Способ испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета и стенд для его осуществления

 

Изобретение относится к авиационной технике и касается способа испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета и стенда для его осуществления. Цель изобретения - определение жесткости композиционного подшипника вертикального шарнира рукава втулки несущего винта вертолета. Способ испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета заключается в последовательном нагружении с частотой вращения винта, а затем с частотой "земного резонанса" и вращения винта и определении частоты собственных колебаний лопасти, моментов в вертикальном шарнире рукава втулки несущего винта вертолета и жесткости композиционного подшипника из соотношения, приведенного в формуле изобретения. Нагружение лопасти осуществляют на стенде, позволяющем моделировать нагрузки, действующие на реальную лопасть, установленную на вертолете. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к авиационной технике и касается способа испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета и стенда для его осуществления.

Известен способ испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета, заключающийся в нагружении лопасти несущего винта вертолета в плоскости вращения с частотой вращения винта, а затем с частотой "земного резонанса" и вращения винта и определении частоты собственных колебаний лопасти, моментов в вертикальном шарнире рукава втулки несущего винта вертолета и жесткостных характеристик вертикального шарнира [1] Согласно этому способу испытания проводятся на вертолете, что приводит к большим затратам на их проведение. Кроме того, при испытаниях на вертолете нельзя выделить ту часть собственной частоты, которая обусловлена действием только момента центробежной силы при колебаниях лопасти относительно вертикального шарнира, что приводит к снижению достоверности определения жесткости компози- ционного подшипника вертикального шарнира.

Известен стенд для динамических испытаний элементов, содержащий станину с узлами крепления испытываемого элемента, механизм создания продольной нагрузки и силовозбудитель, связанные с узлами крепления испытываемого элемента [2] Однако на таком стенде нельзя осуществить одновременное нагружение рукава втулки несущего винта с частотами вращения несущего винта и "земного резонанса". Кроме того, на стенде невозможно имитировать момент центробежной силы при колебаниях лопасти относительно верти- кального шарнира.

Целью изобретения является определение жесткости композиционного подшипника вертикального шарнира рукава втулки несущего винта вертолета.

Цель достигается тем, что в способе испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета, заключающемся в нагружении лопасти несущего винта вертолета в плоскости вращения с частотой вращения винта, а затем с частотой "земного резонанса" и вращения винта и определении частоты собственных колебаний лопасти, моментов в вертикальном шарнире рукава втулки несущего винта вертолета и жесткостных характеристик вертикального шарнира, нагружение лопасти осуществляют на стенде приложением к рукаву втулки продольной силы, равной центробежной силе лопасти, а затем одновременным приложением к рукаву втулки продольной силы и момента, равных соответственно центробежной силе и моменту от центробежной силы лопасти, а жесткость композиционного подшипника определяют из соотношения C₁= λ²I · , (1) где λ частота собственных колебаний лопасти при приложении к рукаву втулки продольной силы, равной центробежной силе лопасти; λ_o частота собственных колебаний лопасти при одновременном приложении к рукаву втулки продольной силы и момента, равных соответственно центробежной силе и моменту от центробежной силы лопасти; I момент инерции лопасти относительно вертикального шарнира; ω частота вращения винта; М_о момент в вертикальном шарнире при нагружении с частотой вращения винта; М₁ момент в вертикальном шарнире при одновременном нагружении с частотой "земного резонанса" и вращения винта.

Цель достигается также тем, что стенд, содержащий станину с узлами крепления испытываемого элемента, механизм создания продольной нагрузки и силовозбудитель, связанные с узлами крепления испытываемого элемента, снабжен балкой, связанной одним концом с проушинами осевого шарнира рукава втулки несущего винта вертолета, а другим концом посредством троса и упругого элемента со станиной, дополнительным силовозбудителем и шарнирно установленными на балке рычагами с массами, при этом силовозбудители шарнирно связаны с балкой и соединены через рычаги с массами.

Величину продольного усилия, создаваемого посредством троса и упругого элемента и создающего момент, имитирующий момент от центробежной силы лопасти при колебаниях ее относительно вертикального шарнира задают из соотношения Q , где S_л статический момент лопасти относительно оси вертикального шарнира;
l_в расстояние от оси вертикального шарнира до оси вращения винта;
r расстояние от оси вертикального шарнира до точки крепления троса на балке;
а расстояние между точками крепления троса на балке и станине стенда;
ω частота вращения винта, а величину продольной силы N механизма создания продольной нагрузки устанавливают из соотношения
N=N_л-Q, где N_л центробежная сила лопасти в вертикальном шарнире.

На фиг. 1 показан стенд для динамических испытаний элементов, вид сбоку; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 схема действия силы Q на фиг. 2.

Рукав втулки несущего винта вертолета, включающий вертикальный шарнир 1, осевой шарнир 2, вертикальный ограничитель 3, через проушины горизонтального шарнира вертикального ограничителя 3 установлен на станине стенда 4. На проушинах осевого шарнира 2 закреплена балка 5, соединенная с механизмом 6 создания продольной нагрузки. На другом конце балки закреплен трос 7 с упругим элементом 8. На балке установлены силовозбудители 9 и 10, соединенные через рычаги 11 и 12 с массами 13 и 14. На корпусе осевого шарнира 2 установлен тензодатчик 15. Продольная ось стенда обозначена позицией 16.

На чертежах обозначены:
r расстояние от оси вертикального шарнира до точки крепления на балке;
а расстояние между точками крепления троса на балке и стенда;
r₁, r₂ расстояние от оси вертикального шарнира до оси шарнира рычагов 11 и 12 соответственно;
l₁, l₂ расстояние от оси шарнира рычагов 11 и 12 до центра тяжести масс 13 и 14 соответственно;
N, Q продольные усилия;
γ угол между осью балки 5 и продольной осью 16 стенда;
ϕ угол между тросом 7 и продольной осью 16 стенда.

Стенд работает следующим образом.

Рукав втулки устанавливают на станине стенда и нагружают при помощи механизма 6 продольной силой, равной центробежной силе лопасти N_л. К балке 5 прикладывают переменную силу, создающую момент в вертикальном шарнире ±5 кгм. При этом тензорезисторами, наклеенными на рукаве втулки, регистрируются изменения момента в вертикальном шарнире. Затем возбуждения прекращают и по записи на ленте осциллографа момента в вертикальном шарнире определяют чаcтоту cобcтвенных колебаний лопаcти в вертикальном шарнире при упругих деформациях композиционного подшипника λ.

Затем одновременно с продольной силой вертикальный шарнир нагружают моментом, равным по величине моменту центробежной силы лопасти при колебаниях ее относительно вертикального шарнира. Для этого при помощи троса 7 с упругим элементом 8 к балке 5 прикладывают продольное усилие Q. Далее к балке 5 прикладывают переменную силу, создающую момент в вертикальном шарнире ± 5 кгм. При этом продольная ось балки 5 отклоняется от продольной оси 16 стенда на угол γ За счет того, что трос 7 имеет упругий элемент 8, трос 7 может отклониться от продольной оси 16 стенда на угол ϕ (фиг. 3). При этом сила Q, направленная вдоль троса 7, создает момент относительно вертикального шарнира. В этом случае величину продольной силы механизма 6 устанавливают из соотношения N=N_л-Q. По записи на ленте осциллографа определяют частоту собственных колебаний λ_o при упругих деформациях композиционного подшипника.

Балка 5 снабжена двумя силовозбудителями, для того чтобы обеспечить нагружение композиционного подшипника вертикального шарнира рукава втулки несущего винта с частотой вращения винта и с частотой "земного резонанса". Силовозбудители 9 и 10 соединены через рычаги 11 и 12, шарнирно установленные на балке 5, с массами 13 и 14, для того чтобы при перемещениях силовозбудителей возникали колебания масс 13 и 14 относительно шарниров, при помощи которых рычаги 11 и 12 установлены на балке 5. При этом возникает переменная сила, которая создает переменный момент относительно вертикального шарнира. С помощью силовозбудителя 9, соединенного через рычаг 11, шарнирно установленный на балке 5, с массой 13, осуществляется нагружение с частотой вращения несущего винта.

По осциллограмме определяют величину момента в вертикальном шарнире М_о. Затем одновременно с нагружением с частотой вращения винта, обеспечиваемого силовозбудителем 9, при помощи силовозбудителя 10, соединенного через рычаг 12, шарнирно установленный на балке 5, с массой 14, обеспечивается нагружение с частотой "земного резонанса". По осциллограмме определяют величину момента в вертикальном шарнире М₁. Затем по формуле (1) определяют жесткость композиционного подшипника вертикального шарнира втулки несущего винта вертолета.

Пример осуществления предлагаемого способа.

При испытаниях на стенде были замерены следующие величины: λ 8,92 1/с, λ_o=13,177 1/с, М_о=90 кгм, М₁=24 кгм.

Параметры лопасти вертолета: I=121,31 кгм ˙ с², N_л 24900 кг, ω 28,5 1/с.

При этом стенд имеет следующие параметры:
r₁ r₂ 3 м, l₁ l₂ 1 м, r 3,5 м, а 2 м, Q=1850 кг.

Силовозбудитель 9 возбуждает колебания с частотой 28,5 1/с. Масса 13 имеет величину 0,725 кг ˙ с²/м.

Силовозбудитель 10 возбуждает колебания с частотой 9,69 1/с. Масса 14 имеет величину 0,795 кг ˙ с²/м.

При этом величина жесткости композиционного подшипника вертикального шарнира втулки несущего винта составляет С₁=3133,64 кгм.

Уравнение колебаний лопасти относительно вертикального шарнира
I_л +(C₁+S_лl_вω²)γ_л 0, где I_л момент инерции лопасти относительно вертикального шарнира;
γ_л амплитуда угловых колебаний лопасти относительно вертикального шарнира.

Уравнение колебаний конструкции стенда относительно вертикального шарнира 1
I+ C₁+ 0, где I момент инерции конструкции стенда относительно вертикального шарнира 1.

Слагаемое γ представляет собой момент от силы относительно вертикального шарнира М_Q. Величина М_Q в соответствии с фиг. 3 определяется следующим образом. При отклонении оси балки 5 от продольной оси 16 стенда на угол γ трос 7 с упругим элементом 8 отклоняется от оси 16 на угол ϕ тогда r γ а ϕ.

В этом случае М_Q Q sin ϕ˙ r. Так как углы γ и ϕ малы, sin ϕ ϕ Тогда
M_Q= Q·ϕ·r γ.

Для обеспечения идентичности испытаний подшипника вертикального шарнира втулки несущего винта на вертолете и стенде обеспечивают условия, что I_л I, γ_л=γ.

В этом случае получаем следующее выражение для величины силы Q:
Q .

Частота собственных колебаний лопасти λ относительно вертикального шарнира при упругих деформациях композиционного подшипника связана с жесткостью С₁ соотношением
λ² .

Суммарная частота собственных колебаний лопасти λ_o относительно вертикального шарнира определяется соотношением
λ_o²=λ+ν²ω² где ν²=
Определив экспериментально λ и λ_o вычисляем
ν²= .

Подставив величину ν² в формулу для определения жесткости композиционного подшипника, получаем формулу
C₁= λ²I · .

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа и стенда для его осуществления достигается за счет того, что появляется возможность определять жесткость композиционного подшипника вертикального шарнира втулки несущего винта вертолета при испытаниях на стенде, что значительно снижает затраты на ее определение и одновременно повышает достоверность, за счет того, что можно определить ту часть собственной частоты колебаний, которая обусловлена моментом центробежной силы при колебаниях лопасти относительно вертикального шарнира.

Формула изобретения

1. Способ испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета, заключающийся в последовательном нагружении лопасти несущего винта вертолета в плоскости вращения с частотой вращения винта, а затем с частотой "земного резонанса" и вращения винта, определения частоты собственных колебаний лопасти, моментов в вертикальном шарнире рукава втулки несущего винта вертолета и жесткостных характеристик вертикального шарнира, отличающийся тем, что, с целью определения жесткости композиционного подшипника вертикального шарнира рукава втулки несущего винта вертолета, нагружение лопасти осуществляют на стенде приложением к рукаву втулки продольной силы, равной центробежной силе лопасти, а затем одновременным приложением к рукаву втулки продольной силы и момента, равных соответственно центробежной силе и моменту от центробежной силы лопасти, а жесткость C₁ композиционного подшипника определяют из соотношения

где λ частота собственных колебаний лопасти при приложении к рукаву втулки продольной силы, равной центробежной силе лопасти;
l_o частота собственных колебаний лопасти при одновременном приложении к рукаву втулки продольной силы и момента, равных соответственно центробежной силе и моменту от центробежной силы лопасти;
I момент инерции лопасти относительно вертикального шарнира;
M₁ момент в вертикальном шарнире при нагружении с частотой "земного резонанса" и вращения винта;
M₀ момент в вертикальном шарнире при нагружении с частотой вращения винта;
ω частота вращения винта;
2. Стенд для динамических испытаний элементов, преимущественно для испытаний на "земной резонанс" элементов несущего винта вертолета, содержащий станину с узлами крепления испытываемого элемента, механизм создания продольной нагрузки и силовозбудитель, связанные с узлами крепления испытываемого элемента, отличающийся тем, что, с целью определения жесткости композиционного подшипника вертикального шарнира рукава втулки несущего винта вертолета, стенд снабжен балкой, связанной одним концом с проушинами осевого шарнира рукава втулки несущего винта вертолета, а другим концом посредством троса и упругого элемента со станиной, дополнительным силовозбудителем и шарнирно установленными на балке рычагами с массами, при этом силовозбудители шарнирно связаны с балкой и соединены через рычаги с массами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3