直升機旋翼磁流變阻尼器設計和試驗

林 展，覃海鷹，王 耘

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.天津津航計算技術研究所，天津 300000)

0 引言

直升機旋翼擺振阻尼器是直升機旋翼系統的關鍵部件，其動力學特性直接影響到槳葉的擺振運動，對旋翼、旋翼/機體耦合系統穩定性以及氣彈振動載荷產生重要的影響。

磁流變阻尼器是一種全新概念的直升機旋翼擺振阻尼器，是繼摩擦阻尼器、液壓阻尼器、粘彈阻尼器、液彈阻尼器之后的一種預期可實現阻尼可控的旋翼智能阻尼器。磁流變阻尼器阻尼自主可控的特點，使直升機可根據不同的飛行狀態通過改變磁場強度主動控制阻尼大小，既可以滿足直升機不發生“地面共振”的阻尼需求，又可以滿足直升機飛行性能及飛行品質的高要求。

到目前為止，對于磁流變阻尼器在直升機旋翼上的應用研究，從阻尼器的設計方法到試驗驗證都沒有形成一個系統體系，而且國內外以直升機實際使用指標為研究目標的研究還在起步階段。本文提出了直升機旋翼磁流變阻尼器的設計和試驗驗證方法，針對某典型單旋翼帶尾槳構型直升機旋翼擺振阻尼器技術指標，設計了一直升機旋翼磁流變阻尼器原理樣件，并進行動力學特性試驗驗證。

1 旋翼磁流變阻尼器原理及結構

磁流變阻尼器按照活塞桿和缸筒的數量來劃分種類有：單缸單出桿式結構、雙缸單出桿式結構、雙缸雙出桿式結構。無論是單缸單出桿式還是雙缸單出桿式，活塞桿在缸內始終處于懸臂狀態，穩定性差，且其行程小。本文提出的旋翼磁流變阻尼器采用雙缸雙出桿式結構。圖1給出了一種雙缸雙出桿式結構磁流變阻尼器的原理結構示意。從圖中可以看出，磁流變阻尼器主要由活塞(活塞桿)、線圈、磁流變液、環形通道等部分結構組成。

圖1 磁流變阻尼器原理結構示意

磁流變阻尼器最大的優勢在于可以提供響應迅速、連續可調的阻尼特性，其所有的阻尼特性都可以通過改變磁場來獲得。磁流變阻尼器進行阻尼運動時分為有磁場和無磁場兩種阻尼運動形式。當磁流變阻尼器激勵線圈未通電無磁場時，阻尼器缸體內的磁流變液以牛頓流體的形式存在，磁流變阻尼器相當于一種被動式的壓差阻尼器。阻尼器活塞在外激頻率作用下沿軸向作相對運動時，活塞兩端產生一定壓強差，活塞要克服這個壓強差運動，就產生了阻尼。一旦向磁流變阻尼器中的激勵線圈施加電流，由于電磁感應，活塞兩邊磁路經過的區域產生感應磁場，在毫秒級時間內磁流變液由牛頓流體連續、可逆轉地變為Bingham粘塑性流體，磁流變液的剪切強度值隨磁感應強度變化而變化，實現磁流變阻尼器的阻尼大小智能可控。

2 磁流變阻尼器力學模型

磁流變阻尼器的力學模型非常復雜，選取較為簡單實用的Bingham平行平板模型并添加f表示的阻尼器摩擦力等附加力進行修正,表達式如下：

(1)

式中：F—阻尼器輸出的阻尼力；D′—阻尼間隙平均周長；Ap—活塞有效橫截面積；L—有效阻尼長度；Q—磁流變液通過阻尼間隙的總流量；v0—活塞相對于缸筒的速度；h—阻尼器阻尼間隙；η—磁流變液的零磁場時的黏度；τ(H)—磁流變液隨磁場變化的剪切強度。

式(1)中第1項表示阻尼器的黏滯阻尼力，它主要與阻尼器的軸向運動速度大小有關，屬于不可控的部分；第2項為與磁流變液的剪切強度成正比的可調庫倫阻尼力，而磁流變液的剪切強度可以通過調節磁場的強度來改變。從式中可知，活塞有效截面積Ap、有效阻尼長度L、阻尼間隙平均周長D′增加能同時影響黏滯阻尼力和庫倫阻尼力的大小，成正相關的關系，且它們與阻尼器的活塞結構尺寸有關，因此在設計阻尼器結構時應謹慎選取。

3 旋翼磁流變阻尼器結構參數設計

3.1 基本結構參數設計

磁流變阻尼器在阻尼器活塞的端部承受著軸向的拉壓載荷，該載荷由活塞兩側的壓力差平衡，活塞面相當于支持端。

1)活塞直徑D

本文設計的旋翼磁流變阻尼器充分借鑒傳統的液壓阻尼器外形尺寸，活塞直徑考慮阻尼器安裝的約束尺寸要求。

2)活塞有效長度L

磁流變阻尼器的阻尼力與活塞有效長度正相關，在滿足活塞行程要求的情況下適當增加活塞長度，同時要保證旋翼擺振阻尼器對于運動范圍的要求。

3)活塞桿直徑d

活塞桿需滿足軸向壓縮與軸向拉伸強度，活塞桿直徑d滿足公式：

(2)

其中，F為軸向最大載荷，ns為安全系數。

活塞桿中間設計為中空結構，在保證強度的同時減輕活塞桿的重量，且方便纏繞線圈。

4)阻尼間隙h

阻尼間隙與阻尼力成反比。為了取得滿足指標載荷下的合適h，阻尼通道間隙比取值在0～0.1范圍內[1]，即2h/D=0～0.1。

3.2 磁路結構設計

磁流變阻尼器的磁場如圖2所示，磁芯上均勻地纏繞N匝線圈，線圈中通過的電流強度為I，磁流變阻尼器磁回路在電流作用下產生的磁流變阻尼器工作所需的磁場，每一段上的磁場強度為常數且每種確定的材料磁導率為常數[2]。

圖2 磁流變阻尼器磁場示意

根據所設計的磁流變阻尼器的結構特點，將整個磁路分為6個部分。圖中，Ra表示磁芯半徑，Rb表示活塞半徑，Rc表示阻尼間隙半徑，Rd表示外筒半徑，Rb-Ra表示線圈槽深度；Lb表示翼緣長度，La-Lb表示線圈槽長度；Ha表示磁芯磁場強度，Hb表示活塞磁場強度，Hd表示外筒磁場強度。

在設計活塞靜態磁路時，為有效優化結構設計，遵循以下原則：1)保證能在一定的電流狀態下阻尼間隙處的磁流變液能到達磁飽和的狀態；2)盡量避免磁芯材料的浪費且使磁芯與阻尼間隙處磁流變液同時達到磁飽和狀態。

根據磁通守恒和磁流變液的特性可以求出線圈匝數和線圈磁芯直徑；阻尼有效工作長度可以根據磁回路Kirchoffs定律求得：

∑HiLi=NI

(4)

式中：Hi—各點磁場強度；Li—磁路長度；N—線圈匝數；I—電流強度。

在實際設計中，單級線圈能夠傳遞的磁感應強度有限，要能夠滿足結構和材料的限制，否則可以采用多級線圈進行設計，達到傳遞較大的磁感應強度的目的。

4 原理樣件試驗驗證

為模擬實際飛行狀態旋翼對阻尼器的外激勵，試驗中把按照正弦波規律變化的u=u0sin(wt)作為激振位移對磁流變阻尼器進行加載。其中，u表示系統輸入位移，u0表示系統輸入位移幅值，t表示系統加載時間，w表示系統加載頻率，取低頻至旋翼一階轉速等效頻率中的多個頻率進行試驗，試驗加載頻率包含了某常規單旋翼帶尾槳直升機的槳葉一階擺振固有頻率點、地慢轉速頻率附近點等。通過不斷改變作為輸入激勵的激振振幅、激勵頻率以及磁場強度的大小，得到模擬直升機實際飛行過程中的阻尼特性數據和載荷特性數據。

4.1 功的耗散

為描述磁流變阻尼器阻尼功的耗散特性，依據試驗系統采集的數據得到圖3，激勵振幅3mm，頻率0.5Hz激勵下，電流大小1.5A、2.5A時不同感應磁場強度下阻尼力-位移關系曲線：阻尼力隨著磁場強度的增加而增加且阻尼力與位移包圍圖形面積增加，說明阻尼器耗能能力隨著磁場的增加增強。試驗結果與磁流變阻尼器的設計原理一致。

圖3 不同電流感應磁場強度下阻尼力-位移關系曲線

4.2 阻尼特性

某型直升機在“地面共振”相關設計使用工況下，旋翼擺振阻尼器擺振幅值最大不超過5mm。因此，只要“地面共振”分析關注的0.5Hz～1.5Hz頻率范圍5mm振幅以下阻尼性能高于保證直升機不發生“地面共振”的阻尼性能指標，可以認為本文設計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件性能滿足直升機使用需求，確保直升機在設計使用包線內，在一定限制條件下不會發生“地面共振”。圖4將旋翼磁流變阻尼器原理樣件振幅5mm以下，頻率0.5Hz、1.5Hz激勵作用，不同電流狀態對應的阻尼特性試驗數據與“地面共振”要求的設計指標進行對比分析：0.5Hz頻率激勵下不同通電流下感應磁場的阻尼特性狀態均滿足阻尼特性設計指標；1.5Hz頻率激勵下2.5A電流感應磁場狀態滿足阻尼特性設計指標。

圖4 不同電流感應磁場強度下阻尼特性試驗值是否滿足地面共振要求

4.3 載荷特性

按照旋翼擺振阻尼器的設計要求，傳統的液壓阻尼器載荷與頻率和幅值激勵正相關，為了防止槳根載荷過大，阻尼器實際載荷值應小于設計值。本文設計的旋翼磁流變阻尼器在4.3Hz頻率不同幅值作用下的試驗載荷可以通過調節電流的大小的感應磁場強度滿足不同的載荷要求。在不考慮“空中共振”的情況下，圖5所示：在0A電流的控制檔，旋翼擺振阻尼器載荷大大降低，最大有效降低載荷近70%，即使考慮飛行過程擺振幅值10mm范圍內的載荷也有效降低了30%左右，充分說明了旋翼磁流變阻尼器降低槳根載荷的優越性。

5 結論

本文針對直升機旋翼磁流變阻尼器提出了一套行之有效的設計和試驗驗證方法，針對典型單旋翼帶尾槳構型的直升機設計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件，從試驗的角度進行了設計驗證。試驗結果表明所設計的旋翼磁流變阻尼器能夠到達直升機實際工況避免“地面共振”的阻尼特性要求，且能夠有效降低飛行載荷?？梢哉f，本文設計的旋翼磁流變阻尼器原理樣件可以為旋翼擺振阻尼器的發展和直升機型號應用提供有價值的參考依據。

圖5 4.3Hz無磁場激勵下不同位移對應的試驗載荷與設計載荷比較