直升机动力学基础(地面共振-2010-11)

1、南京航空航天大学直升机技术研究所 第六章第六章 直升机地面共振直升机地面共振 与空中共振与空中共振 南京航空航天大学直升机技术研究所 直升机地面共振与空中共振是一直升机地面共振与空中共振是一 种旋翼和机体耦合的动力不稳定性运种旋翼和机体耦合的动力不稳定性运 动动自激振动。主要的自激振动源自激振动。主要的自激振动源 是旋翼后退型摆振运动与旋翼桨毂中是旋翼后退型摆振运动与旋翼桨毂中 心有水平运动的机体模态的耦合。心有水平运动的机体模态的耦合。 6.1 6.1 概述概述 南京航空航天大学直升机技术研究所 地面共振是直升机在地面开车或滑行、滑地面共振是直升机在地面开车或滑行、滑 跑时发生的。机体系统是

2、由机体支持在起落架跑时发生的。机体系统是由机体支持在起落架 上所构成的。地面共振的发散速度极大，往往上所构成的。地面共振的发散速度极大，往往 在几秒钟内就会造成机体及旋翼的破坏。在几秒钟内就会造成机体及旋翼的破坏。 空中共振是无铰式及其他新型旋翼出现后，空中共振是无铰式及其他新型旋翼出现后， 带有这种旋翼的直升机在飞行中遇到的与地面带有这种旋翼的直升机在飞行中遇到的与地面 共振类似的自激振动问题。由于是在空中发生共振类似的自激振动问题。由于是在空中发生 的，所以称为空中共振。的，所以称为空中共振。 南京航空航天大学直升机技术研究所 在地面共振中，旋翼运动主要是基在地面共振中，旋翼运动主要是基

3、阶模态的后退型摆振运动，频率为阶模态的后退型摆振运动，频率为 （或（或 ）。）。 机体的振动是指旋翼桨毂中心有水平机体的振动是指旋翼桨毂中心有水平 方向位移的振型，在地面共振分析时把机方向位移的振型，在地面共振分析时把机 体简化成刚体，通过弹性的起落架支持在体简化成刚体，通过弹性的起落架支持在 地面上所构成的振动系统。机体在起落架地面上所构成的振动系统。机体在起落架 上有六个自由度，有意义的主要是侧移和上有六个自由度，有意义的主要是侧移和 横滚两个模态。横滚两个模态。 1 6.2 6.2 地面共振及空中共振机理地面共振及空中共振机理 南京航空航天大学直升机技术研究所 当当 等于或接近机体在起落

4、架上等于或接近机体在起落架上 的固有频率，系统就会出现不稳定运动。的固有频率，系统就会出现不稳定运动。 地面共振属于低频振动，由于摆振运地面共振属于低频振动，由于摆振运 动气动阻尼很小，一般不考虑空气动力的动气动阻尼很小，一般不考虑空气动力的 作用，因而地面共振属于旋翼与机体耦合作用，因而地面共振属于旋翼与机体耦合 的机械不稳定现象。的机械不稳定现象。 南京航空航天大学直升机技术研究所 下图给出了（下图给出了（ ）或（）或（ ）随转速的）随转速的 变化，可以看出对于铰接式旋翼，在工作转速范围内变化，可以看出对于铰接式旋翼，在工作转速范围内 可能存在地面共振，而空中共振只可能在转速很低时可能存在

5、地面共振，而空中共振只可能在转速很低时 发生，没有意义。摆振柔软的无铰式旋翼地面共振、发生，没有意义。摆振柔软的无铰式旋翼地面共振、 空中共振都可能存在。对于摆振刚硬的无铰式旋翼，空中共振都可能存在。对于摆振刚硬的无铰式旋翼， 在工作转速附近及其以内在工作转速附近及其以内 ，不存在这个问题。，不存在这个问题。 南京航空航天大学直升机技术研究所 空中共振是一种在飞行中出现的旋空中共振是一种在飞行中出现的旋 翼与机体耦合的动不稳定现象，除了摆翼与机体耦合的动不稳定现象，除了摆 振运动外，挥舞运动也在其中起了很大振运动外，挥舞运动也在其中起了很大 的作用，因而空气动力对其有显著影响。的作用，因而空气

6、动力对其有显著影响。 空中共振是直升机动力学分析中最复杂空中共振是直升机动力学分析中最复杂 的问题之一。的问题之一。 南京航空航天大学直升机技术研究所 b b b b 1 1）频率）频率 （ ） 改变改变 、 使其在工作转速范围内使其在工作转速范围内 即调整即调整 和和 使重合点及相应的不稳定区移出工使重合点及相应的不稳定区移出工 作转速范围外。作转速范围外。 6.3 6.3 影响地面共振的因素及防止措施影响地面共振的因素及防止措施 2 2）阻尼特性，即保证足够摆振阻尼及机体（起落）阻尼特性，即保证足够摆振阻尼及机体（起落 架）阻尼以消除不稳定性。架）阻尼以消除不稳定性。 实际上往往需要同时采

7、用两种措施，因为不稳定实际上往往需要同时采用两种措施，因为不稳定 运动是一个转速范围，为了保证一定的安全裕度，要运动是一个转速范围，为了保证一定的安全裕度，要 求地面共振的不稳定区的下边界不低于最大转速的求地面共振的不稳定区的下边界不低于最大转速的 120%120%。 南京航空航天大学直升机技术研究所 1. 1. 减摆器减摆器 （1 1）摩擦减摆器）摩擦减摆器 （2 2）液压减摆器）液压减摆器 （3 3）粘弹减摆器）粘弹减摆器 （4 4）液弹减摆器）液弹减摆器 南京航空航天大学直升机技术研究所 （1 1）摩擦减摆器）摩擦减摆器 1 4 j e M C当量线性阻尼系数：当量线性阻尼系数： 南京航

8、空航天大学直升机技术研究所 （2 2）液压减摆器）液压减摆器 当量线性阻尼系数：当量线性阻尼系数： he CC 1 3 8 hj CM 南京航空航天大学直升机技术研究所 （3 3）粘弹减摆器）粘弹减摆器 南京航空航天大学直升机技术研究所 2.2.减震器减震器 南京航空航天大学直升机技术研究所 第七章第七章 旋翼旋翼/ /动力动力/ /传动传动 扭振系统动力学问题扭振系统动力学问题 南京航空航天大学直升机技术研究所 直升机的发动机通过由减速器及传动轴等组成的传直升机的发动机通过由减速器及传动轴等组成的传 动系统驱动旋翼及尾桨，这些部分联接在一起形成一动系统驱动旋翼及尾桨，这些部分联接在一起形成一

9、 个机械扭振系统。个机械扭振系统。 7.1 7.1 扭转共振扭转共振 南京航空航天大学直升机技术研究所 由旋翼由旋翼/ /动力动力/ /传动组成的机械扭振系统，传动组成的机械扭振系统， 其扭转固有频率与激振力频率接近以至重其扭转固有频率与激振力频率接近以至重 合时，会发生共振，在系统中会产生过大合时，会发生共振，在系统中会产生过大 的交变载荷，以至引起结构疲劳破坏。激的交变载荷，以至引起结构疲劳破坏。激 振力是旋翼作用于桨毂中心的频率为振力是旋翼作用于桨毂中心的频率为N N的的 交变扭矩，从整体振型看，即旋翼上即激交变扭矩，从整体振型看，即旋翼上即激 起摆振集合型的振动载荷，形成扭振系统起摆振

10、集合型的振动载荷，形成扭振系统 的激振力（图的激振力（图7-17-1）。）。 南京航空航天大学直升机技术研究所 图图7-1 7-1 典型的直升机扭振系统分析模型典型的直升机扭振系统分析模型 消除扭转共振的措施是改变模态固有频率，即扭消除扭转共振的措施是改变模态固有频率，即扭 转刚度和转动惯量。转刚度和转动惯量。 南京航空航天大学直升机技术研究所 机械扭振系统在扭振时，燃油调节系统的转速传机械扭振系统在扭振时，燃油调节系统的转速传 感器感受到所引起的转速脉动，使供油量也发生脉动，感器感受到所引起的转速脉动，使供油量也发生脉动， 引起作用在自由涡轮上的扭矩的脉动，这样对机械扭引起作用在自由涡轮上的扭矩的脉动，这样对机械扭 振系统又施加了激振，一定的条件下这个闭环系统会振系统又施加了激振，一定的条件下这个闭环系统会 成为动不稳定的，从而引发过大的交变载荷及直升机成为动不稳定的，从而引发过大的交变载荷及直升机 的振动（图的振动（图7-27-2）。）。 防止耦合动不稳定性的措施一是提供足够的减摆防止耦合动不稳定性的措施一是提供足够的减摆 器阻尼