直升机旋翼轴承模拟测试系统设计开题报告

1、.燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：直升机旋翼轴承模拟测试系统设计 学院（系）：里仁学院 年级专业：09级机械电子工程 学生姓名：陈志强 指导教师：李艳文 完成日期：2013-03-29 一综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1 旋翼简介直升机具有独特的飞行能力，是唯一能够抵达任何地形区域的运输工具。旋翼是直升机和旋翼机等旋翼航空器的主要升力部件，又称升力螺旋桨。旋翼系统是直升机技术的核心，旋翼系统各部件是直升机最关键的部件。没有旋翼就没有直升机。 直升机上用以操纵旋翼实现升降、前后、左右运动的特殊装置，称为自动倾斜器。直升机自动倾斜器是直升机旋翼系统的重要部件，直

2、升机通过自动倾斜器实现对旋翼的总距及周期变距控制1。自动倾斜器是将经直升机飞行操纵系统传递过来的驾驶员或自动驾驶仪的指令转换为旋翼桨叶受控运动的一种装置。因为旋翼是旋转的，自动倾斜器被用于将驾驶员的指令从不旋转的机身传递到旋转的桨叶。1911年由俄国人H.尤里耶夫发明，后为所有直升机采用。 图1自动倾斜器结构示意图自动倾斜器一般由类似轴承的旋转（外）环和不旋转（内）环组成（图1），它通过万向接头或球铰套在旋翼轴上，不旋转环通过操纵拉杆与驾驶舱中的驾驶杆和总距杆相连，旋转环通过变距拉杆与桨叶相连。自动倾斜器无倾斜时，各片桨叶在旋转时桨距保持恒定；当它被操纵倾斜时，则每片桨叶在旋转中周期性地改变桨

3、距。变距拉杆转至倾斜器上位时桨距加大，桨叶向上挥舞；转至下位时桨距减小，桨叶向下挥舞。这样就形成旋翼旋转面的倾斜，使旋翼合力倾斜，产生一水平分力。直升机的前后和左右方向的飞行运动就是通过这种操纵实现的，称为周期变距操纵。飞行员操纵（提或压）总距杆使自动倾斜器沿旋翼轴平行向上或向下滑动。各片桨叶的桨距将同时增大或减小，使旋翼的升力增大或减小，直升机随之上升或下降。这种操纵称为总距操纵。旋翼系统研制属于直升机型号研制中的关键技术。而自动倾斜器是操纵旋翼实现升降、前后、左右运动的特殊装置。自动倾斜器的关键零件是关节轴承。关节轴承使自动倾斜器可以沿两个方向摆动，本测试系统主要就是进行直升机自动倾斜器的

4、关节轴承的工作性能测试。 关节轴承又称为球面滑动轴承，其结构由一个带球面的外圈和一个带外球面的内圈组成，如图2所示。自润滑关节轴承是一种无需补充润滑剂的特殊形式的关节轴承。其特点是结构简单、体积小、承载力大，而且还具有摩擦系数小、耐冲击、耐腐蚀、减少振动、适用温度范围广，寿命长，在工作过程中可以免维修和无需添加润滑剂等优异特性。一般用于速度较低的摆动运动，和低速旋转，也可在一定角度范围内作倾斜运动。图2 关节轴承实物图2.国内外研究状况 随着直升机技术的发展，并了解了自动倾斜器对直升机的重要作用，越来越多的学者开始研究自动倾斜器，同时也提出了许多关于自动倾斜器的结构分析和运动学分析、动力学分析

5、的方法和理论。国内研究起步较晚，但也有许多学者在旋翼系统的性能分析方面取得了丰富的成果1。1）国外研究状况 国外，1994年，Inderjit Chopra2进行了直升机旋翼系统的设计与分析趋势的研究。1997年，FRanjbaran等3对CL-327直升机自动倾斜器进行了运动学和动力学分析。2000年GiuseppeQuaranta等4利用多体动力学方法分析了直升机旋翼系统，并且建立的旋翼系统自动倾斜器的三维理论模型，讨论了其稳定性及空气动力学性能。2001年，美国的Olivier A. Bauchau5，在论文中绘制了铰接式直升机的旋翼系统的简图，图中描述了旋翼系统的各个运动副，介绍了各个

6、部分的构造，给出了运动副间允许的相对运动，描述了基于多体动力学的研究直升机旋翼系统的方法，如图3。2004年Konstantin Kondak等6分析了文中所提出的小型直升机的模型的运动学和动力学性能，将自动倾斜器分为了内外两个环，内环主要控制旋翼的方向，外环主要控制一些关键位置的参数等。2008年Sabaapour MR等7对无铰式直升机自动倾斜器下操纵机构等效转化得到的3-RUS-PU并联机构的正向运动学、逆向运动学位置分析进行了研究。图3 旋翼系统图2）国内研究状况在国内，1997年，洪富岳8等人根据关节轴承的主要失效形式是磨损，。研制了大直径、受重载荷的关节轴承磨损寿命试验机。燕山大学

7、的杨育林教授等人对关节轴承的测试做了许多研究。在2008年，杨育林9等对自润滑关节轴承现状及发展进行了研究探讨，简述了自润滑关节轴承的发展历程；阐明了国内外自润滑关节轴承技术和理论的研究现状；指出了我国在自润滑关节轴承技术方面存在的一些不足，并展望了我国自润滑关节轴承技术的发展趋势。在同一年，魏立保，黄世军，杨育林10进行了直升机自动倾斜器球铰自润滑关节轴承试验机的研制，研制了能够模拟真实直升机工况的自动倾斜器球铰轴承试验机，如图4。对轴承的性能和使用寿命进行评估；针对自动倾斜器球铰关节轴承试验机的研制过程加以简要介绍；对自动倾斜器球铰轴承性能、使用寿命试验专用设备及评价手段进行了介绍。介绍了

8、试验机的主要技术参数、工作原理和结构特点等。2011年，戴新琦11进行了新一代向心关节轴承性能试验机设计、开发。图4 自润滑关节轴承试验机实物图4.选题依据和意义国内直升机旋翼技术的发展一直处在跟踪发展阶段，尚未形成自主创新的跨越。在先进材料以及加工技术等与国外相比还有很大差距。我国关于自润滑关节轴承的研究起步晚，基础研究薄弱,虽然在一些领域部分国内产品能够替代国外产品，但是总体上，从产品质量、性能以及产品系列化上与国外同类产品还存在较大差距，尤其是在航空航天等一些尖端领域应用的自润滑关节轴承技术接近于空白，这已成为影响我国在这些领域获取突破的一个重要瓶颈12,13。自动倾斜器球铰自润滑关节轴

9、承(球铰轴承) 是直升机旋翼系统的核心零件，驾驶员通过操纵系统控制自动倾斜器球铰轴承的摆动及往复运动来实现直升机周期变距与总距的变化，完成各种飞行动作。因而，该球铰轴承的性能关系直升机的操纵性能，其使用寿命关系着直升机的维修周期或首翻期甚至服役时间。此轴承的任何失效都可能导致操纵系统发生故障，严重影响直升机的安全14,15，因此需要对该轴承进行充分的性能试验验证和寿命评估工作。所以进行旋翼轴承模拟测试系统设计，能对关节轴承进行工作性能模拟，有利于提高我国对旋翼关节轴承设计制造的自主创新能力。二研究的基本内容，拟解决的主要问题1本课题的研究主要包括以下内容：1) 进行总体方案设计及论证。2) 查

10、资料进行机械结构方案分析和设计机械本体设计；驱动系统设计；典型构件性能分析。3) 控制方案及控制系统原理图和相应软件设计、编写和调试。4) 完成测试系统的工作过程仿真。本课题的设计要求是能进行直升机旋翼轴承工作性能模拟，完成总装图和零件图3张A0图。2拟解决的主要问题1) 设计方案的确定。2) 旋翼轴承测试系统机械结构的设计，尺寸的确定，关键构件的性能分析。 3) 测试系统的工作过程仿真。三研究步骤、方法及措施 1研究步骤1）查阅资料，分析测试系统的结构和功能。分析各构件的运动关系，机构的自由度等。 2）根据测试系统的结构和功能运用绘图软件设计机械结构，完成总装图及仿真。 3）绘制部件图和关键

11、零件图。 4）进行控制系统设计。 2研究方法及措施 运用solidworks三维绘图软件进行旋翼轴承测试系统机械结构的设计和工作过程仿真。四、方案分析和确定要进行旋翼轴承模拟测试系统设计，用来测试关节轴承的工作性能，首先要了解关节轴承的运动形式，其运动形式如图5所示。图5 自润滑关节轴承的运动形式1.已有的几种方案介绍：方案一 如图6 图6 关节轴承内摆式疲劳试验机 方案一简介在图6中的部分分别为：1.滚珠丝杠 2.伺服电机 3.滑块 4.连杆 5.带沿套筒 6.外圈7.内圈 8.可动套杯 9.加载液压缸 10.机架 11.滚珠丝杠 12.伺服电机 13.滑块 14.连杆。 具体实施方式： 自

12、动倾斜器关节轴承的内圈7相外圈6构成一个球形铰链。可动套杯8、连杆4、滑块3构成一个曲柄滑块机构，其中可动套杯8起到曲柄的作用，可动套杯8、连杆14、滑块13构成另一个曲柄滑块机构，因此该系统是一个空间2自由度曲柄滑块机构。当伺服电机2、12按设定的不同速度进行正反转运动时，通过滚珠丝杠驱动两个曲柄滑块机构，从而模拟自动倾斜器关节轴承的各种所需的运动与速度。 由于直升机四个旋翼施加给自动倾斜器关节轴承的载荷基本相同，故可简化成一个拉力，加载液压缸9可较真实的模拟此拉力。方案二 如图7图7 直升机主旋翼球铰轴承疲劳试验机 方案二简介( 1)采用两套空间四杆机构实现了关节轴承在两个坐标轴方向的任意

13、摆动；通过一套凸轮机构实现主轴的上下往复运动。以运动分解的方式获得了关节轴承三个自由度的运动目标。( 2)采用阻尼缸与加载缸主动控制技术实现了包括静载荷、交变载荷、脉动载荷等工况的模拟。( 3)采用水冷/加热方式，对环境温度控制更加真实。( 4)采用可编程控制器及触摸屏实时控制关节轴承在实验过程中的滑动/摆动的速度/频率、载荷的大小；监测、显示衬垫磨损量、摩擦力、温度、振动信号。目前该试验机已进行了200 h以上的试验，成功实现了自润滑关节轴承实际工况条件与环境的模拟，在线检测、并适时记录试验轴承的温升、载荷、摩擦力矩、摆动频率等试验参数。方案比较：方案一虽然能够大大减少直升机旋翼自动倾斜器关

14、节轴承内摆式疲劳测试的成本，机械结构简单，安装维修方便。但是该系统是一个空间2自由度曲柄滑块机构，只有绕X轴和Y轴的摆动，没有沿轴向的移动，没有完全模拟出自动倾斜器关节轴承的工作状态。方案二在底部采用曲柄滑块机构，使旋翼主轴相对于关节轴承内圈作上下往复移动，采用两个去柄摇杆机构完成关节轴承的内圈和外圈的两个方向的摆动。2.我的设计方案简介直升机变距及总距有着特定的操纵范围 16 。根据资料可知测试系统主要技术参数：摆动/往复滑动频率最大为3.0Hz，摆动角度范围±9°，往复距离，调节范围±15mm。旋翼轴转速300400r/min，所测轴承内径为200mm。方案一

15、要实现自动倾斜器关节轴承的全部运动，全面的模拟自动倾斜器关节轴承的工作状态。根据自润滑关节轴承的运动形式，可以将其等效为3SPS-RRS-PS并联机构。可以完全实现关节轴承的三种运动形式。这个机构和现实的自动倾斜器下操纵机构十分相似。因此可以很好的模拟自动倾斜器关节轴承的工作状态，以便于更准确的测试关节轴承的性能。绘制的三维实体，如图8所示。 图8 三维实体 图9 二维剖视图机构自由度分析：利用授修正后的Kutzbach-Grüber公式17计算机构的自由度。公式为：M=d(n-g-1)+公式中，M 表示机构的自由度，d表示机构的阶数，n表示构件数，g表示机构中的运动副的数目，fi为

16、第i个运动副的自由度数。为多环并联机构在去除公共约束的因素后的冗余约束的数目，为机构中存在的局部自由度。 3SPS-RRS-PS并联机构的阶数d=6，构件数n=11，运动副数g=14，各运动副总的自由度数为30，冗余约束数目=0，局部自由度数=3。代入公式可得： M=6×（11-14-1）+30-3=3由此可知机构自由度数为3，即绕X轴和Y轴的转动，和沿Z轴的移动。满足测试所需的运动形式。方案二还可以将其等效为3RUS-RRS-PS并联机构。绘制的三维实体，如图10所示。 图10 三维实体自由度计算： M=d(ng1)+ 其中阶数d=6，构件数n=11，运动副数g=14，各运动副总的

17、自由度数为27，冗余约束数目=0，局部自由度数=0。代入公式可得：M=6×（11141）+27=3 由此可知机构自由度数为3，即绕X轴和Y轴的转动，和沿Z轴的移动。也满足测试所需的运动形式。 方案比较：方案一采用了3个SPS支链，而方案二采用了3个RUS支链，其余部分基本相同。都满足了设计要求的三个自由度。 但其中方案一与现实的自动倾斜器下操纵机构十分相似。因此可以很好的模拟自动倾斜器关节轴承的工作状态，以便于更准确的测试关节轴承的性能。所以初步选定采用方案一。五研究工作进度 周次星期星期一星期二星期三星期四星期五1查资料查资料查阅资料整理资料开始写开题报告2完成开题报告初稿修改开题

18、报告修改开题报告查阅资料开始写文献综述3完成文献综述初稿修改文献综述修改文献综述开始制作PPT制作PPT4完成PPT初稿修改PPT修改PPT基本完成所作任务准备第一次答辩5查询机械结构参数查询机械结构参数查询机械结构参数进行机械结构设计进行机械结构设计6进行机械结构设计进行机械结构设计进行机械结构设计进行机械结构设计进行机械结构设计7进行机械零件装配进行机械零件装配进行机械零件装配基本完成三维结构进行修改8进行动作仿真进行动作仿真进行动作仿真绘制总装图绘制总装图9绘制总装图绘制总装图修改总装图修改总装图完成总装图10绘制零件图绘制零件图绘制零件图绘制零件图准备第二次答辩11绘制零件图完成零件图

19、绘制部件图绘制部件图绘制部件图12绘制部件图绘制部件图绘制部件图绘制部件图完成部件图13查阅资料查阅资料查阅资料查阅资料查阅资料14进行控制系统设计进行控制系统设计进行控制系统设计进行控制系统设计进行控制系统设计15进行控制系统设计进行控制系统设计修改控制系统设计修改控制系统设计完成控制系统设计16整理资料开始写设计说明书写设计说明书写设计说明书写设计说明书17写设计说明书修改设计说明书修改设计说明书完成设计说明书准备最后答辩六、主要参考文献1杨华兴.两种自动倾斜器下操纵机构动力学性能分析D.燕山大学,2011.2 Inderjit Chopra, Sadhana June 1994 Volu

20、me 19,Issue 3, pp 427-4663 F. Ranjbaran, C. Lange, J. Angeles. The kinematics and dynamics of the Swashplate of the CL-327. Internal R&D Report RD967002, CL-327 Swashplate Mechanism,Bombardier-Services, Defense, Mirabel, Quebec, 1997:233-2654 Giuseppe Quaranta. Dynamics stability of soft-in-plan

21、e tiltrotors by parallel multibody analysis. The 26th European Rotorcraft Forum, 2000:435-4675 Olivier A. Bauchau, Carlo L. Bottasso, Yuri G. Nikishkov. Modeling Rotorcraft Dynamics with Finite Element Multibody Procedures. Mathematical and computer modeling, 2001,33:1113-11376 Konstantin Kondak, Ca

22、rsten Deeg. Mechanical Model and Control of an Autonomous Small Size Helicopter with a Stiff Main Rotor. Proceedings of 2004 IEEWRSJ International Conference on Intelligent Robots, October 2, 2004, Sendai, Japan,2004:2469-24747 M. R. Sabaapour. The kinematics analysis of a Swashplate mechanism with the flybar.The Ninth Cairo Univ