直升机旋翼磁流变阻尼器设计和试验

林 展，覃海鹰，王 耘

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.天津津航计算技术研究所，天津 300000)

0 引言

直升机旋翼摆振阻尼器是直升机旋翼系统的关键部件，其动力学特性直接影响到桨叶的摆振运动，对旋翼、旋翼/机体耦合系统稳定性以及气弹振动载荷产生重要的影响。

磁流变阻尼器是一种全新概念的直升机旋翼摆振阻尼器，是继摩擦阻尼器、液压阻尼器、粘弹阻尼器、液弹阻尼器之后的一种预期可实现阻尼可控的旋翼智能阻尼器。磁流变阻尼器阻尼自主可控的特点，使直升机可根据不同的飞行状态通过改变磁场强度主动控制阻尼大小，既可以满足直升机不发生“地面共振”的阻尼需求，又可以满足直升机飞行性能及飞行品质的高要求。

到目前为止，对于磁流变阻尼器在直升机旋翼上的应用研究，从阻尼器的设计方法到试验验证都没有形成一个系统体系，而且国内外以直升机实际使用指标为研究目标的研究还在起步阶段。本文提出了直升机旋翼磁流变阻尼器的设计和试验验证方法，针对某典型单旋翼带尾桨构型直升机旋翼摆振阻尼器技术指标，设计了一直升机旋翼磁流变阻尼器原理样件，并进行动力学特性试验验证。

1 旋翼磁流变阻尼器原理及结构

磁流变阻尼器按照活塞杆和缸筒的数量来划分种类有：单缸单出杆式结构、双缸单出杆式结构、双缸双出杆式结构。无论是单缸单出杆式还是双缸单出杆式，活塞杆在缸内始终处于悬臂状态，稳定性差，且其行程小。本文提出的旋翼磁流变阻尼器采用双缸双出杆式结构。图1给出了一种双缸双出杆式结构磁流变阻尼器的原理结构示意。从图中可以看出，磁流变阻尼器主要由活塞(活塞杆)、线圈、磁流变液、环形通道等部分结构组成。

图1 磁流变阻尼器原理结构示意

磁流变阻尼器最大的优势在于可以提供响应迅速、连续可调的阻尼特性，其所有的阻尼特性都可以通过改变磁场来获得。磁流变阻尼器进行阻尼运动时分为有磁场和无磁场两种阻尼运动形式。当磁流变阻尼器激励线圈未通电无磁场时，阻尼器缸体内的磁流变液以牛顿流体的形式存在，磁流变阻尼器相当于一种被动式的压差阻尼器。阻尼器活塞在外激频率作用下沿轴向作相对运动时，活塞两端产生一定压强差，活塞要克服这个压强差运动，就产生了阻尼。一旦向磁流变阻尼器中的激励线圈施加电流，由于电磁感应，活塞两边磁路经过的区域产生感应磁场，在毫秒级时间内磁流变液由牛顿流体连续、可逆转地变为Bingham粘塑性流体，磁流变液的剪切强度值随磁感应强度变化而变化，实现磁流变阻尼器的阻尼大小智能可控。

2 磁流变阻尼器力学模型

磁流变阻尼器的力学模型非常复杂，选取较为简单实用的Bingham平行平板模型并添加f表示的阻尼器摩擦力等附加力进行修正,表达式如下：

(1)

式中：F—阻尼器输出的阻尼力；D′—阻尼间隙平均周长；Ap—活塞有效横截面积；L—有效阻尼长度；Q—磁流变液通过阻尼间隙的总流量；v0—活塞相对于缸筒的速度；h—阻尼器阻尼间隙；η—磁流变液的零磁场时的黏度；τ(H)—磁流变液随磁场变化的剪切强度。

式(1)中第1项表示阻尼器的黏滞阻尼力，它主要与阻尼器的轴向运动速度大小有关，属于不可控的部分；第2项为与磁流变液的剪切强度成正比的可调库伦阻尼力，而磁流变液的剪切强度可以通过调节磁场的强度来改变。从式中可知，活塞有效截面积Ap、有效阻尼长度L、阻尼间隙平均周长D′增加能同时影响黏滞阻尼力和库伦阻尼力的大小，成正相关的关系，且它们与阻尼器的活塞结构尺寸有关，因此在设计阻尼器结构时应谨慎选取。

3 旋翼磁流变阻尼器结构参数设计

3.1 基本结构参数设计

磁流变阻尼器在阻尼器活塞的端部承受着轴向的拉压载荷，该载荷由活塞两侧的压力差平衡，活塞面相当于支持端。

1)活塞直径D

本文设计的旋翼磁流变阻尼器充分借鉴传统的液压阻尼器外形尺寸，活塞直径考虑阻尼器安装的约束尺寸要求。

2)活塞有效长度L

磁流变阻尼器的阻尼力与活塞有效长度正相关，在满足活塞行程要求的情况下适当增加活塞长度，同时要保证旋翼摆振阻尼器对于运动范围的要求。

3)活塞杆直径d

活塞杆需满足轴向压缩与轴向拉伸强度，活塞杆直径d满足公式：

(2)

其中，F为轴向最大载荷，ns为安全系数。

活塞杆中间设计为中空结构，在保证强度的同时减轻活塞杆的重量，且方便缠绕线圈。

4)阻尼间隙h

阻尼间隙与阻尼力成反比。为了取得满足指标载荷下的合适h，阻尼通道间隙比取值在0～0.1范围内[1]，即2h/D=0～0.1。

3.2 磁路结构设计

磁流变阻尼器的磁场如图2所示，磁芯上均匀地缠绕N匝线圈，线圈中通过的电流强度为I，磁流变阻尼器磁回路在电流作用下产生的磁流变阻尼器工作所需的磁场，每一段上的磁场强度为常数且每种确定的材料磁导率为常数[2]。

图2 磁流变阻尼器磁场示意

根据所设计的磁流变阻尼器的结构特点，将整个磁路分为6个部分。图中，Ra表示磁芯半径，Rb表示活塞半径，Rc表示阻尼间隙半径，Rd表示外筒半径，Rb-Ra表示线圈槽深度；Lb表示翼缘长度，La-Lb表示线圈槽长度；Ha表示磁芯磁场强度，Hb表示活塞磁场强度，Hd表示外筒磁场强度。

在设计活塞静态磁路时，为有效优化结构设计，遵循以下原则：1)保证能在一定的电流状态下阻尼间隙处的磁流变液能到达磁饱和的状态；2)尽量避免磁芯材料的浪费且使磁芯与阻尼间隙处磁流变液同时达到磁饱和状态。

根据磁通守恒和磁流变液的特性可以求出线圈匝数和线圈磁芯直径；阻尼有效工作长度可以根据磁回路Kirchoffs定律求得：

∑HiLi=NI

(4)

式中：Hi—各点磁场强度；Li—磁路长度；N—线圈匝数；I—电流强度。

在实际设计中，单级线圈能够传递的磁感应强度有限，要能够满足结构和材料的限制，否则可以采用多级线圈进行设计，达到传递较大的磁感应强度的目的。

4 原理样件试验验证

为模拟实际飞行状态旋翼对阻尼器的外激励，试验中把按照正弦波规律变化的u=u0sin(wt)作为激振位移对磁流变阻尼器进行加载。其中，u表示系统输入位移，u0表示系统输入位移幅值，t表示系统加载时间，w表示系统加载频率，取低频至旋翼一阶转速等效频率中的多个频率进行试验，试验加载频率包含了某常规单旋翼带尾桨直升机的桨叶一阶摆振固有频率点、地慢转速频率附近点等。通过不断改变作为输入激励的激振振幅、激励频率以及磁场强度的大小，得到模拟直升机实际飞行过程中的阻尼特性数据和载荷特性数据。

4.1 功的耗散

为描述磁流变阻尼器阻尼功的耗散特性，依据试验系统采集的数据得到图3，激励振幅3mm，频率0.5Hz激励下，电流大小1.5A、2.5A时不同感应磁场强度下阻尼力-位移关系曲线：阻尼力随着磁场强度的增加而增加且阻尼力与位移包围图形面积增加，说明阻尼器耗能能力随着磁场的增加增强。试验结果与磁流变阻尼器的设计原理一致。

图3 不同电流感应磁场强度下阻尼力-位移关系曲线

4.2 阻尼特性

某型直升机在“地面共振”相关设计使用工况下，旋翼摆振阻尼器摆振幅值最大不超过5mm。因此，只要“地面共振”分析关注的0.5Hz～1.5Hz频率范围5mm振幅以下阻尼性能高于保证直升机不发生“地面共振”的阻尼性能指标，可以认为本文设计的旋翼磁流变阻尼器原理样件性能满足直升机使用需求，确保直升机在设计使用包线内，在一定限制条件下不会发生“地面共振”。图4将旋翼磁流变阻尼器原理样件振幅5mm以下，频率0.5Hz、1.5Hz激励作用，不同电流状态对应的阻尼特性试验数据与“地面共振”要求的设计指标进行对比分析：0.5Hz频率激励下不同通电流下感应磁场的阻尼特性状态均满足阻尼特性设计指标；1.5Hz频率激励下2.5A电流感应磁场状态满足阻尼特性设计指标。

图4 不同电流感应磁场强度下阻尼特性试验值是否满足地面共振要求

4.3 载荷特性

按照旋翼摆振阻尼器的设计要求，传统的液压阻尼器载荷与频率和幅值激励正相关，为了防止桨根载荷过大，阻尼器实际载荷值应小于设计值。本文设计的旋翼磁流变阻尼器在4.3Hz频率不同幅值作用下的试验载荷可以通过调节电流的大小的感应磁场强度满足不同的载荷要求。在不考虑“空中共振”的情况下，图5所示：在0A电流的控制档，旋翼摆振阻尼器载荷大大降低，最大有效降低载荷近70%，即使考虑飞行过程摆振幅值10mm范围内的载荷也有效降低了30%左右，充分说明了旋翼磁流变阻尼器降低桨根载荷的优越性。

5 结论

本文针对直升机旋翼磁流变阻尼器提出了一套行之有效的设计和试验验证方法，针对典型单旋翼带尾桨构型的直升机设计的旋翼磁流变阻尼器原理样件，从试验的角度进行了设计验证。试验结果表明所设计的旋翼磁流变阻尼器能够到达直升机实际工况避免“地面共振”的阻尼特性要求，且能够有效降低飞行载荷。可以说，本文设计的旋翼磁流变阻尼器原理样件可以为旋翼摆振阻尼器的发展和直升机型号应用提供有价值的参考依据。

图5 4.3Hz无磁场激励下不同位移对应的试验载荷与设计载荷比较