直升机传动系统的应变试验分析

直升机传动系统的应变试验分析

摘要：本文首先从应变计工作原理、全桥测量电路、应变计的粘贴等方面介绍了应变测试技术。其次阐述了应变数据的标定方法，然后通过主旋翼轴的应变试验结果验证了应变测试技术在直升机传动系统上的可行性。

关键词：直升机传动系统应变测试

Abstract： The principle of strain gauge， full bridge circuit and the strain gages are introduced firstly in this paper.Secondly， the calibration method of strain dataalso is introduced， and then the feasibility of strain test technology in helicopter transmission system is validated by the results of strain test in main rotor shaft.

Keywords：Helicopter transmission system， Strain test

前言：

直升机传动系统是直升机三大关键部件之一，其作用是将发动机的功率和转速按一定比例传递到旋翼、尾桨和各附件，是涡轴发动机动力输出必不可少的动力传输部件。直升机具有垂直起落、不需要机场跑道、可在空中悬停、前后左右都能飞行等优点，但其升力和操纵都是由旋翼转动时旋翼桨上形成的气动力提供，且旋翼的动力源于传动系统，因此，直升机传动系统对直升机功能的实现即飞行安全起着至关重要的作用。因此，测试直升机传动系统构件的受载、应力分布状况，能为强度计算提供有力依据。

1.应变测试的原理

1.1.电阻应变计的工作原理[1]

电阻应变计的工作原理是利用金属丝的应变把测试件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量。应变与电阻的相对变化量之间的关系可以表示为：

dR/R=Kε

式中，dR/R为电阻的相对变化量，K为应变计金属丝的灵敏度系数，ε为测试件的应变量。

1.2.测试电桥的选取

在直升机传动系统的应变测试中，由于应变及其应变电阻变化都很微小，难以保证直接测量精度。因此，在直升机传动系统的应变测试中，多数采用标准的全桥测量电路，将应变的电阻变化量最大程度的放大为电压信号，从而提高测量精度。全桥测量电路是在四个桥臂上接电阻应变计，组成全桥。从而可得输出电

压：

u_0=u/4 （ε_1-ε_2+ε_3-ε_4 ）=uKε

输出应变为：ε=u_0/Ku

1.3.应变计的粘贴

对于直升机主旋翼轴来说，其位置一般处在完全安装好时对应于自动倾斜器导筒包裹的一段尺寸比较均匀的位置，该位置比较有利于应变计粘贴，能较准确的反映主旋翼轴的受力情况。对于零部件的试验侧试，为了提高效率，我们通常是直接将每单个应变计的两个接线点引出两根细引线，再将需要组桥的四个应变计在细引线的另一端直接组桥，防护时，只需要对应变计所在的部位进行防护，且只需要进行简单的防潮处理即可。

2. 应变数据的标定

数据的标定是在测试系统的基础上，在受力点上施加已知的载荷，通过测试仪器找出已知载荷与测试仪器记录数据之间的关系，并拟合出两者之间的关系曲线。通过数据标定可以消除系统之间各个环节的误差，从而提高测量精度。

随着科学技术的发展，现代测试仪器设备都是多路自动标定。它有着标定精度、效率高，减少工人劳动强度及节省标定时间等特点。

3.主旋翼应变测试及分析

3.1.主旋翼的应变测试

利用液压作动器，通过转接段对旋翼轴分别施加轴向力、扭转力矩和弯矩载荷，得到载荷和应变之间的关系。某主旋翼轴的加载示意图如图1所示。

图1 某主旋翼轴加载图

3.2.标定数据的分析

通过对轴向力标定数据、扭转力矩标定数据和弯矩标定数据进行处理，得到相应的标定系数，见表1。

表1标定系数

BB1NRL BB2NRL BB1PRL BB2PRL TQ TQ1SP T1 单位

Fz 0.0004647 με/N

Mx 0.01396 0.01365 με/（N.m）

My 0.01393 0.01362 με/（N.m）

Mz 0.008591 0.008587 -0.0008742 με/（N.m）

根据载荷相应的标定系数，可以由将应变和载荷互相计算验证。在这里，扭矩对应有两组应变，可以用其中一组来计算扭矩，另一组备用；每一组弯矩对应有两组应变，并且这两组应变不是同一截面的。利用不同截面的得到的弯矩，还可以用来计算旋翼轴所受的剪力。

根据所得到的标定数据，在机载测试中，可以根据相应的应变测试结果，结合标定系数，采集出旋翼轴的各种状态下的载荷信息。

3.3.误差分析

从表1可知，在扭矩的作用下，轴向应变计产生较大的应变。通过分析可知，应变计的应变与丝栅方向与母线方向的夹角 及扭矩作用下的变形角 之间的关系为

因此，对于纯扭应变计，有 ，带入上式，并忽略高阶小量，有 ；

对于不同的 角度，轴向应变与扭转应变在数据大小上的比例见下表

表2偏角与比例表

偏角（度） 比例 0

1 5%

2 11%

3 16%

4 22%

5 27%

6 33%

7 38%

8 44%

在前文的旋翼轴标定中，该比例约为10%。而一般来说，贴片时会产生约3度左右的偏角，并且旋翼轴在多种载荷综合作用时，也会产生偏角。由此判断，该误差大部分是由偏角带来的。

实验室实测结果表明，对弯矩和扭矩，按应变计算出的载荷误差均在5%左右；对于轴向力，考虑扭矩影响，按应变计算出的载荷误差也在10%以内。

4. 结论

本文主要探讨了应变测试在直升机传动系统中的应用，通过试验验证及分析得出以下结论：采用电阻应变计组成全桥电路进行测量，测得了直升机主旋翼轴轴向、扭转力矩、弯矩载荷下的应变值，误差分析结果表明应变测量方法用于直升机传动系统的测量是可行的。

参考文献：

[1] 李永寿，唐丽芳. 直升机飞行状态下传动系统载荷测试研究[J]. 科技创新导报，2011，NO.06.

聂旭红（1984.11—），女，大学本科学历，工程师，湖北随州人，研究方向：设备计量。