陳志強開題報告

1、燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱：直升機旋翼軸承模擬測試系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院（系）：里仁學(xué)院 年級專業(yè)：09級機械電子工程 學(xué)生姓名：陳志強 指導(dǎo)教師：李艷文 完成日期：2013-03-29 一綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義1 旋翼簡介直升機具有獨特的飛行能力，是唯一能夠抵達任何地形區(qū)域的運輸工具。旋翼是直升機和旋翼機等旋翼航空器的主要升力部件，又稱升力螺旋槳。旋翼系統(tǒng)是直升機技術(shù)的核心，旋翼系統(tǒng)各部件是直升機最關(guān)鍵的部件。沒有旋翼就沒有直升機。 直升機上用以操縱旋翼實現(xiàn)升降、前后、左右運動的特殊裝置，稱為自動傾斜器。直升機自動傾斜器是直升機旋翼系統(tǒng)的重要部件，直升

2、機通過自動傾斜器實現(xiàn)對旋翼的總距及周期變距控制1。自動傾斜器是將經(jīng)直升機飛行操縱系統(tǒng)傳遞過來的駕駛員或自動駕駛儀的指令轉(zhuǎn)換為旋翼槳葉受控運動的一種裝置。因為旋翼是旋轉(zhuǎn)的，自動傾斜器被用于將駕駛員的指令從不旋轉(zhuǎn)的機身傳遞到旋轉(zhuǎn)的槳葉。1911年由俄國人H.尤里耶夫發(fā)明，后為所有直升機采用。 圖1自動傾斜器結(jié)構(gòu)示意圖自動傾斜器一般由類似軸承的旋轉(zhuǎn)（外）環(huán)和不旋轉(zhuǎn)（內(nèi)）環(huán)組成（圖1），它通過萬向接頭或球鉸套在旋翼軸上，不旋轉(zhuǎn)環(huán)通過操縱拉桿與駕駛艙中的駕駛桿和總距桿相連，旋轉(zhuǎn)環(huán)通過變距拉桿與槳葉相連。自動傾斜器無傾斜時，各片槳葉在旋轉(zhuǎn)時槳距保持恒定；當(dāng)它被操縱傾斜時，則每片槳葉在旋轉(zhuǎn)中周期性地改變槳距

3、。變距拉桿轉(zhuǎn)至傾斜器上位時槳距加大，槳葉向上揮舞；轉(zhuǎn)至下位時槳距減小，槳葉向下?lián)]舞。這樣就形成旋翼旋轉(zhuǎn)面的傾斜，使旋翼合力傾斜，產(chǎn)生一水平分力。直升機的前后和左右方向的飛行運動就是通過這種操縱實現(xiàn)的，稱為周期變距操縱。飛行員操縱（提或壓）總距桿使自動傾斜器沿旋翼軸平行向上或向下滑動。各片槳葉的槳距將同時增大或減小，使旋翼的升力增大或減小，直升機隨之上升或下降。這種操縱稱為總距操縱。旋翼系統(tǒng)研制屬于直升機型號研制中的關(guān)鍵技術(shù)。而自動傾斜器是操縱旋翼實現(xiàn)升降、前后、左右運動的特殊裝置。自動傾斜器的關(guān)鍵零件是關(guān)節(jié)軸承。關(guān)節(jié)軸承使自動傾斜器可以沿兩個方向擺動，本測試系統(tǒng)主要就是進行直升機自動傾斜器的關(guān)

4、節(jié)軸承的工作性能測試。 關(guān)節(jié)軸承又稱為球面滑動軸承，其結(jié)構(gòu)由一個帶球面的外圈和一個帶外球面的內(nèi)圈組成，如圖2所示。自潤滑關(guān)節(jié)軸承是一種無需補充潤滑劑的特殊形式的關(guān)節(jié)軸承。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、承載力大，而且還具有摩擦系數(shù)小、耐沖擊、耐腐蝕、減少振動、適用溫度范圍廣，壽命長，在工作過程中可以免維修和無需添加潤滑劑等優(yōu)異特性。一般用于速度較低的擺動運動，和低速旋轉(zhuǎn)，也可在一定角度范圍內(nèi)作傾斜運動。圖2 關(guān)節(jié)軸承實物圖2.國內(nèi)外研究狀況 隨著直升機技術(shù)的發(fā)展，并了解了自動傾斜器對直升機的重要作用，越來越多的學(xué)者開始研究自動傾斜器，同時也提出了許多關(guān)于自動傾斜器的結(jié)構(gòu)分析和運動學(xué)分析、動力學(xué)分析的

5、方法和理論。國內(nèi)研究起步較晚，但也有許多學(xué)者在旋翼系統(tǒng)的性能分析方面取得了豐富的成果1。1）國外研究狀況 國外，1994年，Inderjit Chopra2進行了直升機旋翼系統(tǒng)的設(shè)計與分析趨勢的研究。1997年，F(xiàn)Ranjbaran等3對CL-327直升機自動傾斜器進行了運動學(xué)和動力學(xué)分析。2000年GiuseppeQuaranta等4利用多體動力學(xué)方法分析了直升機旋翼系統(tǒng)，并且建立的旋翼系統(tǒng)自動傾斜器的三維理論模型，討論了其穩(wěn)定性及空氣動力學(xué)性能。2001年，美國的Olivier A. Bauchau5，在論文中繪制了鉸接式直升機的旋翼系統(tǒng)的簡圖，圖中描述了旋翼系統(tǒng)的各個運動副，介紹了各個部

6、分的構(gòu)造，給出了運動副間允許的相對運動，描述了基于多體動力學(xué)的研究直升機旋翼系統(tǒng)的方法，如圖3。2004年Konstantin Kondak等6分析了文中所提出的小型直升機的模型的運動學(xué)和動力學(xué)性能，將自動傾斜器分為了內(nèi)外兩個環(huán)，內(nèi)環(huán)主要控制旋翼的方向，外環(huán)主要控制一些關(guān)鍵位置的參數(shù)等。2008年Sabaapour MR等7對無鉸式直升機自動傾斜器下操縱機構(gòu)等效轉(zhuǎn)化得到的3-RUS-PU并聯(lián)機構(gòu)的正向運動學(xué)、逆向運動學(xué)位置分析進行了研究。圖3 旋翼系統(tǒng)圖2）國內(nèi)研究狀況在國內(nèi)，1997年，洪富岳8等人根據(jù)關(guān)節(jié)軸承的主要失效形式是磨損，。研制了大直徑、受重載荷的關(guān)節(jié)軸承磨損壽命試驗機。燕山大學(xué)的

7、楊育林教授等人對關(guān)節(jié)軸承的測試做了許多研究。在2008年，楊育林9等對自潤滑關(guān)節(jié)軸承現(xiàn)狀及發(fā)展進行了研究探討，簡述了自潤滑關(guān)節(jié)軸承的發(fā)展歷程；闡明了國內(nèi)外自潤滑關(guān)節(jié)軸承技術(shù)和理論的研究現(xiàn)狀；指出了我國在自潤滑關(guān)節(jié)軸承技術(shù)方面存在的一些不足，并展望了我國自潤滑關(guān)節(jié)軸承技術(shù)的發(fā)展趨勢。在同一年，魏立保，黃世軍，楊育林10進行了直升機自動傾斜器球鉸自潤滑關(guān)節(jié)軸承試驗機的研制，研制了能夠模擬真實直升機工況的自動傾斜器球鉸軸承試驗機，如圖4。對軸承的性能和使用壽命進行評估；針對自動傾斜器球鉸關(guān)節(jié)軸承試驗機的研制過程加以簡要介紹；對自動傾斜器球鉸軸承性能、使用壽命試驗專用設(shè)備及評價手段進行了介紹。介紹了試

8、驗機的主要技術(shù)參數(shù)、工作原理和結(jié)構(gòu)特點等。2011年，戴新琦11進行了新一代向心關(guān)節(jié)軸承性能試驗機設(shè)計、開發(fā)。圖4 自潤滑關(guān)節(jié)軸承試驗機實物圖4.選題依據(jù)和意義國內(nèi)直升機旋翼技術(shù)的發(fā)展一直處在跟蹤發(fā)展階段，尚未形成自主創(chuàng)新的跨越。在先進材料以及加工技術(shù)等與國外相比還有很大差距。我國關(guān)于自潤滑關(guān)節(jié)軸承的研究起步晚，基礎(chǔ)研究薄弱,雖然在一些領(lǐng)域部分國內(nèi)產(chǎn)品能夠替代國外產(chǎn)品，但是總體上，從產(chǎn)品質(zhì)量、性能以及產(chǎn)品系列化上與國外同類產(chǎn)品還存在較大差距，尤其是在航空航天等一些尖端領(lǐng)域應(yīng)用的自潤滑關(guān)節(jié)軸承技術(shù)接近于空白，這已成為影響我國在這些領(lǐng)域獲取突破的一個重要瓶頸12,13。自動傾斜器球鉸自潤滑關(guān)節(jié)軸承

9、(球鉸軸承) 是直升機旋翼系統(tǒng)的核心零件，駕駛員通過操縱系統(tǒng)控制自動傾斜器球鉸軸承的擺動及往復(fù)運動來實現(xiàn)直升機周期變距與總距的變化，完成各種飛行動作。因而，該球鉸軸承的性能關(guān)系直升機的操縱性能，其使用壽命關(guān)系著直升機的維修周期或首翻期甚至服役時間。此軸承的任何失效都可能導(dǎo)致操縱系統(tǒng)發(fā)生故障，嚴重影響直升機的安全14,15，因此需要對該軸承進行充分的性能試驗驗證和壽命評估工作。所以進行旋翼軸承模擬測試系統(tǒng)設(shè)計，能對關(guān)節(jié)軸承進行工作性能模擬，有利于提高我國對旋翼關(guān)節(jié)軸承設(shè)計制造的自主創(chuàng)新能力。二研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題1本課題的研究主要包括以下內(nèi)容：1) 進行總體方案設(shè)計及論證。2) 查資

10、料進行機械結(jié)構(gòu)方案分析和設(shè)計機械本體設(shè)計；驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計；典型構(gòu)件性能分析。3) 控制方案及控制系統(tǒng)原理圖和相應(yīng)軟件設(shè)計、編寫和調(diào)試。4) 完成測試系統(tǒng)的工作過程仿真。本課題的設(shè)計要求是能進行直升機旋翼軸承工作性能模擬，完成總裝圖和零件圖3張A0圖。2擬解決的主要問題1) 設(shè)計方案的確定。2) 旋翼軸承測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，尺寸的確定，關(guān)鍵構(gòu)件的性能分析。 3) 測試系統(tǒng)的工作過程仿真。三研究步驟、方法及措施 1研究步驟1）查閱資料，分析測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。分析各構(gòu)件的運動關(guān)系，機構(gòu)的自由度等。 2）根據(jù)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能運用繪圖軟件設(shè)計機械結(jié)構(gòu)，完成總裝圖及仿真。 3）繪制部件圖和關(guān)鍵零

11、件圖。 4）進行控制系統(tǒng)設(shè)計。 2研究方法及措施 運用solidworks三維繪圖軟件進行旋翼軸承測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工作過程仿真。四、方案分析和確定要進行旋翼軸承模擬測試系統(tǒng)設(shè)計，用來測試關(guān)節(jié)軸承的工作性能，首先要了解關(guān)節(jié)軸承的運動形式，其運動形式如圖5所示。圖5 自潤滑關(guān)節(jié)軸承的運動形式1.已有的幾種方案介紹：方案一 如圖6 圖6 關(guān)節(jié)軸承內(nèi)擺式疲勞試驗機 方案一簡介在圖6中的部分分別為：1.滾珠絲杠 2.伺服電機 3.滑塊 4.連桿 5.帶沿套筒 6.外圈7.內(nèi)圈 8.可動套杯 9.加載液壓缸 10.機架 11.滾珠絲杠 12.伺服電機 13.滑塊 14.連桿。 具體實施方式： 自動

12、傾斜器關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈7相外圈6構(gòu)成一個球形鉸鏈。可動套杯8、連桿4、滑塊3構(gòu)成一個曲柄滑塊機構(gòu)，其中可動套杯8起到曲柄的作用，可動套杯8、連桿14、滑塊13構(gòu)成另一個曲柄滑塊機構(gòu)，因此該系統(tǒng)是一個空間2自由度曲柄滑塊機構(gòu)。當(dāng)伺服電機2、12按設(shè)定的不同速度進行正反轉(zhuǎn)運動時，通過滾珠絲杠驅(qū)動兩個曲柄滑塊機構(gòu)，從而模擬自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的各種所需的運動與速度。 由于直升機四個旋翼施加給自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的載荷基本相同，故可簡化成一個拉力，加載液壓缸9可較真實的模擬此拉力。方案二 如圖7圖7 直升機主旋翼球鉸軸承疲勞試驗機 方案二簡介( 1)采用兩套空間四桿機構(gòu)實現(xiàn)了關(guān)節(jié)軸承在兩個坐標軸方向的任意擺

13、動；通過一套凸輪機構(gòu)實現(xiàn)主軸的上下往復(fù)運動。以運動分解的方式獲得了關(guān)節(jié)軸承三個自由度的運動目標。( 2)采用阻尼缸與加載缸主動控制技術(shù)實現(xiàn)了包括靜載荷、交變載荷、脈動載荷等工況的模擬。( 3)采用水冷/加熱方式，對環(huán)境溫度控制更加真實。( 4)采用可編程控制器及觸摸屏實時控制關(guān)節(jié)軸承在實驗過程中的滑動/擺動的速度/頻率、載荷的大?。槐O(jiān)測、顯示襯墊磨損量、摩擦力、溫度、振動信號。目前該試驗機已進行了200 h以上的試驗，成功實現(xiàn)了自潤滑關(guān)節(jié)軸承實際工況條件與環(huán)境的模擬，在線檢測、并適時記錄試驗軸承的溫升、載荷、摩擦力矩、擺動頻率等試驗參數(shù)。方案比較：方案一雖然能夠大大減少直升機旋翼自動傾斜器關(guān)節(jié)

14、軸承內(nèi)擺式疲勞測試的成本，機械結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便。但是該系統(tǒng)是一個空間2自由度曲柄滑塊機構(gòu)，只有繞X軸和Y軸的擺動，沒有沿軸向的移動，沒有完全模擬出自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的工作狀態(tài)。方案二在底部采用曲柄滑塊機構(gòu)，使旋翼主軸相對于關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈作上下往復(fù)移動，采用兩個去柄搖桿機構(gòu)完成關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈和外圈的兩個方向的擺動。2.我的設(shè)計方案簡介直升機變距及總距有著特定的操縱范圍 16 。根據(jù)資料可知測試系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：擺動/往復(fù)滑動頻率最大為3.0Hz，擺動角度范圍±9°，往復(fù)距離，調(diào)節(jié)范圍±15mm。旋翼軸轉(zhuǎn)速300400r/min，所測軸承內(nèi)徑為200mm。方案一要

15、實現(xiàn)自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的全部運動，全面的模擬自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的工作狀態(tài)。根據(jù)自潤滑關(guān)節(jié)軸承的運動形式，可以將其等效為3SPS-RRS-PS并聯(lián)機構(gòu)?？梢酝耆珜崿F(xiàn)關(guān)節(jié)軸承的三種運動形式。這個機構(gòu)和現(xiàn)實的自動傾斜器下操縱機構(gòu)十分相似。因此可以很好的模擬自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的工作狀態(tài)，以便于更準確的測試關(guān)節(jié)軸承的性能。繪制的三維實體，如圖8所示。 圖8 三維實體 圖9 二維剖視圖機構(gòu)自由度分析：利用授修正后的Kutzbach-Grüber公式17計算機構(gòu)的自由度。公式為：M=d(n-g-1)+公式中，M 表示機構(gòu)的自由度，d表示機構(gòu)的階數(shù)，n表示構(gòu)件數(shù)，g表示機構(gòu)中的運動副的數(shù)目，fi為第

16、i個運動副的自由度數(shù)。為多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)在去除公共約束的因素后的冗余約束的數(shù)目，為機構(gòu)中存在的局部自由度。 3SPS-RRS-PS并聯(lián)機構(gòu)的階數(shù)d=6，構(gòu)件數(shù)n=11，運動副數(shù)g=14，各運動副總的自由度數(shù)為30，冗余約束數(shù)目=0，局部自由度數(shù)=3。代入公式可得： M=6×（11-14-1）+30-3=3由此可知機構(gòu)自由度數(shù)為3，即繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動，和沿Z軸的移動。滿足測試所需的運動形式。方案二還可以將其等效為3RUS-RRS-PS并聯(lián)機構(gòu)。繪制的三維實體，如圖10所示。 圖10 三維實體自由度計算： M=d(ng1)+ 其中階數(shù)d=6，構(gòu)件數(shù)n=11，運動副數(shù)g=14，各運動副總的自

17、由度數(shù)為27，冗余約束數(shù)目=0，局部自由度數(shù)=0。代入公式可得：M=6×（11141）+27=3 由此可知機構(gòu)自由度數(shù)為3，即繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動，和沿Z軸的移動。也滿足測試所需的運動形式。 方案比較：方案一采用了3個SPS支鏈，而方案二采用了3個RUS支鏈，其余部分基本相同。都滿足了設(shè)計要求的三個自由度。 但其中方案一與現(xiàn)實的自動傾斜器下操縱機構(gòu)十分相似。因此可以很好的模擬自動傾斜器關(guān)節(jié)軸承的工作狀態(tài)，以便于更準確的測試關(guān)節(jié)軸承的性能。所以初步選定采用方案一。五研究工作進度 周次星期星期一星期二星期三星期四星期五1查資料查資料查閱資料整理資料開始寫開題報告2完成開題報告初稿修改開題報

18、告修改開題報告查閱資料開始寫文獻綜述3完成文獻綜述初稿修改文獻綜述修改文獻綜述開始制作PPT制作PPT4完成PPT初稿修改PPT修改PPT基本完成所作任務(wù)準備第一次答辯5查詢機械結(jié)構(gòu)參數(shù)查詢機械結(jié)構(gòu)參數(shù)查詢機械結(jié)構(gòu)參數(shù)進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計6進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計7進行機械零件裝配進行機械零件裝配進行機械零件裝配基本完成三維結(jié)構(gòu)進行修改8進行動作仿真進行動作仿真進行動作仿真繪制總裝圖繪制總裝圖9繪制總裝圖繪制總裝圖修改總裝圖修改總裝圖完成總裝圖10繪制零件圖繪制零件圖繪制零件圖繪制零件圖準備第二次答辯11繪制零件圖完成零件圖繪

19、制部件圖繪制部件圖繪制部件圖12繪制部件圖繪制部件圖繪制部件圖繪制部件圖完成部件圖13查閱資料查閱資料查閱資料查閱資料查閱資料14進行控制系統(tǒng)設(shè)計進行控制系統(tǒng)設(shè)計進行控制系統(tǒng)設(shè)計進行控制系統(tǒng)設(shè)計進行控制系統(tǒng)設(shè)計15進行控制系統(tǒng)設(shè)計進行控制系統(tǒng)設(shè)計修改控制系統(tǒng)設(shè)計修改控制系統(tǒng)設(shè)計完成控制系統(tǒng)設(shè)計16整理資料開始寫設(shè)計說明書寫設(shè)計說明書寫設(shè)計說明書寫設(shè)計說明書17寫設(shè)計說明書修改設(shè)計說明書修改設(shè)計說明書完成設(shè)計說明書準備最后答辯六、主要參考文獻1楊華興.兩種自動傾斜器下操縱機構(gòu)動力學(xué)性能分析D.燕山大學(xué),2011.2 Inderjit Chopra, Sadhana June 1994 Volum

20、e 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-plane

21、 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, Car

22、sten 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 Uni