某主槳收口變距拉桿設(shè)計(jì)改進(jìn)及試驗(yàn)評估分析

李 磊，范平平，吳良清

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

主槳變距拉桿是旋翼系統(tǒng)自動(dòng)傾斜器的主要部件，其功能主要是傳遞旋翼的鉸鏈力矩，傳遞駕駛員的工作指令［1］。某主槳變距拉桿為左右內(nèi)螺紋收口形式，兩端與帶柄軸承相連接，是當(dāng)代直升機(jī)旋翼系統(tǒng)主槳變距拉桿中普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式，如由“海豚2”發(fā)展起來的EC155(見圖1)、BK 117、中法合作研制的EC175等等都采用此種結(jié)構(gòu)的變距拉桿(見圖2)。與以往傳統(tǒng)機(jī)型純粹用六角棒材機(jī)加而成(如EC120、“海豚”SA365N)，或用圓管擴(kuò)口后加裝端套(如“超黃蜂”、NH90、歐直公司EC225)的變距拉桿相比較，收口拉桿具有強(qiáng)度高、重量輕、維護(hù)性好等特點(diǎn)。收口變距拉桿已成為直升機(jī)旋翼自動(dòng)傾斜器構(gòu)型中的發(fā)展主流之一［2，3］。

圖1 EC155直升機(jī)

作為旋翼系統(tǒng)自動(dòng)傾斜器的主要部件之一，主槳變距拉桿是旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)部件，主要承受交變載荷。某主槳變距拉桿設(shè)計(jì)目標(biāo)值為3000飛行小時(shí)。

圖2 EC155直升機(jī)旋翼變距拉桿

1 存在問題

主槳變距拉桿在完成設(shè)計(jì)后，進(jìn)入試制及試驗(yàn)驗(yàn)證階段。在疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證階段，第五件疲勞試驗(yàn)件提前疲勞破壞，追加一件補(bǔ)充試驗(yàn)件也同樣出現(xiàn)試驗(yàn)循環(huán)數(shù)相對較少的現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的分散性，如果按此兩件疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，拉桿壽命不足3000飛行小時(shí)。

2 原因分析

針對上述問題，對主槳變距拉桿第五件和第五件補(bǔ)充件疲勞試驗(yàn)件情況及試件斷口進(jìn)行了相關(guān)分析，檢查是否存在設(shè)計(jì)、制造缺陷。主槳變距拉桿第五件和第五件補(bǔ)充件疲勞試驗(yàn)斷裂位置如圖3、圖4所示。

圖3 第五件破壞部位

2.1 主槳變距拉桿疲勞試驗(yàn)分析

主槳變距拉桿完成6件疲勞試驗(yàn)。第一件累計(jì)完成第一級(jí)疲勞載荷18.9萬次;第二件累計(jì)完成第一級(jí)疲勞載荷31.9萬次;第三件累計(jì)完成第一級(jí)疲勞載荷81.3萬次;第四件累計(jì)完成第一級(jí)疲勞載荷100萬次，第二級(jí)載荷54萬次;第五件累計(jì)完成第一級(jí)疲勞載荷7.4萬次;第五件補(bǔ)充件完成第一級(jí)疲勞載荷9.7萬次。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可看出，第五件和第五件補(bǔ)充件的疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)比前四件明顯偏低。

圖4 第五件補(bǔ)充件破壞部位

2.2 主槳變距拉桿疲勞試驗(yàn)件斷口分析

由于主槳變距拉桿第五件和第五件補(bǔ)充件疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)循環(huán)數(shù)與前面4件單件試驗(yàn)循環(huán)數(shù)相比較少，存在一定的分散性，對最初的壽命評估有一定的影響，因此對第五件和第五件補(bǔ)充件進(jìn)行斷口分析，以確定該疲勞試驗(yàn)件的破壞原因。

2.2.1 斷口宏觀分析

從圖3、圖4可以看出，兩件主槳變距拉桿疲勞試驗(yàn)件的斷口位置都位于拉桿的較粗部位向較細(xì)部位收口過渡的區(qū)域，是承力的薄弱環(huán)節(jié)。從第五件失效試驗(yàn)件的斷口宏觀分析(第五件斷口見圖5)，裂紋產(chǎn)生的位置距離變距拉桿的一端較近，內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)斷口位于最后一道螺紋處，源區(qū)為線源沿內(nèi)螺紋根部分布，擴(kuò)展區(qū)的面積較大，瞬斷區(qū)域較小，斷面粗糙。第五件補(bǔ)充件的斷口源區(qū)從變距拉桿內(nèi)表面起源，向外部擴(kuò)展。直接用肉眼觀察，可以看到源區(qū)側(cè)面有明亮的擦傷痕跡，接觸區(qū)域的螺紋上有磨損氧化的痕跡，表面呈黑色。

2.2.2 斷口電子掃描鏡微觀分析

用電子掃描鏡進(jìn)行斷口觀察，第五件試驗(yàn)件形貌為穿晶斷裂，沿內(nèi)螺紋根部有向外擴(kuò)展的棱線，擴(kuò)展區(qū)為疲勞條帶和二次裂紋，金相顯示沒有出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，見圖7。而第五件補(bǔ)充試驗(yàn)件，裂紋起始于變距拉桿內(nèi)表面螺紋底部，在掃描電鏡下能夠看到螺紋上有磨損痕跡。源區(qū)從螺紋底部起始呈小線源扇形發(fā)散的棱線向兩邊擴(kuò)展，見圖8。兩件疲勞試驗(yàn)件都是螺紋根部有疲勞源產(chǎn)生。

圖5 第五件試驗(yàn)件的斷口形貌

圖6 第五件補(bǔ)充件內(nèi)部螺紋形貌

2.3 主槳變距拉桿工藝加工分析

主槳變距拉桿是鋁合金管材，材料是LY12-CZ-G32×2.5，用于疲勞試驗(yàn)的6件疲勞件是同一批次原材料，國外對應(yīng)材料是2024-T24。經(jīng)過材料性能對比，LY12與2024性能相當(dāng)，見表1。

圖7 第五件疲勞源區(qū)形貌和擴(kuò)展區(qū)中的疲勞條帶

圖8 第五件補(bǔ)充疲勞源區(qū)形貌和擴(kuò)展區(qū)中的疲勞條帶

表1 2024-T42和LY12-CZ主要性能對比

國產(chǎn)收口拉桿與國外拉桿的較大區(qū)別在于:國產(chǎn)收口拉桿兩端的內(nèi)螺紋是普通機(jī)加螺紋，而國外拉桿的收口端是滾壓螺紋。由于目前國內(nèi)不具備在拉桿兩端收口的同時(shí)滾壓內(nèi)螺紋的工藝，因此國產(chǎn)主槳變距拉桿只能在收口后機(jī)加螺紋。與國外生產(chǎn)制造的成品拉桿收口端滾壓螺紋相比較，滾制的螺紋部位的纖維流向未被截?cái)?，因而其受載能力遠(yuǎn)高于國產(chǎn)的普通機(jī)加螺紋收口拉桿。

雖然機(jī)加螺紋在加工后用專用塞規(guī)檢驗(yàn)，但不排除在螺紋收尾處有加工刀具對螺紋端面的細(xì)微損傷。由于拉桿在收口后不能用有效的檢測手段對拉桿體內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)，因此無法排除收口時(shí)引起的材料堆積和壁厚不均現(xiàn)象。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)上述分析結(jié)果，國產(chǎn)收口拉桿疲勞試驗(yàn)性能不能滿足設(shè)計(jì)要求的主要原因是:

1)拉桿收口并機(jī)加螺紋后，管子內(nèi)部特別是收口段潛在的缺陷無法通過有效手段發(fā)現(xiàn);

2)收口拉桿兩端的內(nèi)螺紋根部有引起疲勞源的應(yīng)力集中。

3.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

為提高主槳變距拉桿的疲勞壽命，在目前未有在拉桿兩端收口的同時(shí)滾壓內(nèi)螺紋的工藝技術(shù)的情況下，解決問題的辦法唯有在拉桿加工過程中增加檢測力度和增加有效的檢測手段。具體措施如下:

1)從同批次拉桿中抽取5%(至少一根)做軸向壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)后變距拉桿不得有永久變形;

2)做完壓縮試驗(yàn)之后的拉桿再做剖切試驗(yàn)，著重檢查拉桿體內(nèi)表面、螺紋及收口段有無缺陷，檢查未收口處拉桿體壁厚尺寸是否符合圖紙規(guī)定;

如以上兩項(xiàng)試驗(yàn)中有某項(xiàng)試驗(yàn)不合格，則再從同一批拉桿中抽取雙倍數(shù)量的試件對不合格的項(xiàng)目進(jìn)行復(fù)查。如仍有一根不符合要求，則此批拉桿不得交付。

3)在批生產(chǎn)階段每生產(chǎn)50架份抽檢1件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以檢驗(yàn)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性，確保產(chǎn)品滿足強(qiáng)度要求。

3.2 工藝改進(jìn)

制造廠針對拉桿疲勞壽命偏低的問題也進(jìn)行了分析，研究在生產(chǎn)過程中如何避免拉桿螺紋根部應(yīng)力集中和收口時(shí)產(chǎn)生的材料堆積和壁厚不均等現(xiàn)象。具體改進(jìn)措施如下:

1)加強(qiáng)對拉桿原材料的入廠檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制管子的壁厚，滿足圖紙中規(guī)定的GJB2379高精級(jí)要求，從源頭上杜絕由于拉桿原材料不合格引起的強(qiáng)度問題;

2)對拉桿的收口工藝中的熱增厚工序所采用的工藝參數(shù)(溫度、進(jìn)給速度、增厚系數(shù)等)進(jìn)行進(jìn)一步研究，通過不同的工藝參數(shù)對比找出加工中的最佳方案，降低拉桿收口后出現(xiàn)軸向褶皺和壁厚不均現(xiàn)象，提高拉桿的合格率;

3)在熱處理過程中采取每批隨爐試片的質(zhì)量控制方式，以此保證拉桿體的強(qiáng)度性能。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)施效果

經(jīng)過上述改進(jìn)，目前制造廠生產(chǎn)的變距拉桿均經(jīng)過嚴(yán)格檢測，特別是同批次拉桿中抽取剖切試驗(yàn)，大大降低了拉桿收口后有內(nèi)部缺陷的可能，經(jīng)過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證和強(qiáng)度評估，目前變距拉桿的壽命能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到3000飛行小時(shí)。

5 結(jié)論

綜上所述，旋翼主槳變距拉桿在圖紙中規(guī)定的檢測手段，可以有效地發(fā)現(xiàn)拉桿在收口加工過程中的缺陷，是提高拉桿整體壽命的有效方法。另外，盡快開展收口滾壓螺紋的攻關(guān)研制，提高國內(nèi)收口拉桿的工藝水平，是我們當(dāng)前迫切需要解決的問題。

［1］張呈林，張曉谷，等.直升機(jī)部件設(shè)計(jì)［M］.南京:航空專業(yè)教材編審組，1986.

［2］郭允良，唐 詮，等.世界軍用直升機(jī)博覽［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［3］胡和平，吳明忠，陳劍.球柔性旋翼的動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評估［J］.直升機(jī)技術(shù)，2007(3):11-15.