减少工装及零件数，需保证不同刚度压缩弹簧的内径与安装高度一致，通过对压缩弹簧结构参数及刚度进行设计-计算反复迭代[10]，确定压缩弹簧的线径分别为12 mm与18 mm，刚度分别为3.123×104N/m与2.224×105N/m。

通过调整压缩弹簧的刚度、安装数量及距离，实现了试验台频率2～10 Hz间调节，解决了试验台动力学特性匹配问题，将完整装配后的试验台设计转动惯量代入式(3)，得压缩弹簧刚度及安装数量、位置与试验台频率的对应关系如表1所列。

表1 弹性支撑刚度与试验台频率

3 试验台频率测定

为验证试验台频率是否与理论设计值一致，在试验台完成总装后，对试验台开展了频率测定试验[11]，本试验采用锤击法获得试验台频率。此次试验中,安装的压缩弹簧的设计刚度为3.123×104N/m，安装位置如图3所示，动部件的主要组成部分有电机组件、十字梁组件、弹性支撑组件、主轴支座组件及主轴，运用CATIA测得以上组件绕转动中心的转动惯量为J1。

图3 压缩弹簧安装位置

同时通过附加质量法获得压缩弹簧刚度试验值，验证其是否满足设计预期值，附加质量法主要试验步骤如下。

(1) 采用锤击法测量得试验台频率ω。

(2) 台体附加一已知转动惯量的质量块，同样采用锤击法测得此时试验台频率ω1。

由式(3)推得，附加质量前后试验台频率ω与ω1的计算公式如下:

(4)

(5)

式中：J1为试验台动部件转动惯量；ΔJ为附加质量转动惯量；k1为压缩弹簧刚度。

联立式(4)与式(5)，得压缩弹簧刚度试验值为：

(6)

对测点进行多次锤击，得到力锤的力信号与加速度响应信号，进行函数计算，观察幅值与相位，如图4与图5所示。采用时域法进行模态拟合后，得稳态图，通过对稳态图的最终分析，提取试验台频率[12]。将测得的试验台频率及附加质量转动惯量代入公式(6)中，得试验台压缩弹簧刚度试验值，比较试验值与设计值，如表2所列。

图4 通用柔性钳口块工作示意图1.固定钳口 2.固定钳口铁 3.旋转钳口块 4.活动钳口

表2 试验值与设计值对比

图4 未附加质量试验台频响函数曲线及相位图

图5 附加质量后试验台频响函数曲线及相位图

通过频率测定试验测得了试验台频率与压缩弹簧刚度。将试验值与设计值进行比较分析，误差均在容许范围内，附加质量块时，试验台频率设计值与试验值误差为8.16%；附加质量块时，试验台频率设计值与试验值误差为7.52%，表明试验台频率符合理论设计值，试验台动力学设计合理。

4 试验台功能验证

为验证试验台是否可实现其预设功能，选取了某型桨毂双线摆吸振器试验件进行了减振性能试验，测试了不同加载条件时有无桨毂双线摆吸振器的试验台振动水平，如图6所示。

图6 不同加载条件下试验台振动水平

试验结果表明当激振力协调加载时，该桨毂双线摆吸振器试验件的吸振效率最高可达61%，试验台运转良好，具备安全开展双线摆吸振器地面试验的功能与能力。

5 结 论

针对桨毂双线摆吸振器性能试验的安全需求，完成了其试验台的动力学建模、频率设计与弹性支撑结构、刚度设计，提出了有效的频率调节方案，并结合试验分析，可以得出如下结论。

(1) 根据试验台动力学模型，对试验台进行频率设计，确定了弹性支撑结构参数与刚度，并设计了多频率调节方案，实现试验台频率2～10 Hz间可调。

(2) 经过试验台频率测定试验，表明试验台试验频率与理论设计值吻合良好，试验台动力学建模准确，频率调节设计合理。

(3) 通过测试有无桨毂双线摆吸振器的试验台振动水平，表明试验台满足功能要求，具备安全进行桨毂双线摆吸振器功能与性能试验的能力。

(4) 该试验台满足要求的频率设计，保证了桨毂双线摆吸振器动特性研究、性能与功能试验的安全，也对国内同类试验台研制设计具有借鉴意义。