直升机传动系统扭转振动的分析

崔图

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：在直升机的整体系统中，传动系统是其最重要的组成部分之一，而想要了解其扭转振动的相关特性，便需要对其进行必要的计算与分析。该文以直升机传动系统的基本结构为研究基础，运用模块划分的方式对直升机传统系统的扭转振动进行分析，并得出相关结论。

关键词：直升机；传动系统；扭转震动；分析；

前言

直升机中传动系统所起到的主要作用是动力传输，将发动机所发出的动力向桨叶与尾桨等装置中传送，在直升机的整体系统中，是必不可少的。而在进行直升机研制工作的过程中，计算与分析其传统系统的扭转震动是非常重要的，获取其相关特性能够保证研制工作的有效进行。

一、直升机传动系统的基本结构

直升机的传动系统从性质上将属于空间传动，整个系统中起主要作用的动力设备是两台发动机，两台发动机分别装置在主减速器的两侧，且偏向后方，呈轴线平行分布。在主减速器的前方，装置一个风扇，直升机的尾部装置有尾桨。在整个传动系统工作的过程中，主减速器一侧的发动机通过离合器带动相应齿轮转动，同时也带动相应的液压泵运动，另外一些齿轮负责带动装置中的发电机。主减速器另一侧的发动机也是同样的工作原理，位于装置中心线上的齿轮会带动相应的系杆、旋翼轴以及桨叶，通过一系列的轴与圆盘带动尾桨运转，还能够通过相应齿轮带动主减速器前方的风扇，从而完成直升机传动系统的工作。因此，直升机的传动系统中，主减速器两侧的两个发动机是主要的动力输出装置，通过多个分支带动整个系统的运作，并从桨叶、尾桨以及发电机等处进行动力输出，整个系统中的齿轮与轴等传动零件较多。

二、传动系统振动特性

1.直升机传动系统包括主减速器、减速器、齿轮减速器、动力传动轴、尾传驱动轴、主减速附件等。在直升机飞行过程中，高负荷下的传动系统部件，经过长时间的飞行后，出现不平衡、不对中、横向裂纹、静止件摩擦和支撑系统等松散连接故障。由于没有冗余备份驱动系统组件，在飞行中发生故障或振动时容易发生灾难性的后果。因此，对可能出现在试飞过程中的振动情况，进行预测判断，能够有效地避免事故的发生，保证飞行的安全。直升机传动线路如图1所示，直升机传输系统有两个引擎输入动力，有多个分支传输，如发电机、叶片和尾桨等输出，其中包含多根齿轮、传动轴。发动机1通过单向离合器2、齿轮3、齿轮4、齿轮5带动齿轮6转动，还通过单向离合器2带动液压泵18，同时通过齿轮15、齿轮16带动发电机17;同理，发动机19通过单向离合器20、齿轮21、齿轮22、齿轮23带动齿轮6转动，还通过单向离合器20带动液压泵24;齿轮6通过齿轮7、齿轮8、齿轮9、系杆10、旋翼轴11带动桨叶12，通过轴25、齿轮26、齿轮27、轴28、圆盘29、轴30、圆盘31、轴32、圆盘33、轴34、圆盘35、轴36、圆盘37、轴38、齿轮39、齿轮40、轴41、齿轮42、齿轮43、轴44带动尾桨45，还通过齿轮13带动风扇14。

传动轴故障的主要类型为∶不平衡，主要表现为1Ω振动偏大；Ω为传动轴一阶频率）；不对中，主要表现为2Ω振动偏大；与静止件摩擦，时域波形存在严重削波。当横向裂纹发生时，传动轴受到周期性应力的影响，裂纹会时开时闭。此外，基频的振动响应很大，振动是非线性的。松动的支撑系统会影响转子的偏心度，当支撑系统松动时振动会增加，且稳定性较差时，特别是在转速增大或减小过程中，振动响应会存在突然增大的跳跃现象。

2.传动系统的扭转振动

取6m-r（Zm）为直升机传动系统中发动机、齿轮等任一组成的扭转主振型，q0r（t）为整个直升机传动系统运动规律的时间函数。m是任一组成号，r是阶数。不同的组合，不同的扭转主振型，整个直升机驱动系统运动规律时间函数相同。传动系统中的轴是连续体，使驱动系统扭转的固有频率有无穷个，根据振动模式叠加原理，以无穷级数形式表示的任何形式的扭转角位移的传输系统∶

直升机尾传动系统是整个传动系统的子系统，单独研究尾部传动系统，有利于更好地获取扭转振动的特性和尾传动系统对整个直升机传动系统的扭转振动影响特性，确定尾传动系等效阻尼等参数。尾传动系统的传动轴较长，是连续体和尾驱动系统的主体之一。此外，直升机扭转振动的计算中为计算方便，将尾传动轴的传动系简化为一个无质量的弹簧，从静力学的角度考虑传动轴，其计算精度，可以通过独立研究如图2直升机尾传动系统结构模型后的得出结论;在直升机整机结构模型下，尾驱系统的研究结果也可以用来补充和修改传动系统扭转振动的计算。

直升机尾部驱动系统扭转振动的计算是其扭转强度计算和工作速度选择的基础。尾传动扭转振动的计算方法是传递函数法和有限元法。通过传递函数法得到的扭转角位移，仅是对尾驱动系统扭转动力学方程的一种解，会带有近似性。为了得到尾驱动系统的解决方案空间，需要采用振动叠加原理。为了解决尾驱动系统的扭转振动问题，采用了扭转振动的固有频率。图2的扭转固有频率的求解方法具有传递函数法，可以得到满足边界条件的精确解。在已有文献中，介绍了用于求解轴和盘的串联系统扭转固有频率的方法，可用于解决图2尾驱动系统的扭转固有频率。因此，基于尾部驱动系统的扭转固有频率，可以解决尾驱动系统的扭转动力学方程。

3.类似于主减附件齿轮侧向197Hz，振动量值相对稳定，基本不随飞行速度变化；类似于尾减输出端侧向79Hz，振动量值随飞行速度增大而增大。对于第一种情况，在不同飞行状态下其振动量值变化区间很小，在预测时，基于同一构型下的大量试验数据及试飞实际情况给出其变化区间，当偏离这一区间时，需对振动信号做进一步分析，根据信号特点寻找振动异常原因，并检查传动系统对应部件，排除安全隐患。对于第二种情况，通过相关性分析发现，各位置处的振动量值与旋翼总桨距、尾桨距、涡轮扭矩及燃气发生器转速的相关性系数较大，即说明这些参数是振动量值变化的主要因素，并可以用这些参数对振动量值的变化进行工程化表示，在试飞过程中根据这些参数的变化对振动是否异常做出判断。

三、相关结果

首先，以叠加原理为基础，能够将整个直升机内部的传动系统划分成为多个模块，也可以称之为分系统，每个分系统由一个轴段以及相关圆盘组成，可以现将相关方程列出来，并以边界关系为基础，得出相应扭转振动方程的解，能够为为接下来的计算与分析提供奠基理论。其次，最终的直升机扭转方程是一个二阶非齐次线性微分方程，可以通过阻尼系数与转动惯量等计算方法将第r阶计算出来，其扭转刚度可以运用系统中弹簧、轴以及圆盘的刚度相加进行计算，有利于最后通过计算机，以循环语句为基础，进行相关的编程计算。再次，引起直升机传动系统产生振动的原因是多方面的，主要由桨叶、尾桨以及发动机等相关部分产生，每个组成在进行扭转的过程中，其频响函数的对应幅值也会随着整个系统所产生的频率而发生变化，在这个过程中，会产生很多个峰值，且每一个峰值各不相同，但其都遵循一个规律，便是一般情况下，低阶固有的相关频率附近，都会有相对较大的峰值出现。

结束语

在整个直升机的系统中，传动系统是其中非常重要动力传输系统，能够将主减速器两侧发动机所产生的动力向桨叶与尾桨装置中输送。而在对直升机进行研制的过程中，对扭转振动的研究是必不可少的，本文以直升机传动系统的基本结构为基础，对直升机传动系统的扭转振动进行了简要分析，从而得出四点相关结论。

参考文献：

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[2]王辉，陈华，刘志文.直升机发动机控制系统与旋翼/动力传动扭振系统耦合稳定性分析[J].直升机技术，2011，5（25）：206-207.