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从旋翼振动系统和直升机机体系统讲解空中共振问题

【摘要】:
为了能从物理概念上理解空中共振,在这里先讨论一个没有挥舞/摆振、变距/挥舞和变距/摆振耦合的旋翼系统,暂时不考虑气动力的影响。如果我们只看桨叶摆振运动,则这个旋翼系统就与地面共振中讨论的旋翼系统一样。在固定坐标系中,旋翼模型有集合型、周期型和无反力型,振型数与桨叶片数相同。这些振型中只有周期型(前进型和后退型)振型会产生桨毂平面内运动的激振力。

旋翼振动系统

      直升机空中共振可以想像与地面共振相似。旋翼摆振后退型与机体振动频率相交或相近时就可能发生空中共振。但是直升机空中共振问题决不像铰接式直升机地面共振那么简单。直升机在空中,气动力就不可忽略,再加上旋翼桨叶各自由度之间耦合的影响,空中共振不稳定中心就不像地面共振那样明显。由于桨叶挥舞刚度提高,旋翼挥舞运动与机体的耦合量比较大,旋翼与机体的耦合频率与旋翼摆振固有型频率有可能相交,因此,无铰式、无轴承旋翼直升机有可能发生空中共振。

 

直升机机体系

      直升机在空中由旋冀产生升力支承着,因此,这时的机体系统与旋冀系统是一个整体。在这个振动系统中,我们暂时可把旋翼摆振运动撇开。这样我们讨论一下直升机机体在空中有哪些振动形态,以及哪些振型会引起桨毂中心在毂平面内运动。直升机在空中的振动型态,是直升机旋翼挥舞运动与机体耦合运动的振型。旋翼挥舞运动能够与机体产生耦合的振型(在固定坐标系内)有集合型、周期型(前进型和后退型),如图所示。

      集合型与机体上下运动耦合,周期型与机体横滚和俯仰运动耦合,旋翼挥舞集合型不可能引起桨毂平面内的运动,集合型与机体耦合的振型与空中共振无关,可以不考虑。最后剩余的只有桨叶挥舞周期型两种振型和机体横滚和俯仰两种振型,这四个相互耦合的振型可能会引起桨毂中心在桨毂平面内的运动。所以,旋翼与机体耦合与空中共振有关的振型有四个,即以旋翼挥舞前进型和后退型为主的两个振型;以机体俯仰和横滚为主的两个振型。直升机在空中,只有这几种振型才能与旋翼摆振前进型和后退型耦合产生不稳定振动。