CN105508488B - 一种复合型直升机主减周期撑杆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合型直升机主减周期撑杆，主要用于直升机舱内降噪；该撑杆包括撑杆本体和连接头，撑杆本体包括紧密连接的上筒和下筒以及包覆在上、下筒外部的外筒，上筒和下筒分别为若干层间隔设置的金属层和橡胶层串联组成的周期结构，上、下筒并联构成串/并联复合型周期结构；还包括上、下薄壁圆管，上薄壁圆管一端与下筒连接，另一端连接上连接头；下薄壁圆管一端连接在外筒的底面上，另一端连接下连接头；直升机飞行或地面停放时，撑杆两端分别受到拉伸和压缩载荷，保证撑杆内部金属和橡胶始终处于压缩状态，以避免其在拉力作用下的损坏，满足刚度、强度要求；配合合理的周期结构参数，可实现主减速器到机身宽频减振，实现直升机舱内降噪。

Description

一种复合型直升机主减周期撑杆
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，具体为一种用于直升机舱内降噪的复合型直升机主减周期撑杆。
背景技术
众所周知，直升机舱内噪声十分严重，影响驾乘人员的乘坐舒适性。其中，由主减速器齿轮啮合产生的谐波噪声是舱内噪声的主要来源之一，其频率范围一般在500~2000Hz之间。所谓主减撑杆是一种直升机主减速器和机体的连接结构，将周期结构嵌入主减撑杆可用于直升机舱内降噪，其降噪机理就是利用周期结构的宽频减振特性，阻碍主减速器振动向机体传递，从而达到降噪的目的。所谓周期结构，即弹性常数和密度周期分布的材料或结构。当振动波在周期结构中传递时，在两种不同介质的分界面处发生反射、折射和透射，波长的不同导致在界面处的反射和透射结果出现差异；若某一段频率范围内反射波和入射波的相位相反，此时反射波对入射波的削弱作用最大，从而出现所谓阻带效应，通过合理设计阻带，可实现主减速器到机身的宽频减振，进而实现直升机舱内降噪。
目前，用于直升机舱内降噪频带的周期结构主要包括美国马里兰大学提出的主减周期撑杆（ASIRI S, BAZ A, PINES D. Periodic Struts for Gearbox Support System.Journal of Vibration and Control, 2005:709-721.）和美国宾州大学研制的周期隔振器（SZEFI J T, SMITH E C, LESIEUTRE G A. Analysis and design of high frequencyperiodically layered isolators in compression. 41th AIAA/A-SME/ASCE/AHS/ASCStructures, Structural Dynamics & Materials Conference, 2000.），而这些周期结构均由金属和橡胶串联粘结构成。
现有技术存在的问题和缺点：考虑到主减撑杆不仅承受压缩载荷，在直升机飞行时还需承受拉-拉交变载荷，若直接采用这种串联周期结构，由于橡胶的轴向拉伸能力远小于压缩能力，且受加工制造等条件限制，在较大拉伸载荷作用下，会出现橡胶被撕裂或者金属和橡胶之间的粘结层破坏等问题，而这将引起重大安全事故。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种适用于直升机舱内宽频降噪的串/并联复合型直升机主减周期撑杆，该周期撑杆两端无论受到拉伸或压缩载荷，内部金属和橡胶始终处于压缩状态，以避免其在拉力作用下的破坏，从而满足撑杆刚度、强度特性要求；通过合理的选择复合型周期撑杆的参数，可实现主减速器到机身的宽频减振，进而实现直升机舱内降噪。
本发明提供的一种复合型直升机主减周期撑杆，包括撑杆本体和连接头，所述撑杆本体包括紧密连接的上筒4和下筒5以及包覆在上、下筒外部的外筒3，所述上筒4和下筒5内部压制有若干层间隔设置的金属层和橡胶层；还包括上、下薄壁圆管，所述上薄壁圆管2一端与下筒5连接，另一端连接上连接头1；所述下薄壁圆管7一端连接在外筒3的底面上，另一端连接下连接头8。
进一步的，所述上筒4为环状筒，包括若干层交替粘结连接的上筒橡胶9层和上筒金属10层，所述下筒5包括若干层交替粘结连接的下筒橡胶11层和下筒金属12层。
更进一步的，所述上筒橡胶9层有三层，上筒金属10层有两层，最上一层为上筒橡胶9层；所述上薄壁圆管2设置在上筒4的内环内，其外径略小于上筒4内环的内径；
所述下筒金属12层有三层，最上一层为下筒金属12层，最下一层为下筒橡胶11层；所述最上一层下筒金属12层与上筒4的最下一层上筒橡胶9层粘结，且所述上薄壁圆管2的底面固定连接在最上一层下筒金属12层上表面上。
更进一步的，所述橡胶层装配前进行预压缩处理，并且保证下筒5的预压缩量超过其在使用时的最大拉伸位移。
进一步的，所述上筒4和下筒5并联形成内筒6。
作为一种优选，所述金属层和橡胶层串联粘结。
作为一种优选，所述内筒6与外筒3间有间隙。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
与现有技术相比，本发明的优点是在撑杆内部间隔叠置橡胶层和金属层，且橡胶层在制备时已经经过压缩处理，保证撑杆下筒预压缩量超过其拉伸位移；当撑杆两端受拉伸载荷时，上筒位于下筒第一层金属和外筒顶面之间，下筒第一层金属受上薄壁圆管向上的拉力并作用给上筒向上的压力，而外筒顶面受下薄壁圆管向下的拉力并作用在上筒向下的压力，因此上筒受压，下筒受拉，由于下筒的预压缩量超过其拉伸位移，内部金属和橡胶始终处于压缩状态；同样，当撑杆两端受压缩载荷时，上筒受拉，下筒受压，由于上筒的预压缩量超过其拉伸位移时，内部金属和橡胶将始终处于压缩状态。这样既能阻碍主减速器中高频振动向机体传递，达到舱内降噪的目的，又能保证撑杆在较大拉伸载荷作用下不破坏。
同时上筒有较好的弹性，在较大拉伸载荷作用下，撑杆在受拉时会有较好的延伸性，可以减小结构的冲击作用，保护结构安全。另外，下筒具有较大的刚度，与上筒并联可以增大结构的刚度以及降低橡胶的压缩变形量，从而增大撑杆的稳定性。该发明方案简单，制作方便，安装容易，可以更好的实现主减周期撑杆的舱内降噪作用，保证结构在较大拉伸载荷作用下的安全，可以广泛用于直升机降噪领域。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明一种复合型直升机主减周期撑杆的轴视图；
图2为本发明一种复合型直升机主减周期撑杆的四分之一剖视图；
图 3为本发明一种复合型直升机主减周期撑杆的参数设计流程图；
图 4为本发明一种复合型直升机主减周期撑杆两端的位移传递率；
图 5为本发明一种复合型直升机主减周期撑杆的等效应力云图；
附图标注：
1-上连接接头，2-上薄壁圆管，3-外筒，4-上筒，5-下筒，6-内筒，7-下薄壁圆管，8-下连接接头，9-上筒橡胶，10-上筒金属，11-下筒橡胶，12-下筒金属。
具体实施方式
本发明提供一种复合型直升机主减周期撑杆，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，本发明提供的一种复合型直升机主减周期撑杆，包括上薄壁圆管2、安装于上薄壁圆管2上的上连接接头1、下薄壁圆管7、安装于下薄壁圆管7上的下连接接头8；以及内筒6、连接内筒6上下部分的外筒3。上薄壁圆管2一端与下筒5连接，另一端连接上连接头1；下薄壁圆管7一端与外筒3连接，另一端连接下连接头8。
具体来说，该内筒6包括内筒中的填充材料整体形成一个由周期结构串/并联复合而成的撑杆主体，其中上、下筒之间为并联关系，上、下筒的内部可看作多层周期结构串联填充而成。
本实施例以总共6层橡胶层和5层金属层串联作具体说明，则内筒6由上筒4和下筒5粘结组成，其中上筒4为环状筒，包括三层上筒橡胶9层和两层上筒金属10层，上筒橡胶9层和上筒金属10层间隔设置，最上一层为上筒橡胶9层，最上层的上筒橡胶9层与外筒3粘结；上薄壁圆管2设置在上筒4的内环内，其外径略小于上筒4内环的内径，使上筒4的内壁与上薄壁圆管2外壁留有适当间隙，并且，其底端固定在下筒5的上表面上。
下筒5包括三层下筒橡胶11层和三层下筒金属12层，所述下筒金属12层和下筒橡胶11层间隔设置，最上一层为下筒金属12层，最下一层为下筒橡胶11层；所述最上一层下筒金属12层与上筒4的最下一层上筒橡胶9层粘结，且所述上薄壁圆管2的底面与最上一层下筒金属12层上表面一体成型。
内筒6与外筒3间有间隙，即上筒4和下筒5的外壁与外筒的内壁间也留有适当间隙。
具体装配时，内筒6橡胶进行预压缩处理，保证下筒5的预压缩量超过最大拉伸位移。
按上述实施方法安装组合为本发明。使用时将本发明一种复合型直升机主减周期撑杆至于直升机主减速器和机体之间，通过上连接接头1和下连接接头8的预留连接螺栓孔与主减速器和机体连接固定，完成施工。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
对本发明所述的复合型直升机主减周期撑杆进行了算例仿真验证。以某1吨级四撑杆直升机为背景机，根据图3所示参数设计流程设计得到了适用于该机的复合型直升机主减周期撑杆。主要设计参数如下：材料选择丁腈橡胶和45钢；内筒橡胶长度为17mm，金属长度为15mm，内筒直径为70mm，上筒内径为35mm；装配时整体橡胶预压缩3.75mm。安装该撑杆后，直升机主减速器至机体的振动衰减频率范围涵盖500~2000Hz，最大位移衰减超过60dB，如图4所示，满足背景机宽频降噪频率范围要求。同时计算得到该周期撑杆的刚度为2.0MN/m，而背景机原主减撑杆刚度为1.2MN/m，因此刚度完全满足使用要求；另外分析了该撑杆受载时的橡胶静态压缩变形为5%，小于其最大允许变形15%，因此该复合型直升机主减周期撑杆完全可以满足刚度设计要求，同时保证了该撑杆在拉压载荷下始终处于压缩状态。最后对该撑杆进行静力分析得到：45钢处的最大应力在外筒底部，大小为39.4Mpa，远低于其许用应力355Mpa；橡胶的最大应力0.87Mpa小于橡胶许用应力3Mpa，如图5所示，故满足强度要求。

Claims (4)

1.一种复合型直升机主减周期撑杆，包括撑杆本体和连接头，其特征在于，所述撑杆本体包括紧密连接的上筒（4）和下筒（5）以及包覆在上、下筒外部的外筒（3），所述上筒（4）和下筒（5）内部压制有若干层交替设置的金属层和橡胶层；还包括上、下薄壁圆管，所述上薄壁圆管（2）一端与下筒（5）连接，另一端连接上连接头（1）；所述下薄壁圆管（7）一端连接在外筒（3）的底面上，另一端连接下连接头（8）；所述橡胶层在装配前进行预压缩处理，并且保证下筒（5）的预压缩量超过其在使用时的最大拉伸位移；
所述上筒（4）为环状筒，包括若干层交替粘结连接的上筒橡胶（9）层和上筒金属（10）层，所述下筒（5）包括若干层交替粘结连接的下筒橡胶（11）层和下筒金属（12）层；
所述上筒橡胶（9）层有三层，上筒金属（10）层有两层，最上一层为上筒橡胶（9）层；所述上薄壁圆管（2）设置在上筒（4）的内环内，其外径略小于上筒（4）内环的内径；
所述下筒金属（12）层有三层，最上一层为下筒金属（12）层，最下一层为下筒橡胶（11）层；所述最上一层下筒金属（12）层与上筒（4）的最下一层上筒橡胶（9）层粘结，且所述上薄壁圆管（2）的底面固定连接在最上一层下筒金属（12）层上表面上。
2.根据权利要求1所述的一种复合型直升机主减周期撑杆，其特征在于，所述上筒（4）和下筒（5）并联形成内筒（6）。
3.根据权利要求1所述的一种复合型直升机主减周期撑杆，其特征在于，所述金属层和橡胶层串联粘结。
4.根据权利要求2所述的一种复合型直升机主减周期撑杆，其特征在于，所述内筒（6）与外筒（3）间有间隙。
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