CN110375027B - 直升机尾传动轴系局域共振减振装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置及其控制方法，其属于直升机尾传动轴系减振技术领域。一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置，包括局域共振单元，所述局域共振单元包括传动轴、弹簧和质量环，所述弹簧固定连接在传动轴和质量环之间，所述弹簧均匀分布在传动轴的径向，每个弹簧连接一个质量环。所述质量环由两个半圆环对接而成，两个半圆环由螺钉固定。本发明的有益效果是：结构简单、易于拆装，便于现有直升机的改装，可使用一组局域共振单元完成两个频率的弯曲振动抑制，减少轴系各轴段在旋转过程中产生的振动，降低发生故障的概率。

Description

直升机尾传动轴系局域共振减振装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置及其控制方法，其属于直升机尾传动轴系减振技术领域。
背景技术
直升机振动水平是影响直升机安全性、舒适性、使用寿命和机载设备工作可靠性的重要因素。直升机减振技术主要分为被动控制技术和主动控制技术。被动振动控制技术工程实现相对较为容易，但存在质量偏大，频率控制范围较窄，且难以实现对低频振动的有效控制。主动减振技术从理论上讲可对任意结构进行控制，具有极强的适应性和调节性，对低频振动噪声也有良好的控制效果，但控制系统复杂，成本也较高。
局域共振声子晶体技术是近年新兴的减振降噪技术之一。2000年，香港科技大学刘正猷教授等人在(Science)杂志上首次提出了声子晶体的局域共振带隙的概念。基于局域共振机理的声子晶体，其晶格尺寸比禁带内声波波长小两个数量级，成功实现了“小尺寸控制大波长”。局域共振声子晶体具有“低频、宽带、小尺寸”的技术特点，在振动控制领域具有潜在的重要应用价值。
直升机的振源主要来自旋翼、发动机和传动系统。尾传动轴系是直升机传动系统的子系统，不仅是直升机振源之一，而且是重要的振动传递路径。当前，通过尾传动轴系设计，并采用合理的支撑形式，使其临界转速与直升机的工作转速错开，避免共振产生，是保证尾传动轴系安全工作的主要方法。但由于齿轮的啮合作用，轴系各轴段的振动耦合在一起，在旋转中有可能会引起强烈的振动，严重时甚至会危及飞行安全。此外，尾传动轴系除受到负荷大、转速高及发动机传来的动力载荷外，还要承受直升机飞行过程中的机动载荷以及工作环境中存在各种不同的激振力等因素，因此，发生故障的概率极大。
直升机尾传动轴系的振动模式主要有弯曲振动和扭转振动两种，且在100Hz～1500Hz的低频段范围内固有频率密集。因此，抑制弯曲振动和扭转振动可有效降低直升机发生故障的概率，而现有减振技术难以使用一种减振装置在如此宽的频带范围内同时抑制两种形式的振动。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置及其控制方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置，包括局域共振单元，所述局域共振单元包括传动轴、弹簧和质量环，所述弹簧固定连接在传动轴和质量环之间，所述弹簧均匀分布在传动轴的径向，每个弹簧连接一个质量环。
优选地，所述质量环由两个半圆环对接而成，两个半圆环由螺钉固定。
优选地，所述的直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，建立尾传动轴系弯曲振动动力学模型，求出带隙频率的范围，在带隙频率范围内的弯曲振动将受到抑制。
优选地，所述的带隙频率的范围，计算方法如下：
将局域共振单元等间隔的安装在为传动轴系中在f1频率振动幅值最大的轴端上，该组的局域共振单元弯曲振动带隙频率的范围为：
Figure BDA0002092841740000021
其中，l为两相邻局域共振单元间的轴段长度，m为该轴段质量，K1为局域共振单元等效弯曲刚度，m1为质量环的质量。
优选地，由公式(1)可得，调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，使频率f1在带隙范围内，从而减少传动轴系在频率f1下的弯曲振动；
当与频率f1相接近的频率f2通过调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，可同时落入带隙范围内，则一组局域共振单元可完成两个频率的弯曲振动抑制。
优选地，将同一直升机上不同振动间隙频率均落入局域共振单元的带隙范围内，解决此问题的方法为，针对不同振动间隙频率匹配不同的局域共振单元。
优选地，针对不同振动间隙频率匹配的局域共振单元需满足：
Figure BDA0002092841740000031
其中，Q为直升机的最大附带质量，M为局域共振单元的组数，Ni为每组局域共振单元的数目。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：结构简单、易于拆装，便于现有直升机的改装，可使用一组局域共振单元完成两个频率的弯曲振动抑制，减少轴系各轴段在旋转过程中产生的振动，降低发生故障的概率。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的左视图。
图3为直升机尾传动轴的弯曲振动响应曲线。
图4为直升机尾传动轴的扭转振动响应曲线。
在图中，2、传动轴；3、弹簧；4、质量环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置，包括局域共振单元，所述局域共振单元包括传动轴2、弹簧3和质量环4，所述弹簧3固定连接在传动轴2和质量环4之间，所述弹簧3均匀分布在传动轴2的径向，每个弹簧3连接一个质量环4。
所述质量环4由两个半圆环对接而成，两个半圆环由螺钉固定。
所述的直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，建立尾传动轴系弯曲振动动力学模型，求出带隙频率的范围，在带隙频率范围内的弯曲振动将受到抑制。
所述的带隙频率的范围，计算方法如下：
将局域共振单元等间隔的安装在为传动轴系中在f1频率振动幅值最大的轴端上，该组的局域共振单元弯曲振动带隙频率的范围为：
Figure BDA0002092841740000041
其中，l为两相邻局域共振单元间的轴段长度，m为该轴段质量，K1为局域共振单元等效弯曲刚度，m1为质量环的质量。
由公式(1)可得，调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，使频率f1在带隙范围内，从而减少传动轴系在频率f1下的弯曲振动；
当与频率f1相接近的频率f2通过调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，可同时落入带隙范围内，则一组局域共振单元可完成两个频率的弯曲振动抑制。
将同一直升机上不同振动间隙频率均落入局域共振单元的带隙范围内，解决此问题的方法为，针对不同振动间隙频率匹配不同的局域共振单元。
针对不同振动间隙频率匹配的局域共振单元需满足：
Figure BDA0002092841740000051
其中，Q为直升机的最大附带质量，M为局域共振单元的组数，Ni为每组局域共振单元的数目。
实施例1
图3为安装了局域共振减振系统后，直升机尾传动轴的弯曲振动响应曲线，在图中可以看出，在593Hz～1230Hz频段范围内的弯曲振动被抑制。
实施例2
图4为安装了局域共振减振系统后，直升机尾传动轴的扭转振动响应曲线，从图中可以看出在280Hz～990Hz频段范围内的扭转振动被抑制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，其特征在于：建立尾传动轴系弯曲振动动力学模型，求出带隙频率的范围，在带隙频率范围内的弯曲振动将受到抑制，所述的带隙频率的范围，计算方法如下：
将局域共振单元等间隔的安装在为传动轴系中在频率f1振动幅值最大的轴端上，该组的局域共振单元弯曲振动带隙频率的范围为：
Figure FDA0002946986300000011
其中，所述局域共振单元包括传动轴(2)、弹簧(3)和质量环(4)，l为两相邻局域共振单元间的轴段长度，m为该轴段质量，K1为局域共振单元等效弯曲刚度，m1为质量环(4)的质量，f1为减振频段的起始频率。
2.根据权利要求1所述的直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，其特征在于：由公式(1)可得，调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，使频率f1在带隙范围内，从而减少传动轴系在频率f1下的弯曲振动；
当与频率f1相接近的频率f2通过调节局域共振单元等效弯曲刚度K1、质量环的质量m1和两相邻局域共振单元间的轴段长度l的大小，可同时落入带隙范围内，则一组局域共振单元可完成两个频率的弯曲振动抑制；
其中，f2为减振频段的终止频率。
3.根据权利要求2所述的直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，其特征在于：将不同振动间隙频率匹配不同的局域共振单元，则同一直升机上不同振动间隙频率均落入局域共振单元的带隙范围内。
4.根据权利要求3所述的直升机尾传动轴系局域共振减振装置的控制方法，其特征在于：针对不同振动间隙频率匹配的局域共振单元需满足：
Figure FDA0002946986300000012
其中，Q为直升机的最大附带质量，M为局域共振单元的组数，Ni为每组局域共振单元的数目，mi为第i个局域共振单元的质量。
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