轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)湖南省科技创新领军人才资助项目(.)通信作者:宾光富教授:.引用格式:周治港宾光富李超等.轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究.应用力学学报():.():.文章编号:()轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究周治港宾光富李超李坚(.湖南科技大学机电工程学院 湘潭.中国航发湖南动力机械研究所 株洲)摘 要:舰载直升机易受外部机动载荷波动的影响导致水平传动轴和尾斜轴相连接的轴角发生偏差引起尾传动系统振动超标严重时会造成尾传动轴断裂甚至坠机等灾难性事故 论文首先推导含轴角参数的尾传动系统振动方程得到了轴角偏差与啮合刚度的关系探究了偏差值与尾斜轴振动幅值的内在关联以某型直升机尾斜传动系统为研究对象建立尾传动系统动力学模型揭示了轴角参数对尾斜轴振动特性的影响规律:不同设计角度的尾传动系统在轴角发生偏差时振动响应趋势基本一致尾斜轴振动幅值会随设计角度的增加而增加轴角在 范围内发生偏差时尾斜轴的振动幅值会呈现先增加后减小的趋势偏差在.左右时尾斜轴振幅达到最大值 当轴角偏差相同时尾斜轴上中间减速器处的振动幅值为尾减速器处的.倍 研究结果可为直升机尾传动系统动力学设计与振动故障分析提供参考关键词:轴角偏差啮合刚度设计角度尾斜轴振动响应舰载直升机中图分类号:.文献标志码:./.(.):.:应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:舰载直升机常被用于海上补给、搜救、反潜、导弹超视距目标指示等任务但是由于舰船飞行甲板面积狭小飞行环境复杂直升机飞行时外部机动载荷波动频繁导致尾传动系统轴角参数会发生变化致使其振动问题愈发复杂 为了提高舰载直升机的飞行性能保障其飞行安全我国航空事业整机装配工艺技术研发应在更高层次上提升装配精度、一致性、可靠性和效率指标 在设计技术的支持下向着低成本、低噪声、低振动的目标发展 国内外学者在直升机尾传动系统的振动特性及其各参数对振动特性的影响方面开展了大量研究 首先在尾传动系统的动力学建模、振动特性方面国内以南京航空航天大学和西北工业大学为首的高校做了很多工作 许兆棠等将直升机传动系统进行简化建立了多支点传动轴动力学模型研究了传动系统的弯振特性 张鹏飞等分析了多支点配置对系统横向弯曲振动的影响 从家勇等将直升机尾传动系统简化为质量弹簧模型利用传递矩阵法和牛顿法分别得到弯振和扭振的动力学特性 吕继航等对某型号飞机进行了动力学建模和动态响应仿真分析得到了机体在各种动态效应下的载荷特性 朱自冰等将直升机传动系统简化为轴段和当量圆盘的串联系统建立等效多自由度动力学模型综合分析了直升机尾传动系统的弯振特性 曾琪等研究了联轴器扭转刚度对细长串联轴系扭振特性的影响 关卓怀等建立偏心转子的弯扭耦合振动模型分析了扭转振动、弯扭振动产生最大耦合共振振幅时的参数条件 等通过对直升机进行扭转振动和横向振动分析发现支承刚度越小振动发散越明显 等对直升机简化模型和多自由度综合模型进行了动力学研究揭示了直升机弯曲振动的规律 这些研究为后来学者提供了广阔的思路在此基础上国内外学者又研究了直升机飞行状态和尾传动系统结构参数等因素对其振动特性的影响 李文龙等建立基于飞行参数的飞机结构应变预测模型预测了大过载飞行时飞机关键部位的结构应变并与实测数据进行对比验证 毛崎波等建立弯扭耦合梁的运动微分方程推导梁的固有频率和相应的振形模态函数并讨论了弯扭耦合刚度对固有频率和模态形状的影响 向玲等建立齿轮转子滚动轴承系统的弯扭耦合动力学模型分析了齿侧间隙、轴承间隙对系统弯扭耦合振动特性的影响 任朝辉等应用集中质量法建立多自由度斜齿轮转子轴承弯扭耦合动力学模型分析了转速、齿轮偏心、轴承游隙等参数对传动系统振动响应特性的影响 倪德等基于尾传动轴系的结构特点建立考虑空间非惯性系下分布质量轴的动力学模型分析并得到了偏航角、俯仰角和横滚角对尾传动轴临界转速的影响规律 陆春荣等建立齿轮转子轴承系统动力学模型研究了啮合频率、滚子数目和轴承游隙等参数对系统振动响应特性的影响规律 万志国等建立考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差等因素的齿轮副动力学模型研究转子裂纹故障的振动响应特征 等基于有限元理论得到了得到了不同轴承系统的固有频率和固有模态 等建立单/多级耦合振动模型研究了等效质量、转动惯量和支撑刚度等关键参数对系统动态特性的表征关系 等建立了非惯性参考下转子轴承系统的数学模型研究了升沉运动 对 转 子轴 承 系 统 非 线 性 动 力 学 的 影 响 等建立了薄壁转轴的动力学模型研究了轴长与平均半径比、平均半径与厚度比等参数对传动轴固有频率和临界转速的影响 等第 期周治港 等:轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报建立了单旋翼多输入直升机动力学模型分析了传动轴的厚度和长度等轴系参数对系统动态特性的影响 等建立考虑轴变形和对中偏差的齿轮啮合模型分析了轴角、中心距和小齿轮轴向位置误差对齿轮副啮合行为的影响 等以非正交螺旋锥齿轮传动系统为研究对象分析了齿轮箱柔性、轴交角和轴不平衡值对齿轮箱系统动力学特性的影响 尾传动转子系统不同于普通的齿轮箱系统其包含水平传动轴、尾斜轴和尾桨轴等多个轴系这种多轴系结构对转子系统振动响应影响大而针对轴角偏差对振动响应影响规律的研究目前报道较少本研究以某型舰载直升机折叠式尾传动系统为例推导了轴角发生偏差时中间减速器啮合刚度的计算公式探究了偏差值与尾斜轴振动幅值的内在关联建立了含轴角参数的尾传动系统弯振动力学模型研究了尾传动系统的固有属性利用有限元方法分析了轴角偏差与尾传动系统各节点振动幅值之间的关系揭示了轴角偏差对尾斜传动轴振动特性的影响规律 含轴角的尾传动系统振动方程直升机尾传动系统由多支点的水平传动轴、中间减速器、尾斜轴、尾减速器和叠片联轴器等组成动力通过主减速器输入水平传动轴两者之间通过叠片联轴器相连接整个水平传动轴通过 个带轴承及合成橡胶弹性减震器的支架安装在传动平面和尾斜梁上其另一端与中间减速器连接 尾斜轴一端连接中间减速器一端连接尾减速器尾减速器将动力和运动传递至尾桨 其结构形式如图 所示图 尾传动系统结构示意图.轴角发生偏差时中间减速器的啮合刚度容为了计算轴角发生偏差时中间减速器的啮合刚度需要对轴角发生偏差时两齿轮之间的形变量进行求解 将螺旋锥齿轮单个齿沿着齿宽方向分成若干小节设小节 的厚度为 截面模量为 小节 到受载点沿 方向的距离为 是受力方向与轴线之间的夹角齿轮截面示意图如图 所示图 轮齿截面示意图.载荷 作用在小节 上产生弯矩引起形变为 ()()()其中:为齿面的综合法向接触力 为轮齿啮合齿宽载荷 作用在小节 上的横向力在小段上产生的形变量为()()当轴角变化角度为 时螺旋锥齿轮啮合部分的面积即为 ()()其中:此时载荷 作用在小节 上产生的剪切形变量为.()由上述公式可求出、将所求三者相加可以得到螺旋锥齿轮在载荷作用下轮齿的总形变量为 ()()从而就可以得到中间减速器的啮合刚度即 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.()()()()()假设中间减速器啮合处所受载荷力 大小不变根据上述公式可以得到其啮合刚度 的大小主要取决于两齿轮之间的总形变量 当轴角相比于设计角度发生偏差时即 由 开始发生变化由图 可以看出齿面啮合面积变小那么齿轮之间的总形变量 会变大此时啮合刚度 会变小图 齿面啮合部分示意图.轴角发生偏差时尾斜轴的振动方程舰载直升机尾斜轴运动微分方程为 ()()式中:为尾传动系统位移 为尾传动系统质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩阵主要包括尾斜轴的抗弯刚度与中间减速器啮合刚度即 为尾斜轴的抗弯刚度 为中间减速器的啮合刚度对上述方程进行求解可以得到/()()()/()/()()其中:显然结合式()和式()分析可知尾斜轴的振动幅值和轴角偏差之间存在内在关联通过改变轴角偏差大小可导致中间减速器处的啮合刚度发生变化从而影响尾传动系统动力学响应特性 当轴角发生偏差时中间减速器处啮合刚度 会变小尾斜轴上节点振动幅值会随之增加 轴角参数对系统振动的影响.尾传动系统动力学建模直升机尾传动系统是一个连续复杂的多质量系统因此需要将含轴角参数的尾传动转子模型进行合理简化建立准确的数学模型来描述轴角参数对尾传动系统动力学特性的影响 基于当量转化原则以水平传动轴为等效构件将尾斜轴的惯性、弹性、力矩和角位移都用等效构件上的等效量来代替其中将联轴器和尾桨进行模化以当量圆盘作为代替仅考虑其内外径尺寸和材料性能对轴弯振特性的影响则尾传动系统成为轴段和圆盘的串联系统本研究以某型舰载直升机尾传动系统为例根据其结构参数构建尾传动系统有限元模型并进行仿真分析其中所建模型如图 所示图 尾传动转子系统等效动力学模型.表 传动轴物理参数.参数长度/内径/外径/水平轴 尾斜轴尾桨轴.尾传动系统的固有特性分析为探究轴角参数与尾传动转子系统固有属性之间的关系对尾传动系统有限元模型采用直接积分法求解其固有频率得到舰载直升机尾传动系统前 阶弯振固有频率及振型如图 所示第 期周治港 等:轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 尾传动系统的前 阶弯振固有频率及弯振振型.如图 所示轴系前 阶弯振固有频率对应的弯振临界转速分别为 、由于尾传动轴系工作转速为 即工作转速高于第 阶弯振临界转速、低于第 阶弯振临界转速 通过进一步分析得到轴角偏差对尾传动转子系统前两阶临界转速的影响规律如图 所示图 尾传动系统临界转速与轴角偏差关系图.由图 中可以看出轴角变化对尾传动转子系统的二阶临界转速几乎没有影响而其一阶临界转速会随轴角的变大而变小当轴角偏差在 时尾传动系统的临界转速有明显变化当轴角偏差大于 时系统各阶临界转速值随轴角偏差的变化很小故在设计时可适当调整轴角以满足结构设计要求图 轴角变化下尾传动系统一阶临界转速变化幅度.轴角参数对尾斜轴弯振响应的影响分析为研究尾传动系统轴角参数对尾斜传动轴弯振特性的影响规律基于尾传动系统有限元模型通过改变齿轮啮合模块的轴角参数来研究工作转速为 时尾传动系统的振动响应 以某型舰载直升机轴角参数 为基准轴角偏差选取 依次改变轴角数值对尾传动系统振动响应进行分析 其中选取尾传动系统上振动最为明显的节点(尾斜轴上节点 和节点)进行研究其振动响应结果如图 所示图 尾斜轴两端节点 和节点 振动响应.由图 中可以看出当轴角相比于设计角度发生偏差时尾斜轴振动幅值呈现先增加后减小的规律当轴角偏差在.时振动幅值到达峰值 随着轴角偏差的变大尾斜轴上节点 处振幅增加的斜率最大而尾斜轴上节点 处振幅变化较为舒缓 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报轴角变化下尾斜轴两端振动幅值比较见表 对振动幅值进行对比可以发现轴角偏差对尾斜轴中间减速器处的振动幅值影响最大相同轴角偏差下尾斜轴上中间减速器(节点)处的振动幅值是尾减速器(节点)处的.倍表 轴角变化下尾斜轴两端振动幅值比较.轴角偏差/()振动幅值/节点 节点 比例/.为进一步说明轴角偏差对尾传动系统振动幅值的影响规律本研究从多个设计角度进行分析选取轴角范围为 得到尾斜轴上节点 和节点 处的最大振幅对数据处理后结果如图 所示 以设计角度、和 为例通过仿真分析尾斜轴发生轴角偏差时的振动响应其结果如图 所示 不同设计角度下尾斜轴两端振动幅值比较见表 图 轴角范围 尾斜轴上振动响应.由图 可以看出当尾传动系统轴角发生变化时尾斜轴的振动幅值随轴角偏差的变化趋势基本一致 当轴角设计角度变大时尾斜轴振动幅值增加其达到最大振动幅值需要的偏差值也会增加 本结论可为尾传动系统的结构设计和故障分析提供理论依据图 不同设计角度尾斜轴节点 振动响应.图 不同设计角度尾斜轴节点 振动响应.表 不同设计角度下尾斜轴两端振动幅值比较.设计角度/()振动幅值最大值之间偏差/.结 论)本研究针对舰载直升机尾传动系统轴角发生第 期周治港 等:轴角偏差对折叠式尾斜轴弯振特性的影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报偏差导致尾传动轴振动超标甚至断裂的问题 推导了含轴角参数的尾传动系统振动方程得到了轴角偏差与啮合刚度的关系探究了偏差值与尾斜轴振动幅值的内在关联以某型直升机尾斜传动系统为研究对象建立尾传动系统动力学模型分析尾传动转子系统的固有频率与振型揭示了轴角参数对尾斜轴振动特性的影响规律)分析结果表明当尾传动系统轴角变大时尾斜轴处的振动幅值会随之增加 不同设计角度的尾传动系统在轴角发生偏差时振动响应趋势基本一致尾斜轴振动幅值会随设计角度的增加而增加当尾传动系统轴角发生偏差时中间减速器处啮合刚度会变小 尾斜轴振动幅值随之变大 轴角在 范围内发生偏差时尾斜轴的振动幅值会呈现先增加后减小的趋势偏差在.左右时尾斜轴振幅达到最大值 当轴角偏差相同时尾斜轴上中间减速器处的振动幅值为尾减速器处的.倍)本研究探究的轴角偏差对尾斜轴振动幅值的影响规律可为直升机尾传动系统设计和振动故障分析提供参考 同时本研究为了便于分析对尾传动转子系统进行了相应的简化今后还需进一步结合工程设计考虑尾传动系统运转过程中的动力学效应等因素及其对尾传动系统弯振特性的影响采用更逼近真实条件下的仿真模型进行分析并对不同设计角度的尾传动系统的弯振特性进行实验验证参考文献:张渝李琳陈津等.航空发动机重要装配工艺分析及研发展望.航空制造技术():.():().朱清华张呈林.下一代直升机及其设计技术发展.航空制造技术():.():().许兆棠朱如鹏.复合材料传动轴的弯曲振动分析.西南交通大学学报():.():().许兆棠朱如鹏.直升机弹性多支点传动轴的主共振分析.应用力学学报():.():().许兆棠.多支点传动轴动力学的研究.南京:南京航空航天大学.张鹏飞.多支点传动轴的弯曲振动分析与多支点配置研究.南京:南京航空航天大学.丛家勇.直升机尾传动系统的动力学分析.南京:南京航空航天大学.吕继航曾毅杨荣.大型水陆两栖飞机的动力学响应特性.航空制造技术():.():().朱自冰朱如鹏鲍和云.直升机尾传动系统扭转振动建模与特性.航空动力学报():.():().朱自冰.直升机尾传动系统动力学关键问题研究.南京:南京航空航天大学.曾琪宾光富李超等.联轴器扭转刚度对潜油电泵细长串联轴系扭振特性的影响研究.工程设计学报():.():().关卓怀蔡敢为.转子弯扭耦合振动共振特征分析.噪声与振动控制():.():()./.:./.():.李文龙杨美娟唐宁等.某型飞机关键部位结构应变预测.应用力学学报():.():().毛崎波韩伟.弯扭耦合刚度对薄壁梁弯扭耦合振动的影响研究.应用力学学报():.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .():().向玲贾轶高雪媛等.间隙对齿轮转子轴承系统弯扭耦合振动的影响分析.振动与冲击():.():().任朝晖谢吉祥周世华等.斜齿轮转子轴承弯扭轴耦合振动特性分析.机械工程学报():.():().倪德李科锋刘建武.基于分布质量轴模型的尾传动轴系临界转速分析 .南京航 空航天 大学 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