指导教师：陈蔚芳 教授/博导
论文题目：直升机超临界尾传动系统动力学建模与振动特性研究
答辩委员会：
主席：贾民平 教授/博导 东南大学
委员：李东波 教授/博导 南京理工大学
楼佩煌 教授/博导 南京航空航天大学
叶文华 教授/博导 南京航空航天大学
陈 柏 教授/博导 南京航空航天大学
游有鹏 教授/博导 南京航空航天大学
陈蔚芳 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王 旦 讲师/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2021年10月7日14:30
答辩地点：A17-519
学位论文简介：
直升机尾传动系统是由薄壁转轴、浮动花键、弹性支承、限幅环装置和弧齿锥齿轮副等子单元组成的复杂旋转机械系统，各子单元对系统动力学特性都有重要的影响。随着现代直升机传动系统朝轻量化、低噪声的方向发展，尾传动轴系易在超临界状态下运转，使得尾传动系统的动力学问题极其突出。因此，本文以典型的单旋翼带尾桨的超临界尾传动系统为研究对象，分别建立了浮动花键、橡胶阻尼环、限幅环装置和弧齿锥齿轮副的动力学模型；在此基础上，提出了耦合各子单元的直升机尾传动系统动力学建模方法，研究了系统的振动特性以及主要设计参数对系统动力学特性的影响规律。本文研究对准确把握尾传动系统动力学本质和设计高安全的传动系统具有重要的理论意义和工程实用价值。
论文主要完成的工作及取得的成果如下：
(1) 针对浮动花键齿面摩擦容易引发超临界尾水平轴系出现自激振动的问题，提出了考虑浮动花键摩擦的尾水平轴系建模方法，研究了系统的自激振动行为。基于有限元和集中参数法建立了浮动花键连接的尾水平轴系动力学方程组，采用精细积分和龙格库塔混合数值算法分析了系统的动力学响应；研究了尾水平轴系出现自激振动现象的机理，以及花键齿面摩擦系数、传递扭矩和偏心量对尾水平轴系自激振动的影响规律；在具有浮动花键的多跨轴系试验台上开展了自激振动原理性试验。研究表明：在超临界状态下，花键摩擦产生负阻尼并向尾水平轴系中输入能量，当输入能量达到一定程度时引发系统出现自激振动；随着花键摩擦系数或传递扭矩增加、偏心量减少，系统自激振动现象越严重。试验所得轴心轨迹、主要频率成分与相同参数下理论分析结果一致，验证了理论建模方法的正确性。
(2) 针对橡胶阻尼环对尾水平轴系进行减振，提出了一种橡胶阻尼环的动力学建模方法，建立了具有橡胶阻尼环的尾水平轴系动力学模型，研究了橡胶阻尼环的减振性能。基于动态拉伸试验、联合仿真以及迟滞回线参数分离法，分别获得橡胶阻尼环的动态刚度和阻尼值，通过优化设计方法反向识别橡胶阻尼环材料的超弹性和粘弹性本构模型参数，并开展了试验验证。基于最优拉丁超立方试验设计方法和响应面近似函数，研究位移激励的幅值、频率与橡胶阻尼环的动态刚度、阻尼之间的映射关系，建立了橡胶阻尼环动态刚度和阻尼的动力学模型。将建立的橡胶阻尼环动力学模型应用到模拟尾水平轴系中，通过理论和试验对其进行减振分析。
(3) 针对限幅环装置对尾水平轴系进行跨临界减振，提出了具有限幅环装置的尾水平轴系弯扭耦合动力学建模方法，研究了限幅环装置的跨临界减振性能。基于限幅环装置的减振工作原理，建立考虑碰撞、摩擦以及间隙等影响的限幅环装置非线性动力学模型，结合尾水平轴和轴承支承动力学模型，构建了考虑限幅环装置的尾水平轴系弯扭耦合动力学方程组，采用数值算法研究了限幅环装置对尾水平轴系跨临界的减振效果以及关键参数对限幅环装置减振性能的影响规律；在单跨轴系上开展原理性验证，并与相同参数下理论计算进行对比分析。结果表明：尾水平轴和限幅环装置之间碰摩产生附加刚度，导致系统临界转速升高，并在碰摩点处发生弯扭耦合作用，尾水平轴出现扭转振动；碰摩摩擦系数、弹簧预紧力、碰摩间隙以及摩擦环支架与螺栓间隙对限幅环装置的减振性能都有重要的影响。试验获得的限幅环装置对轴系减振性能影响趋势与理论分析一致，验证了理论模型的正确性。
(4) 针对直升机尾传动系统中弧齿锥齿轮副，提出了考虑时变啮合激励、弹性轴和轴承支承位置的弧齿锥齿轮传动系统动力学建模方法，研究了弧齿锥齿轮系统的振动特性。采用有限元软件计算获得弧齿锥齿轮副的综合时变啮合刚度；通过梁单元离散齿轮轴，建立其有限元模型；基于集中质量法建立了弧齿锥齿轮副的动力学方程组，并根据界面协调条件建立了弧齿锥齿轮传动系统的动力学方程组。通过Newmark数值算法求解系统的动力学方程组，研究了轴交角和转轴不平衡量对系统动力学特性的影响规律。研究表明：轴交角影响系统轴心轨迹的位置、大小和方向，同时由于在不同斜交角下主、从动轮的节锥角不同，致使系统的啮合力和轴承力发生了变化；转轴不平衡量对弧齿锥齿轮传动系统各方向振动都有影响，其中对扭转方向振动的影响最为显著。
(5) 针对超临界直升机尾传动系统，提出了考虑浮动花键、叠片联轴器、具有橡胶阻尼环的弹性支承、限幅环装置以及弧齿锥齿轮副等关键部件影响的超临界尾传动系统的弯扭耦合动力学建模方法，研究了尾传动系统的动力学特性。以超临界直升机尾传动系统为研究对象，基于有限元和集中质量法建立了耦合各子部件的尾传动系统动力学方程组；采用数值算法研究了尾传动耦合系统的振动特性以及限幅环装置、浮动花键对系统动力学行为的影响规律。结果表明：弧齿锥齿轮啮合作用对尾斜轴的振动特性影响较大,对尾水平轴系主要影响其扭转振动。尾斜轴偏心产生的横向振动，经弧齿锥齿轮副的弯扭耦合作用，对尾水平轴系的扭转振动有影响。限幅环装置对尾水平轴跨临界的减振效果优异，且尾水平轴间存在耦合作用，但其对尾斜轴振动影响很小，所以在进行限幅环装置动力学设计时主要关注其与尾水平轴系的匹配设计。浮动花键对相连的尾水平轴影响相对较大，对尾斜轴影响较小；并随着花键齿面摩擦系数的增加，在超临界状态下花键摩擦甚至引发尾水平轴与限幅环装置再次发生碰摩，加剧零部件磨损。
主要创新点如下：
(1) 提出了考虑浮动花键摩擦的尾水平轴系耦合动力学建模方法，研究了花键摩擦引发系统发生自激振动现象的机理，获得了花键齿面摩擦系数、扭矩和偏心量对系统自激振动的影响规律，在具有浮动花键的多跨轴系试验台上进行了原理性试验。
(2) 提出了具有橡胶阻尼环的水平轴系的集中质量和有限元混合动力学建模方法，建立了基于联合仿真和动态试验的支承橡胶阻尼环的动力学模型，研究了具有橡胶阻尼环的水平轴系的动态响应，获得了支承阻尼对水平轴系的减振性能。
(3) 提出了具有限幅环装置的尾水平轴系弯扭耦合动力学建模方法，研究了跨临界过程中限幅环装置对尾水平轴的减振性能，获得了碰摩系数、预紧力、碰摩间隙等关键参数对限幅环装置减振性能的影响规律。在单跨轴系上开展了跨临界减振及参数影响的原理性试验。
(4) 建立了直升机超临界尾传动系统的弯扭耦合动力学模型，研究了尾传动系统的弯扭耦合振动特性，获得了限幅环装置、浮动花键等对系统动力学特性的影响规律。相比之前的研究，尾传动系统考虑的因素较为全面，更加接近实际情况。
