林 展，覃海鷹，王 耘

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.天津津航計算技術(shù)研究所，天津 300000)

0 引言

直升機(jī)旋翼擺振阻尼器是直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其動力學(xué)特性直接影響到槳葉的擺振運動，對旋翼、旋翼/機(jī)體耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性以及氣彈振動載荷產(chǎn)生重要的影響。

磁流變阻尼器是一種全新概念的直升機(jī)旋翼擺振阻尼器，是繼摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈阻尼器、液彈阻尼器之后的一種預(yù)期可實現(xiàn)阻尼可控的旋翼智能阻尼器。磁流變阻尼器阻尼自主可控的特點，使直升機(jī)可根據(jù)不同的飛行狀態(tài)通過改變磁場強(qiáng)度主動控制阻尼大小，既可以滿足直升機(jī)不發(fā)生“地面共振”的阻尼需求，又可以滿足直升機(jī)飛行性能及飛行品質(zhì)的高要求。

到目前為止，對于磁流變阻尼器在直升機(jī)旋翼上的應(yīng)用研究，從阻尼器的設(shè)計方法到試驗驗證都沒有形成一個系統(tǒng)體系，而且國內(nèi)外以直升機(jī)實際使用指標(biāo)為研究目標(biāo)的研究還在起步階段。本文提出了直升機(jī)旋翼磁流變阻尼器的設(shè)計和試驗驗證方法，針對某典型單旋翼帶尾槳構(gòu)型直升機(jī)旋翼擺振阻尼器技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了一直升機(jī)旋翼磁流變阻尼器原理樣件，并進(jìn)行動力學(xué)特性試驗驗證。

1 旋翼磁流變阻尼器原理及結(jié)構(gòu)

磁流變阻尼器按照活塞桿和缸筒的數(shù)量來劃分種類有：單缸單出桿式結(jié)構(gòu)、雙缸單出桿式結(jié)構(gòu)、雙缸雙出桿式結(jié)構(gòu)。無論是單缸單出桿式還是雙缸單出桿式，活塞桿在缸內(nèi)始終處于懸臂狀態(tài)，穩(wěn)定性差，且其行程小。本文提出的旋翼磁流變阻尼器采用雙缸雙出桿式結(jié)構(gòu)。圖1給出了一種雙缸雙出桿式結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器的原理結(jié)構(gòu)示意。從圖中可以看出，磁流變阻尼器主要由活塞(活塞桿)、線圈、磁流變液、環(huán)形通道等部分結(jié)構(gòu)組成。

圖1 磁流變阻尼器原理結(jié)構(gòu)示意

磁流變阻尼器最大的優(yōu)勢在于可以提供響應(yīng)迅速、連續(xù)可調(diào)的阻尼特性，其所有的阻尼特性都可以通過改變磁場來獲得。磁流變阻尼器進(jìn)行阻尼運動時分為有磁場和無磁場兩種阻尼運動形式。當(dāng)磁流變阻尼器激勵線圈未通電無磁場時，阻尼器缸體內(nèi)的磁流變液以牛頓流體的形式存在，磁流變阻尼器相當(dāng)于一種被動式的壓差阻尼器。阻尼器活塞在外激頻率作用下沿軸向作相對運動時，活塞兩端產(chǎn)生一定壓強(qiáng)差，活塞要克服這個壓強(qiáng)差運動，就產(chǎn)生了阻尼。一旦向磁流變阻尼器中的激勵線圈施加電流，由于電磁感應(yīng)，活塞兩邊磁路經(jīng)過的區(qū)域產(chǎn)生感應(yīng)磁場，在毫秒級時間內(nèi)磁流變液由牛頓流體連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)地變?yōu)锽ingham粘塑性流體，磁流變液的剪切強(qiáng)度值隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化，實現(xiàn)磁流變阻尼器的阻尼大小智能可控。

2 磁流變阻尼器力學(xué)模型

磁流變阻尼器的力學(xué)模型非常復(fù)雜，選取較為簡單實用的Bingham平行平板模型并添加f表示的阻尼器摩擦力等附加力進(jìn)行修正,表達(dá)式如下：

(1)

式中：F—阻尼器輸出的阻尼力；D′—阻尼間隙平均周長；Ap—活塞有效橫截面積；L—有效阻尼長度；Q—磁流變液通過阻尼間隙的總流量；v0—活塞相對于缸筒的速度；h—阻尼器阻尼間隙；η—磁流變液的零磁場時的黏度；τ(H)—磁流變液隨磁場變化的剪切強(qiáng)度。

式(1)中第1項表示阻尼器的黏滯阻尼力，它主要與阻尼器的軸向運動速度大小有關(guān)，屬于不可控的部分；第2項為與磁流變液的剪切強(qiáng)度成正比的可調(diào)庫倫阻尼力，而磁流變液的剪切強(qiáng)度可以通過調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)度來改變。從式中可知，活塞有效截面積Ap、有效阻尼長度L、阻尼間隙平均周長D′增加能同時影響?zhàn)枘崃蛶靷愖枘崃Φ拇笮?，成正相關(guān)的關(guān)系，且它們與阻尼器的活塞結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，因此在設(shè)計阻尼器結(jié)構(gòu)時應(yīng)謹(jǐn)慎選取。

3 旋翼磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

3.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

磁流變阻尼器在阻尼器活塞的端部承受著軸向的拉壓載荷，該載荷由活塞兩側(cè)的壓力差平衡，活塞面相當(dāng)于支持端。

1)活塞直徑D

本文設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器充分借鑒傳統(tǒng)的液壓阻尼器外形尺寸，活塞直徑考慮阻尼器安裝的約束尺寸要求。

2)活塞有效長度L

磁流變阻尼器的阻尼力與活塞有效長度正相關(guān)，在滿足活塞行程要求的情況下適當(dāng)增加活塞長度，同時要保證旋翼擺振阻尼器對于運動范圍的要求。

3)活塞桿直徑d

活塞桿需滿足軸向壓縮與軸向拉伸強(qiáng)度，活塞桿直徑d滿足公式：

(2)

其中，F(xiàn)為軸向最大載荷，ns為安全系數(shù)。

活塞桿中間設(shè)計為中空結(jié)構(gòu)，在保證強(qiáng)度的同時減輕活塞桿的重量，且方便纏繞線圈。

4)阻尼間隙h

阻尼間隙與阻尼力成反比。為了取得滿足指標(biāo)載荷下的合適h，阻尼通道間隙比取值在0～0.1范圍內(nèi)[1]，即2h/D=0～0.1。

3.2 磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁流變阻尼器的磁場如圖2所示，磁芯上均勻地纏繞N匝線圈，線圈中通過的電流強(qiáng)度為I，磁流變阻尼器磁回路在電流作用下產(chǎn)生的磁流變阻尼器工作所需的磁場，每一段上的磁場強(qiáng)度為常數(shù)且每種確定的材料磁導(dǎo)率為常數(shù)[2]。

圖2 磁流變阻尼器磁場示意

根據(jù)所設(shè)計的磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)特點，將整個磁路分為6個部分。圖中，Ra表示磁芯半徑，Rb表示活塞半徑，Rc表示阻尼間隙半徑，Rd表示外筒半徑，Rb-Ra表示線圈槽深度；Lb表示翼緣長度，La-Lb表示線圈槽長度；Ha表示磁芯磁場強(qiáng)度，Hb表示活塞磁場強(qiáng)度，Hd表示外筒磁場強(qiáng)度。

在設(shè)計活塞靜態(tài)磁路時，為有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，遵循以下原則：1)保證能在一定的電流狀態(tài)下阻尼間隙處的磁流變液能到達(dá)磁飽和的狀態(tài)；2)盡量避免磁芯材料的浪費且使磁芯與阻尼間隙處磁流變液同時達(dá)到磁飽和狀態(tài)。

根據(jù)磁通守恒和磁流變液的特性可以求出線圈匝數(shù)和線圈磁芯直徑；阻尼有效工作長度可以根據(jù)磁回路Kirchoffs定律求得：

∑HiLi=NI

(4)

式中：Hi—各點磁場強(qiáng)度；Li—磁路長度；N—線圈匝數(shù)；I—電流強(qiáng)度。

在實際設(shè)計中，單級線圈能夠傳遞的磁感應(yīng)強(qiáng)度有限，要能夠滿足結(jié)構(gòu)和材料的限制，否則可以采用多級線圈進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到傳遞較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的。

4 原理樣件試驗驗證

為模擬實際飛行狀態(tài)旋翼對阻尼器的外激勵，試驗中把按照正弦波規(guī)律變化的u=u0sin(wt)作為激振位移對磁流變阻尼器進(jìn)行加載。其中，u表示系統(tǒng)輸入位移，u0表示系統(tǒng)輸入位移幅值，t表示系統(tǒng)加載時間，w表示系統(tǒng)加載頻率，取低頻至旋翼一階轉(zhuǎn)速等效頻率中的多個頻率進(jìn)行試驗，試驗加載頻率包含了某常規(guī)單旋翼帶尾槳直升機(jī)的槳葉一階擺振固有頻率點、地慢轉(zhuǎn)速頻率附近點等。通過不斷改變作為輸入激勵的激振振幅、激勵頻率以及磁場強(qiáng)度的大小，得到模擬直升機(jī)實際飛行過程中的阻尼特性數(shù)據(jù)和載荷特性數(shù)據(jù)。

4.1 功的耗散

為描述磁流變阻尼器阻尼功的耗散特性，依據(jù)試驗系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)得到圖3，激勵振幅3mm，頻率0.5Hz激勵下，電流大小1.5A、2.5A時不同感應(yīng)磁場強(qiáng)度下阻尼力-位移關(guān)系曲線：阻尼力隨著磁場強(qiáng)度的增加而增加且阻尼力與位移包圍圖形面積增加，說明阻尼器耗能能力隨著磁場的增加增強(qiáng)。試驗結(jié)果與磁流變阻尼器的設(shè)計原理一致。

圖3 不同電流感應(yīng)磁場強(qiáng)度下阻尼力-位移關(guān)系曲線

4.2 阻尼特性

某型直升機(jī)在“地面共振”相關(guān)設(shè)計使用工況下，旋翼擺振阻尼器擺振幅值最大不超過5mm。因此，只要“地面共振”分析關(guān)注的0.5Hz～1.5Hz頻率范圍5mm振幅以下阻尼性能高于保證直升機(jī)不發(fā)生“地面共振”的阻尼性能指標(biāo)，可以認(rèn)為本文設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件性能滿足直升機(jī)使用需求，確保直升機(jī)在設(shè)計使用包線內(nèi)，在一定限制條件下不會發(fā)生“地面共振”。圖4將旋翼磁流變阻尼器原理樣件振幅5mm以下，頻率0.5Hz、1.5Hz激勵作用，不同電流狀態(tài)對應(yīng)的阻尼特性試驗數(shù)據(jù)與“地面共振”要求的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行對比分析：0.5Hz頻率激勵下不同通電流下感應(yīng)磁場的阻尼特性狀態(tài)均滿足阻尼特性設(shè)計指標(biāo)；1.5Hz頻率激勵下2.5A電流感應(yīng)磁場狀態(tài)滿足阻尼特性設(shè)計指標(biāo)。

圖4 不同電流感應(yīng)磁場強(qiáng)度下阻尼特性試驗值是否滿足地面共振要求

4.3 載荷特性

按照旋翼擺振阻尼器的設(shè)計要求，傳統(tǒng)的液壓阻尼器載荷與頻率和幅值激勵正相關(guān)，為了防止槳根載荷過大，阻尼器實際載荷值應(yīng)小于設(shè)計值。本文設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器在4.3Hz頻率不同幅值作用下的試驗載荷可以通過調(diào)節(jié)電流的大小的感應(yīng)磁場強(qiáng)度滿足不同的載荷要求。在不考慮“空中共振”的情況下，圖5所示：在0A電流的控制檔，旋翼擺振阻尼器載荷大大降低，最大有效降低載荷近70%，即使考慮飛行過程擺振幅值10mm范圍內(nèi)的載荷也有效降低了30%左右，充分說明了旋翼磁流變阻尼器降低槳根載荷的優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文針對直升機(jī)旋翼磁流變阻尼器提出了一套行之有效的設(shè)計和試驗驗證方法，針對典型單旋翼帶尾槳構(gòu)型的直升機(jī)設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件，從試驗的角度進(jìn)行了設(shè)計驗證。試驗結(jié)果表明所設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器能夠到達(dá)直升機(jī)實際工況避免“地面共振”的阻尼特性要求，且能夠有效降低飛行載荷?？梢哉f，本文設(shè)計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件可以為旋翼擺振阻尼器的發(fā)展和直升機(jī)型號應(yīng)用提供有價值的參考依據(jù)。

圖5 4.3Hz無磁場激勵下不同位移對應(yīng)的試驗載荷與設(shè)計載荷比較