直升机传动系统扭转振动的分析

直升机传动系统扭转振动的分析

马苏怡

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：为了获得直升机传动系统扭转振动的特性，对直升机传动系统的扭转振动进行了计算和分析。在直升机的整体系统中，传动系统是其最重要的组成部分之一，而想要了解其扭转振动的相关特性，便需要对其进行必要的计算与分析。

关键词：直升机；传动系统；扭转震动

直升机的传动系统将发动机输出的动力和运动传递给桨叶和尾桨等，是直升机的重要组成部分。计算和分析直升机传动系统的扭转振动，获得直升机传动系统扭转振动的特性，是研制和保证直升机可靠工作的重要基础。

1. 直升机传动系统的特点

由于直升机对传动系统的特殊要求,使直升机传动系统显著不同于一般的地面减速器,主要体现在:

1. 功重比大(类似直升机对发动机的功重比要求)。在同等功率条件下,传动系统的重量越小,直升机就能携带更多物资或乘客。随着技术不断发展,要求减速器传递的功率越来越大,齿轮、轴承承受的载荷越来越大。直升机的主减速器重量一般要占整个直升机结构重量的l/7~1/9,必须采用结构优化、润滑系统优化和选用高强度比的材料等方法减轻重量,提高功重比。

2. 高生存力。针对直升机可能发生的意外而提出传动系统的高生存力要求。如武装直升机有抗弹击要求;要有一定的干运转能力,以针对传动系统可能因故障导致滑油泄漏,在无滑油的情况下还能继续工作一段时间;还要求传动系统有一定的抗坠毁能力。

3. 大减速比、高效率,高可靠性、良好维修性。由于旋翼与发动机输出轴转速相差十分悬殊,有的直升机主减总减速比高达120。就必须采取多级传动和复杂的齿轮传动系等措施,这势必给传递效率带来不利影响。低的传动效率将大大增加减速器内流场的热负荷,降低减速器零部件的使用寿命、可靠性及维修周期。传动系统具有多路输入输出:主减有单发、双发、三发输入等多种形式;复杂的支承结构:主减安装支撑系统、操纵系统、发动机主安装节、中尾减、尾轴等支承构成复杂的支承系统;结构紧凑:为了满足外形及重量要求,主减内部的主传动齿轮系、附件传动齿轮系及尾传齿轮系设计于一体。高可靠性:传动系统为单路承载方式,一旦发生故障将是灾难性的,这就要求传动系统必须具有很高的可靠性。直升机受空间和结构限制,维修较为困难,因此要求传动系统有良好的维修性。

4. 复杂载荷、高寿命、动力学问题突出。对直升机来说,传动系统的使用寿命越长则运作成本越低。而传动系统的各零部件在工作中承受高、低循环疲劳载荷,承受来自主旋翼、尾旋翼和飞机各操纵系统等的载荷,受载情况复杂。另外传动系统结构复杂,零部件数目较多,零部件易发生故障和失效,且故障不易监测,维护性较差,要实现较长的使用寿命具有较大的难度。在传动系统传动链中,各种不同转速的构件协同运转,发动机、旋翼系统与传动系统之间存在振动耦合,工作过程中,激振源多,激振频率丰富,系统的弯曲和抗振动响应复杂,动力学问题也十分突出。

二、传动系统的结构

直升机的传动系统是空间传动系统，发动机1和发动机19布置在主减速器的两侧且在后方，轴线平行，风扇14在主减速器的前方，尾桨在直升机的尾部，为了便于分析传动系统的扭转振动，将传动系统展开绘制，并将风扇14移出绘制，水平传动轴的支点轴承和联轴器简化为圆盘，如图1所示。直升机的传动路线如下：发动机1通过单向离合器2、齿轮3、齿轮4、齿轮5带动齿轮6转动，还通过单向离合器2带动液压泵18，同时通过齿轮15、齿轮16带动发电机17；同理，发动机19通过单向离合器20、齿轮21、齿轮22、齿轮23带动齿轮6转动，还通过单向离合器20带动液压泵24；齿轮6通过齿轮7、齿轮8、齿轮9、系杆10、旋翼轴11带动桨叶12，通过轴25、齿轮26、齿轮27、轴28、圆盘29、轴30、圆盘31、轴32、圆盘33、轴34、圆盘35、轴36、圆盘37、轴38、齿轮39、齿轮40、轴41、齿轮42、齿轮43、轴44带动尾桨45，还通过齿轮13带动风扇14。由直升机的传动路线可知，直升机的传动系统有两个发动机输入动力，有多个分支传动，有发电机、桨叶和尾桨等多处输出，含有多根传动轴和多个齿轮。

三、直升机传动系统的扭转振动分析

在直升机的传动系统中，可以将各个装置用编号1～45分别表示，以 代表扭转主振型，系统运动过程中具有规律的时间函数可以用 来表示，其中，m可以是任何组成的序号;r表示的是阶数。在任何一个组成中，虽然其装置中的扭转主振型存在差异，但运动过程中具有规律的时间函数却相同。由于传动系统中的传动轴是一个连续最用的装置，因此，其扭转频率的种类也非常多，以振型叠加这一基本原理为基础，其扭转角位移函数可以表示为：

 (1)

以传动系统中每一个部分的具体功能为基点，传动轴为整个系统中的传动中心，多个分系统为相关节点，可以将整个系统划分成若干个模块，也可以将其称之为分系统，每个分系统都有其组成号

根据对上述公式的分析，能够大体上得出以下几方面结果。首先，以叠加原理为基础，能够将整个直升机内部的传动系统划分成为多个模块，也可以称之为分系统，每个分系统由一个轴段以及相关圆盘组成，可以现将相关方程列出来，并以边界关系为基础，得出相应扭转振动方程的解，能够为为接下来的计算与分析提供奠基理论。其次，最终的直升机扭转方程是一个二阶非齐次线性微分方程，可以通过阻尼系数与转动惯量等计算方法将第r阶计算出来，其扭转刚度可以运用系统中弹簧、轴以及圆盘的刚度相加进行计算，有利于最后通过计算机，以循环语句为基础，进行相关的编程计算。再次，引起直升机传动系统产生振动的原因是多方面的，主要由桨叶、尾桨以及发动机等相关部分产生，每个组成在进行扭转的过程中，其频响函数的对应幅值也会随着整个系统所产生的频率而发生变化，在这个过程中，会产生很多个峰值，且每一个峰值各不相同，但其都遵循一个规律，便是一般情况下，低阶固有的相关频率附近，都会有相对较大的峰值出现。最后，在整个直升机传统系统中，产生扭转振动的不同源部件，其所产生的频率各不相同，因此，其所带动的传动系统同阶进行扭转共振的过程中，在发动机转速方面，也会出现不同的表现，在这个过程中，发动机中的振源到相关部件之间的传动会相对较大，因此，在进行转动共振时，系统中发动机的整体转速也会相对较高。另外，在进行同阶扭转共振的过程中，如果传动系统所产生的震动是由桨叶所引起的，那么，此时发动机的转速会达到最高值。

参考文献：

［１］许如．直升机尾传动系扭转振动的分析［Ｊ］．航空学报，2018，２８（２）：４２５－４３１．

［２］邵允．直升机旋翼传动系统固有振动特性的研究［Ｊ］．机械科学与技术，2018，１６（３）：５２３－５２６．