Способ усталостных испытаний лопастей воздушного винта и установка для его осуществления
METHOD FOR FATIGUE TESTING OF PROPELLER BLADES AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике прочностных испытаний натурных лопастей воздушных винтов вертолетов и самолетов. Результаты этих испытаний используют при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений в процессе разработки конструкции воздушного винта.
Проблема сопротивления усталости для современных лопастей винтов по-прежнему актуальна. Усталость во многом определяет назначенный ресурс винтов, являющийся одним из основных технико-экономических показателей. При современном уровне знаний в области усталости лабораторные испытания являются наиболее эффективным средством для выявления слабых участков конструкции лопастей винтов и установления ресурса. Для лопастей винтов, подвергающихся длительному, интенсивному, вибрационному нагружению, определяющей является многоцикловая усталость. Поэтому основным методом лабораторных испытаний на усталость лопастей воздушных винтов являются вибрационные испытания, прежде всего, на резонансных частотах. Лопасти воздушных винтов, по возможности, испытывают целиком, так как только при испытаниях целой конструкции могут быть отработаны элементы, усталостная прочность которых определяется технологией изготовления и сборки конструкции, учтены изменения условий нагружения элементов статически неопределимых конструкций в процессе их циклического нагружения и разрушения.
Основной задачей, на решение которой направлены заявляемые способ усталостных испытаний лопасти винта и установка для его осуществления, является повышение достоверности проведения испытаний за счет приближения как условий закрепления, так и нагружения лопасти к условиям типовой эксплуатации.
Аналогом способа испытаний на усталость натурной лопасти воздушного винта является «Способ испытаний консольных конструкций на выносливость при динамическом нагружении», изложенный в патенте RU 2301413 C1, G01M 1/00, G01M 7/00 от 20.06.2007 г., бюл. №17. В данном способе испытываемую конструкцию консольно закрепляют одним концом к силовой опоре и возбуждают изгибные колебания при помощи вибровозбудителя. К выбранным сечениям консольной конструкции при помощи силовозбудителя, соединенного с выбранными сечениями гибкими связями, прикладывают продольное растягивающее усилие. Эпюры изгибающих моментов определяют по показаниям тензодатчиков, которые наклеены в нескольких сечениях по длине конструкции.
Недостатком данного способа является то, что для исследования сопротивления усталости натурной лопасти винта вертолета недопустимо жесткое закрепление на опоре какого-либо конца лопасти, поскольку в реальной конструкции вертолета лопасть комлевой частью соединена со ступицей винта шарнирно, а второй край свободен. Жесткое закрепление комлевой части лопасти приведет к искажению ее напряженного состояния при изгибных колебаниях.
Прототипом способа испытаний на усталость натурной лопасти воздушного винта является «Способ динамических испытаний лопастей рулевого винта вертолета на усталостную прочность», патент RU 2196313 С2, G01M 5/00, G01M 7/06, G01N 3/32, 10.01.2003, бюл. 1. В данном способе испытаниям подвергают образец, состоящий из двух лопастей, которые соединяют комлевыми частями при помощи стыкового узла. Образец закрепляют на станине и создают в нем постоянную нагрузку путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины и переменного изгибающего момента посредством возбуждения собственных изгибных колебаний. Продольную силу прикладывают к концам обеих лопастей. Для создания постоянных изгибающих моментов продольную силу прикладывают с эксцентриситетом относительно главных центральных осей поперечных сечений. Образец устанавливают с поворотом вокруг его продольной оси под углом, обеспечивающим требуемые величины переменных изгибающих моментов, как в плоскости вращения, так и в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось винта.
Недостатком данного способа является то, что лопасти состыкованы между собой комлевыми частями. При динамическом нагружении такого образца в концевых сечениях возникают максимальные перерезывающие силы, а в комлевых сечениях минимальные. Такое распределение существенно отличается от распределения в типовом полете. В полете перерезывающие силы достигают максимальной величины в комлевой части лопасти и равны нулю в концевых сечениях. При испытаниях это приводит к получению недостоверных результатов по долговечности зон конструкции лопасти, в которых касательные напряжения от действия перерезывающей силы оказывают существенное влияние. Это особенно актуально при испытании лопастей из композитных материалов, сопротивление усталости которых чувствительно к действию касательных напряжений.
Аналог установки испытаний на усталость натурной лопасти воздушного винта изложен в патенте «Стенд для динамических испытаний элементов воздушного винта летательного аппарата», патент RU 2102713 С1, G01M 7/06, G01N 3/34 от 20.01.1998. Стенд содержит первый и второй шарниры, оси которых перпендикулярны плоскости изгиба образца, и третий шарнир, ось которого расположена по оси установки образца. Первым шарниром соединяют первое зажимное приспособление для крепления одного конца образца со станиной. Второе зажимное приспособление и рычаг закрепляют на корпусе третьего шарнира. Второй шарнир посредством тросовой системы соединяют с устройством для статического растяжения образца. Третий шарнир соединяют с рычагом, на котором с возможностью перемещения по его длине устанавливают вибровозбудитель. Для настройки колебательной системы на частоту, близкую к резонансным частотам изгибных и крутильных колебаний образца, стенд снабжают упругим элементом с регулируемой жесткостью. Последний выполняют в виде изгибаемой в плоскости качания рычага рессоры с передвижной по ее длине опорой. Рессору посредством тяги соединяют с рычагом.
Недостатком данного стенда является то, что перерезывающие силы и изгибающие моменты, возникающие при изгибе лопасти, не соответствуют тем, которые возникают в типовой эксплуатации. Это обусловлено тем, что вибровозбуждение осуществляют в концевом сечении лопасти и вызывают форму колебаний, которая отличается от формы колебаний лопасти в эксплуатации. Следующим недостатком является то, что в процессе циклического нагружения в результате вытягивания тросов, передающих осевую нагрузку от винтового фиксатора на лопасть, осевое усилие может изменяться. Также к недостаткам можно отнести то, что на стенде можно испытывать только одну лопасть. Как правило, для учета рассеяния характеристик усталости необходимо испытать несколько идентичных лопастей. Для выполнения всей программы испытаний, возможно, потребуется недопустимо длительное время.
Аналог установки усталостных испытаний лопасти воздушного винта изложен в патенте «Резонансный стенд», патент RU 2348022 C1, G01M 7/02, от 27.02.2009, бюл. 6. Резонансный стенд содержит два упора, шарниры, между которыми установлена испытываемая конструкция, тросы с демпфером, обеспечивающие постоянство растягивающей силы при колебаниях испытываемой конструкции, силовозбудитель натяжения тросов, тензодинамометр, вибратор с приводом вращения, блок формирования и контроля программы на базе ЭВМ и маслонасосную станцию (МНС). В качестве силовозбудителя натяжения тросов и привода вращения вибратора используют следящие гидроприводы. Гидропривод вибратора включает гидромотор, сервоклапан, соединенный гидролиниями с гидромотором и МНС, датчик перемещения, соединенный с испытываемой конструкцией, регулятор, электрический выход которого подключен к сервоклапану, а входы к ЭВМ и к датчику перемещений. Гидропривод натяжения тросов включает гидроцилиндр, сервоклапан, соединенный гидролиниями с гидроцилиндром и МНС, регулятор, электрический выход которого подключен к сервоклапану, а входы к ЭВМ и тензодинамометру. Датчик перемещения и тензодинамометр подключены к ЭВМ и к регуляторам через аналогово-цифровые преобразователи и полевой шинный интерфейс.
Недостатком данного стенда является то, что на стенде возможны испытания только образца из двух лопастей, состыкованных между собой комлевыми частями. В этом случае при возбуждении изгибных колебаний распределение перерезывающих сил вдоль размаха лопасти не соответствует тем, которые возникают в полете. Это приводит к получению недостоверных результатов по долговечности зон конструкции лопасти, в которых касательные напряжения от действия перерезывающей силы оказывают существенное влияние на их усталостную прочность, например лопасти, выполненной из композиционного материала.
Прототип установки испытаний на усталость натурной лопасти воздушного винта изложен в патенте «Стенд для усталостных испытаний образцов лопастей воздушного винта летательного аппарата», патент RU 2163714 C1, G01M7/00, G01M7/06 от 27.02.2001, Бюл. №6. Стенд содержит шарнирные узлы для крепления образца на станине с возможностью изгибно-крутильных колебаний в заданной плоскости, силовозбудитель нагружения образца растягивающей нагрузкой, установленный последовательно с образцом с помощью тросов и блоков, и вибратор. Стенд снабжен двумя упругими элементами разной жесткости, при этом упругий элемент меньшей жесткости установлен последовательно с образцом в цепи нагружения его растягивающей силой, а упругий элемент большей жесткости установлен с возможностью подсоединения к цепи нагружения параллельно упругому элементу меньшей жесткости.
Недостатком стенда является размещение вибратора на конце образца на подвижном шарнире. Такое размещение не позволяет воспроизвести при изгибно-крутильных колебаниях образца распределение изгибающих моментов и перерезывающих сил в стендовых условиях таким же, как в типовой эксплуатации. Это приводит к недостоверному определению характеристик усталости конструкции лопасти, особенно для лопасти, выполненной из композиционных материалов, в связи с их повышенной чувствительностью к действию касательных напряжений, которые вызываются, в том числе, действием перерезывающих сил.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого способа усталостных испытаний лопасти воздушного винта, является повышение достоверности проведения испытаний за счет приближения условий нагружения и закрепления лопасти в стендовых условиях к условиям ее работы на летательном аппарате.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе усталостных испытаний лопастей воздушного винта, заключающемся в закреплении образца из двух лопастей на станине и создании в нем постоянной нагрузки путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины и переменного изгибающего момента посредством возбуждения изгибных колебаний, образец выполняют соединением концевых частей лопастей гибкой связью, комлевые части лопастей закрепляют с одной стороны шарнирно-неподвижно, а с другой шарнирно-подвижно только в продольном направлении, возбуждают изгибные колебания заданной амплитуды. Возбуждение изгибных колебаний осуществляют в центральной части образца.
По крайней мере на одну лопасть монтируют тензомост, тарируют его изгибающей статической нагрузкой, изгибные колебания возбуждают на восходящей ветви резонанса, одновременно измеряют амплитуду изгибающего момента тензомостом и амплитуду прогиба, определяют зависимость амплитуды прогиба от амплитуды изгибающего момента, по ней определяют амплитуду прогиба для заданного изгибающего момента, которую поддерживают в процессе испытаний.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой установки усталостных испытаний лопасти воздушного винта, является повышение достоверности проведения испытаний за счет приближения условий закрепления лопасти в стендовых условиях к условиям ее установки на летательном аппарате.
Указанный технический результат достигается тем, что установка усталостных испытаний лопасти воздушного винта, содержащая установленные на станине шарнирные узлы для крепления образца с возможностью его изгибно-крутильных колебаний в заданной плоскости, силовозбудитель для нагружения образца растягивающей силой, дополнительно содержит гибкий соединительный элемент для соединения концевых частей лопастей, один шарнирный узел установлен с возможностью только продольного перемещения относительно станины, а также содержит вибратор, подвешенный к концевым частям лопастей с возможностью их свободного вертикального перемещения.
Перечень фигур:
- на фиг. 1 изображена схема установки усталостных испытаний лопастей воздушного винта;
- на фиг. 2 изображена схема образца лопасти рулевого винта вертолета;
- на фиг. 3 приведено фото установки усталостных испытаний образцов лопасти рулевого винта вертолета.
На фиг. 1 изображено: станина 1 и 2, шарнирно-неподвижный узел 3, испытываемые лопасти 4 и 5, гибкая связь 6, шарнирно-подвижный узел 7, трос 8 с демпфером 9, качающийся рычаг 10, динамометр 11, силовозбудитель 12, гидромотор 13, эксцентриковый инерционный вибратор 14, датчик перемещений 15, подвижная в продольном направлении опора 16, тарированный тензомост 17.
На фиг. 2 изображены: наконечник 18, комлевая часть лопасти 19, переходная часть лопасти 20, регулярная часть лопасти 21 и усиленная часть лопасти 22.
На фиг. 3 изображены: шарнирно-неподвижный узел 3, гидромотор 13, карданный вал 23, испытываемые лопасти 4 и 5, гибкая связь 6, шарнирно-подвижный узел 7, эксцентриковый инерционный вибратор 14.
Способ осуществляют следующим образом.
Две лопасти 4 и 5 стыкуют концевыми сечениями при помощи гибкой связи 6 (далее образец). Гибкую связь 6 крепят к усиленным концевым частям лопастей 22. Гибкую связь 6 выполняют в виде пластины из композиционного материала, которая имеет малую изгибную жесткость. В комлевых частях лопастей 19 крепят наконечники 18, одним из которых стыкуют образец с шарнирно-неподвижным узлом 3, с другой с шарнирно-подвижным только в продольном направлении узлом 7. На конструкцию лопастей наклеивают тензомосты 17, которые тарируют, прикладывая к лопастям изгибающую статическую нагрузку. Силовозбудителем 12 нагружают образец осевым растягивающим усилием. Эксцентриковым инерционным вибратором 14 возбуждают изгибные колебания образца на восходящей ветви резонанса. В процессе вибрационного нагружения измеряют амплитуду прогибов образца при помощи датчика перемещений 15 и амплитуду изгибающего момента по сигналам тензомоста 17. Определяют зависимость амплитуды прогиба от амплитуды изгибающего момента. По этой зависимости определяют амплитуду прогиба, которую необходимо воспроизвести для получения заданной амплитуды изгибающего момента. Проводят усталостные испытания лопастей 4 и 5 с поддержанием заданной величины осевой силы и необходимой амплитуды прогиба.
Установка усталостных испытаний лопасти воздушного винта содержит следующее.
Образец, состоящий из двух лопастей 4 и 5, состыкованных между собой гибкой связью 6. Шарнирно-неподвижный узел 3, которым образец с одной стороны комлевой частью крепят к станине. Шарнирно-подвижный узел 7, которым образец с другой стороны комлевой частью крепят к подвижной опоре 16, с возможностью свободного перемещения шарнирного узла в продольном направлении. Силовозбудитель 12 для нагружения образца растягивающей силой, установленный последовательно с образцом с помощью качающегося рычага 10, динамометра 11, тросов 8 и демпфера 9. Эксцентриковый инерционный вибратор 14, который шарнирно прикреплен к концевым сечениям лопастей при помощи стержней, соединенных между собой шарнирно. Эксцентриковый инерционный вибратор 14 связан с гидромотором 13 при помощи карданного вала 23. С помощью силовозбудителя 12 поддерживают заданное усилие натяжения троса и, соответственно, нагружение продольным усилием лопастей 4 и 5. С помощью гидромотора 13 поддерживают скорость вращения эксцентрикового инерционного вибратора 14, при которой достигают заданную величину амплитуды колебаний лопастей 4 и 5.
Способ и установка для его реализации апробированы при испытании натурной конструкции лопасти рулевого винта вертолета.
Испытан образец, который изготавливался из двух натурных лопастей. Конструкция лопасти включала в себя основные участки натурной лопасти (комлевой 19 с наконечником 18, переходный 20, часть регулярного 21 и усиленный 22). Соединение лопасти с наконечником 18 производилось с помощью двух болтов. Наконечник, так же с помощью винтов, соединялся с гребенкой фланца. Две лопасти 4 и 5 стыковали концевыми сечениями при помощи гибкой связи 6. Гибкую связь 6 крепили к усиленным концевым частям лопастей 22. Гибкая связь 6 выполнена в виде пластины из композиционного материала, которая имела малую изгибную жесткость. В комлевых частях лопастей 19 крепили наконечники 18, одним из которых стыковали образец с шарнирно-неподвижным узлом 3, с другой с шарнирно-подвижным узлом 7. На одну лопасть наклеивали тензомост, который тарировали, прикладывая к лопасти изгибающую статическую нагрузку. Нагружали образец осевым растягивающим усилием силовозбудителем 12, установленным последовательно с образцом с помощью качающегося рычага 10, динамометра 11, тросов 8 и демпфера 9. Для контроля заданной осевой силы, действующей на образцы лопастей, использовали тензодинамометр 11. Эксцентриковым инерционным вибратором 14 возбуждали изгибные колебания образца в заданной плоскости на восходящей ветви резонанса. Эксцентриковый инерционный вибратор 14 шарнирно прикреплялся к концевым сечениям лопастей при помощи стержней, соединенных между собой шарнирно. Эксцентриковый инерционный вибратор 14 приводился во вращение гидромотором 13 при помощи карданного вала 23. В процессе вибрационного нагружения измеряли амплитуду прогиба образца при помощи датчика перемещений 15 и амплитуду изгибающего момента по сигналам тарированного тензомоста 17. Определяли зависимость амплитуды прогиба от амплитуды изгибающего момента. По этой зависимости определяли амплитуду прогиба, которую воспроизводили для получения заданной амплитуды изгибающего момента. Режим вибрационного нагружения, т.е. амплитуда и частота колебаний, поддерживались с помощью датчика перемещений 15. Проведены усталостные испытания лопастей 4 и 5 с поддержанием заданной величины осевой силы и заданной амплитуды изгибающего момента.
Проведенные испытания позволили получить технический результат, который заключается в повышении достоверности проведения испытаний за счет приближения условий нагружения и закрепления лопасти в стендовых условиях к условиям ее работы на летательном аппарате, а также поддержании амплитуды изгибающих моментов в сечениях испытываемой лопасти.