基于直线位移传感器对直升机旋翼圆盘阻尼器性能测试方法

章猛 郭聪 杨月

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

1 概述

阻尼器是一种提供运动阻力，耗减运动能量的装置。早在几十年前，阻尼器就广泛应用于航天、航空、军工、机械等行业，二十世纪七十年代后，人们开始逐步将其应用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，发展十分迅速。阻尼器有摩擦阻尼器、液压阻尼器、粘弹性阻尼器和液弹性阻尼器等多种形式[1]。粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和金属粘结的一种结构，具有尺寸小、重量轻、生产工艺和装配协调简单等优点，在上世纪八十年代就应用于直升机旋翼系统，是直升机旋翼系统的关键部件[2]。

圆盘式粘弹性阻尼器是为桨叶摆振运动提供阻尼的一种专用结构阻尼器。阻尼器通过螺栓固定在直升机旋翼支臂袖套上，如图1所示，当桨叶驱动支臂产生摆振方向运动时，由于袖套在摆振方向是刚硬的，会带动阻尼器产生沿支臂摆振方向的相对运动。在直升机旋翼运转时测量该相对运动位移对旋翼的安全监控和阻尼效果分析具有非常重要的意义。

以往直升机试验中，阻尼器位移的测量对象为固定在旋翼桨毂支臂和桨毂中央件之间或者固定在两套支臂之间的圆筒式阻尼器，这种阻尼器的的运动方式为沿其自身轴线进行往复运动。针对这种阻尼器位移的测量方式往往采用激光位移传感器及挡板测量阻尼器两端固定点的相对位移，该方法不适合于圆盘式阻尼器位移测量。

2 试验设计及过程

2.1 直线位移传感器工作原理

直线位移传感器又称电阻尺,碳膜尺,电子尺，由电刷组件、电气连接、轴承、阻轨、电阻元件、外壳（经过阳极氧化铝）组成，如图2 所示，其内置导电塑料测量单元寿命长无温漂，外壳表面经过阳极处理是可以防腐蚀的，一般两端都有一点缓冲的行程。其特点是寿命长、线性好、重复性好、结构简单、使用方便和受环境影响小。

其原理简单,通常将可变的电阻滑轨定置在传感器固定的部位,通过电刷滑动来改变碳膜尺的阻值从而得到位移对应的阻值。

2.2 传感器安装工装设计

传感器安装工装主要由传感器固定支架和挡板组成，如图3 所示，传感器固定支架将直线位移传感器安装在圆盘式阻尼器的上表面，挡板安装在旋翼支臂的袖套上，测量阻尼器沿旋翼支臂摆振方向的相对运动，安装时必须保证传感器的顶杆朝旋翼支臂的摆振方向并且与挡板接触面垂直，最大程度上消除测量误差。由于是安装在旋转部件上，采用开口销和保险丝双重防松方式，并且试验前对安装工装进行强度校核，确保试验的安全性。

图1：圆盘式粘弹性阻尼器安装示意图

图2：直线位移传感器

图3：传感器安装工装

表1：试验机运行状态

图4：试验原理

2.3 试验过程

试验前，在贴好电阻应变片的相对的两个主旋翼支臂的上下翼面各安装一个直线位移传感器用于测量阻尼器位移，并进行旋翼系统的锥体动平衡调整。试验机在飞行状态下提升主桨总距并改变周期变距，在不同状态下采集阻尼器位移数据、主旋翼系统载荷数据与阻尼器曲杆剪力数据，试验原理如图4 所示，当旋翼转动时，桨叶在旋转平面内摆动，而粘弹性橡胶层则产生往复的剪切变形，从而产生内阻尼来提供所要求的摆振阻尼，以防止旋翼系统的不稳定运动。通过同步采集阻尼器相对旋翼支臂的剪切位移和曲杆剪力从而分析圆盘式粘弹性阻尼器的性能。

完成以表1 状态的试验机运转，试验时为常温常压，每个状态下尾桨为中立状态且稳定运转时间不低于2 分钟。

试验机运转过程中全程对阻尼器位移，主桨叶、袖套、柔性梁、阻尼器曲杆、变距拉杆、主旋翼轴上的载荷数据，旋翼转速、总距、纵横向周期变距等操纵数据进行监控及存储。

3 数据处理及分析

3.1 阻尼器性能参数

产生单位变形所需的动态力叫动刚度。

式中：F——动态力N；δ——变形幅值mm；K——动刚度N/mm

动刚度分为动态弹性刚度和阻尼刚度。

产生单位变形所需的动态弹性力叫动态弹性刚度。[3]

式中：F＇——动态弹性力N；K＇——动态弹性刚度N/mm

产生单位变形所需的阻尼力叫阻尼刚度。

式中：F＂——阻尼力N；K＂——阻尼刚度N/mm

损耗角：tgα=F＂/F＇

3.2 阻尼器位移数据处理

测量记录数据为工程量，采样率为2000Hz，按时间周期分别给出静值与动值。其中静、动值计算方法如下：

其中：Vmax：一段时间周期内的最大值；Vmin：一段时间周期内的最小值；

四个直线位移传感器测量的阻尼器位移数据如图5 所示,四组数据位移波形相似，可证明数据的有效性。阻尼器位移数值不同是因为各阻尼器状态、安装位置和试验件状态不一样，而导致位移数值有所区别。位移正负波动则是由于总距的改变使得旋翼的扭转角产生变化，导致阻尼器受力方向发生改变。其中(a)、(c)是同一旋翼上下翼面的阻尼器位移数据，(b)、(d)另一旋翼上下翼面的阻尼器位移数据。

产生(a)、(c)两组数据的两个阻尼器所受的曲杆剪力如图6 所示，曲杆剪力和阻尼器位移越大，阻尼器做的功量就越大。经数据处理分析可得，直升机在飞行状态下，增加总距，直升机上升，阻尼器做的功量增加，但是阻尼器的弹性刚度降低，性能变差，损耗加大。总距不变时增加纵向周期变距，直升机前飞，阻尼器做的功量增加，弹性刚度降低。

3.3 位移参数误差分析

位移参数数据误差要求优于±3%。

位移数据误差主要来源于传感器误差及测试仪器误差。传感器误差D1优于±0.5%，测试仪器D2误差优于±0.5%，总的误差为：

满足试验要求。

4 结论

本次试验通过自主设计工装，安装直线位移传感器和电阻应变片直升机旋翼支臂上，并进行不同状态下的直升机地面试验，测量圆盘式粘弹性阻尼器在摆振方向的位移和曲杆剪力。通过试验发现，直线位移传感器在直升机飞行状态下测量效果良好，经试验数据分析，得出该方法测量得到的信号准确，满足直升机旋翼圆盘阻尼器性能测试的测量需求，设计的安装工装安全可靠，首次实现了直升机旋翼使用的圆盘式粘弹性阻尼器在直升机旋翼运转时的位移测量，可应用于今后同类直升机旋翼运转时阻尼器的安全监控以及阻尼效果分析。

图5：阻尼器位移

图6：曲杆剪力