自动倾斜器大轴承载荷特性研究

陈丹丹，晏 峰

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001）

0 引言

自动倾斜器是直升机操纵系统及旋翼系统的一个重要组成部分，直升机在空中飞行时的姿态调整及升力分配是通过旋翼的总距及周期变距操纵来实现的，这些操纵都离不开自动倾斜器［1-2］。自动倾斜器大轴承是操纵过程中的重要承力组件，其性能对自动倾斜器的使用寿命影响至关重要，任何组件失效都可能导致操纵系统发生故障，严重影响直升机的安全［3-4］。自动倾斜器大轴承的载荷特性分析，对直升机自动倾斜器的设计、使用、维护有重要的意义。

由于自动倾斜器大轴承位于旋转环和不旋转环之间，无法进行飞行载荷实测，因此，大轴承载荷只能通过计算推导获得。本文通过对某型直升机自动倾斜器变距拉杆飞行实测载荷数据的分析，对变距拉杆载荷模型进行简化，并根据简化后的变距拉杆载荷模型以及大轴承实际承载特性，采用解析方法建立双叶旋翼、三叶旋翼及多叶旋翼构型的大轴承承载特性函数，给出了自动倾斜器大轴承的载荷计算方法。

1 结构及承载环境

目前，直升机上采用最普遍的是环式自动倾斜器，主要由旋转环、不旋转环、大轴承、扭力臂、防扭臂、变距拉杆等部件组成［5］。

含大轴承的环式自动倾斜器典型安装环境如图1所示，大轴承通过过盈配合的方式连接旋转环与不旋转环，其安装在旋转环与不旋转环之间，桨叶传递来的铰链力矩或助力器传递来的操纵载荷，通过大轴承在旋转环与不旋转环之间传递。

图1 典型大轴承结构及安装环境

2 变距拉杆载荷模型简化

2.1 理论模型

操纵系统的外载荷来自桨叶的铰链力矩，其与来自驾驶员（或助力器）的操纵力相平衡。桨叶上的铰链力矩包括气动力矩、惯性力矩、摩擦力矩和离心力矩等，可用傅里叶级数表示：

其中，常数项M0传递至操纵系统形成不变的总距杆力，为静载荷；幅值为Msn，Mcn的交变项传递至操纵系统形成交变的总距杆力，为动载荷。

2.2 飞行实测数据分析

以某型直升机飞行实测载荷数据为例进行分析，选取地面慢车、滑行及滑跑、悬停回转以及小速度平飞4种典型飞行状态，对变距拉杆载荷进行分析。每个飞行状态取4 s载荷数据进行频谱分析，如图2—5所示。

图2 地面慢车状态数据

图3 滑行及滑跑状态数据

图4 悬停回转状态数据

图5 小速度平飞状态数据

4种飞行状态的前三阶频率幅值对比如表1所示，二阶幅值对一阶幅值的比值为6%～15%，三阶幅值对一阶幅值的最大比值为10%～24%，可以看出变距拉杆动载载荷以一阶频率为主，因此可用式（2）表示变距拉杆载荷。

表1 4种典型飞行状态前三阶频率幅值对比

若不考虑铰链力矩中的高阶谐波量，则变距拉杆载荷可表示为：

3 大轴承载荷特性分析

自动倾斜器大轴承在旋转环与不旋转环之间传递载荷，主要承受变距拉杆载荷在旋转环上的合成载荷，此载荷与助力器在不旋转环上的合成载荷平衡。

由前述可知，变距拉杆载荷以一阶频率为主，高阶谐波量在工程应用中可忽略。同时假设桨叶为轴对称且受均匀载荷，不存在气动干扰力，并在此基础上进行后续推导［6］。

3.1 双叶旋翼

双叶旋翼构型历史悠久且较为特殊，因为减少了旋翼桨叶片数，使得旋翼结构更加紧凑和轻便，桨叶与桨毂刚性连接，采用跷跷板铰链同时代替挥舞铰和摆振铰，所以也叫半刚性旋翼，在轻小型直升机中较为常见。

建立如图6所示的坐标系，假设直升机旋转方向为俯视逆时针，旋翼转速为ω，两个变距拉杆轴力分别为T1，T2，旋转一周的变距拉杆静载荷为T0，动载荷幅值为T，变距拉杆与旋转环支臂连接点的半径为R，变距拉杆力T1在t=0时刻的初始相位角为α。

图6 双叶旋翼旋转环支臂载荷坐标系

则某时刻t作用在旋转环两个支臂上的载荷分别为：

旋转环支臂载荷传递至大轴承所承受弯矩载荷为：

将式（3）代入式（4）可得：

可以看出，双叶旋翼构型的大轴承弯矩为随转速、变距拉杆初始相位角变化的周期函数，该载荷大小与变距拉杆动载荷幅值和旋转环支臂节点半径相关。

3.2 三叶旋翼

建立如图7所示坐标系，假设直升机3根变距拉杆轴力分别为T1，T2，T3，其余参数定义与3.1节一致。

图7 三叶旋翼旋转环支臂载荷坐标系

则作用在旋转环3个支臂上的载荷分别为：

旋转环支臂载荷传递至大轴承所承受弯矩载荷为：

将式（7）代入式（8）可得：

对弯矩进行合成后可得：

可以看出，变距拉杆传递至旋转环上合成的弯矩载荷为一个常量，该载荷大小与变距拉杆动载荷幅值和旋转环支臂节点半径相关。

3.3 多叶旋翼

假设桨叶片数为n（n≥3），变距拉杆载荷分别为T1，T2……Tn，其余参数定义与3.1节一致。则作用在旋转环n个支臂上的载荷分别为：

旋转环支臂载荷传递至大轴承所承受弯矩载荷为：

将式（11）代入式（12）可得：

对弯矩进行合成后可得：

可以看出变距拉杆传递至旋转环上合成的弯矩载荷为一个常量，该载荷大小与桨叶片数、变距拉杆动载荷幅值和旋转环支臂节点半径相关。

4 工程应用

以某型五叶旋翼构型直升机为例，其总重为G，旋翼半径为L，拉杆与旋转环连接点半径为0.076 7 m。选取11个飞行状态，根据式（14），由变距拉杆动载荷计算可得大轴承弯矩载荷如表2所示（所有参数均已无量纲化）。

表2 大轴承弯矩载荷

根据表2中大轴承弯矩载荷，进行大轴承装机选用，经机队实践应用表明，机上使用的大轴承满足强度要求，该算法有效可行。

5 结语

通过对直升机自动倾斜器变距拉杆载荷理论模型的简化和飞行实测载荷数据的分析以及对不同旋翼构型自动倾斜器旋转环支臂上载荷的推导，可以得出以下结论：

（1）直升机自动倾斜器变距拉杆动载荷主要成分为一阶主旋翼频率。

（2）双叶旋翼直升机自动倾斜器大轴承弯矩载荷为一个随时间变化的周期函数。

（3）3片桨叶以上旋翼构型的直升机自动倾斜器大轴承弯矩载荷为一个与旋转环支臂节点、变距拉杆轴力以及桨叶片数有关的常量。

（4）通过解析法得到自动倾斜器大轴承载荷计算方法可用于指导大轴承的工程设计。