某型直升機(jī)側(cè)垂尾螺栓結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

姜大成， 呂長(zhǎng)生， 張新軍

（陸軍航空兵駐哈爾濱地區(qū)軍代表室，哈爾濱150066）

某型直升機(jī)側(cè)垂尾螺栓結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

姜大成， 呂長(zhǎng)生， 張新軍

（陸軍航空兵駐哈爾濱地區(qū)軍代表室，哈爾濱150066）

某型直升機(jī)在使用過(guò)程中，發(fā)生過(guò)水平安定面?zhèn)却刮矀€(gè)別連接螺栓斷裂的故障現(xiàn)象，該故障若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)將直接影響直升機(jī)的飛行安全。通過(guò)對(duì)螺栓斷裂原因分析，提出了在保證連接形式不變條件下，改進(jìn)螺栓結(jié)構(gòu)，經(jīng)設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)度校核和空中試驗(yàn)驗(yàn)證，證明改進(jìn)后的螺栓結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。

直升機(jī)；側(cè)垂尾；螺栓；方案設(shè)計(jì)

1 故障現(xiàn)象

側(cè)垂尾作為直升機(jī)關(guān)鍵部件之一，是用碳纖維復(fù)合材料制成，通過(guò)連接螺栓固定在水平安定面兩側(cè)。在直升機(jī)飛行過(guò)程中，主要作用是增加阻尼減小橫向擺動(dòng)使涵道保持平穩(wěn)［1-2］。因此，連接螺栓松動(dòng)或斷裂導(dǎo)致側(cè)垂尾無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)，將給直升機(jī)帶來(lái)災(zāi)難性事故。在航后檢查時(shí)，該型直升機(jī)曾發(fā)現(xiàn)過(guò)連接螺栓出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，尚未影響直升機(jī)的飛行安全。

本文詳細(xì)敘述了某型直升機(jī)側(cè)垂尾連接螺栓故障的檢查、分析和處理的全過(guò)程，并提出了合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。圖1所示為水平安定面斷裂螺栓故障圖。

圖1 側(cè)垂尾螺斷裂故障圖

2 故障原因分析

直升機(jī)側(cè)垂尾連接螺栓斷裂原因分析，主要從螺栓生產(chǎn)過(guò)程、材料理化性能和機(jī)型改進(jìn)等幾方面進(jìn)行分析。

2.1 螺栓的生產(chǎn)過(guò)程檢查

螺栓制造過(guò)程的檢查。對(duì)同批次螺栓生產(chǎn)過(guò)程的制造指令、質(zhì)量原始文件、檢驗(yàn)記錄等進(jìn)行檢查，原材料入廠復(fù)驗(yàn)檢查、熱處理、機(jī)械加工、均質(zhì)檢查、鈍化等生產(chǎn)過(guò)程均符合質(zhì)控文件及圖紙技術(shù)條件要求，沒(méi)有出現(xiàn)任何偏離。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)螺栓的安裝檢查。對(duì)尚未裝機(jī)的螺栓尺寸對(duì)照?qǐng)D紙進(jìn)行符合性檢查，沒(méi)有出現(xiàn)超差現(xiàn)象。并對(duì)螺栓熱處理、表面處理及材質(zhì)情況進(jìn)行了檢查，均符合圖紙要求。

2.2 螺栓斷口及理化分析

斷裂螺栓的斷口位置均在φ5.70處，即螺栓根部在加工過(guò)程中留有的退刀槽處。如圖2所示為故障螺栓結(jié)構(gòu)圖。

圖2 故障連接螺栓結(jié)構(gòu)圖

對(duì)螺栓進(jìn)行了機(jī)械性能測(cè)試、化學(xué)光譜分析、金相分析。經(jīng)檢查硬度、強(qiáng)度符合圖紙要求；材料符合1Cr17Ni3；斷口上可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展條紋。螺栓斷面平坦，瞬時(shí)斷裂區(qū)所占面積很小，表明螺栓在使用過(guò)程中所承受的應(yīng)力不是很大；斷源處未見(jiàn)冶金缺陷，不存在因原材料冶金缺陷引起的疲勞斷裂；材料化學(xué)成分、性能檢測(cè)符合技術(shù)要求；螺栓表面無(wú)腐蝕，不存在因腐蝕引起的疲勞；斷口磨損較多，說(shuō)明部分螺栓已斷裂很長(zhǎng)時(shí)間。

2.3 機(jī)型改進(jìn)的影響

該型直升機(jī)是在某原型機(jī)的基礎(chǔ)上改型研制，改進(jìn)主要是集中在發(fā)動(dòng)機(jī)和武器系統(tǒng)方面，而側(cè)垂尾固定螺栓還是采用原型機(jī)設(shè)計(jì)，未進(jìn)行充分的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)現(xiàn)役該型直升機(jī)側(cè)垂尾固定螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)多架機(jī)螺栓存在裂紋和斷裂現(xiàn)象，而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的直升機(jī)均具有較長(zhǎng)的飛行時(shí)間和多次發(fā)射炮彈的共同特點(diǎn)。進(jìn)一步對(duì)原型機(jī)檢查，未發(fā)現(xiàn)連接螺栓異常。

綜合分析后得出結(jié)論：螺栓為低應(yīng)力作用下的彎曲疲勞斷裂。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)對(duì)檢查的情況進(jìn)行討論、分析，認(rèn)為連接螺栓生產(chǎn)過(guò)程符合圖紙及工藝文件的要求。結(jié)合使用過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)同類故障，認(rèn)為對(duì)于螺栓的結(jié)構(gòu)應(yīng)重新設(shè)計(jì)改進(jìn)。主要是對(duì)螺栓退刀槽的位置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。因?yàn)槿鐚⒙菟ú牧嫌?Cr17Ni3換成30CrMnSi，從理論上來(lái)說(shuō)材料的抗拉強(qiáng)度σs值沒(méi)有明顯提高，其中1Cr17Ni3的σs= 880 MPa，30CrMnSi的σs=1 080 MPa；如加大螺栓直徑尺寸，從裝配來(lái)說(shuō)已經(jīng)沒(méi)有空間，而且如果加大螺栓直徑尺寸現(xiàn)役直升機(jī)的螺栓將無(wú)法實(shí)施更換。所以，在加工工藝、材料等不變的情況下對(duì)螺栓退刀槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，由原來(lái)內(nèi)凹R0.6改為凸出R1。如圖3所示為改進(jìn)后固定螺栓結(jié)構(gòu)圖。

圖3 改進(jìn)后固定螺栓結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)現(xiàn)役原型機(jī)使用情況可以進(jìn)行正常飛行。為保證飛行安全，建議對(duì)執(zhí)行飛行訓(xùn)練任務(wù)的直升機(jī)在每飛行一定小時(shí)后，對(duì)側(cè)垂尾連接螺栓進(jìn)行檢查。該型機(jī)統(tǒng)一更換改進(jìn)后的連接螺栓。

4 強(qiáng)度校核

在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/E環(huán)境下，繪制連接螺栓的三維實(shí)體零件圖，并生成螺栓的輸入文件，可以直接導(dǎo)入MSC.Patran有限元分析軟件中進(jìn)行強(qiáng)度校核［3-4］。在MSC.Patran軟件中進(jìn)行三維模型劃分有限元網(wǎng)格、施加邊界條件、設(shè)置材料特性、定義單元屬性、提交MSC. Nastran運(yùn)算分析、處理運(yùn)算結(jié)果等。

設(shè)連接螺栓的作用力F＝1 000 N。進(jìn)行外力施加載荷，固定螺栓材料選擇1Cr17Ni3材料，其材料特性如表1所示。

表1 材料特性

MSC.Patran中有限元強(qiáng)度校核。連接螺栓改進(jìn)前的計(jì)算結(jié)果如圖4所示，加載后連接螺栓在φ5.70處的最大變形為9.17×10-7m，其最大應(yīng)力σ=88.9 MPa；同樣計(jì)算出改進(jìn)后螺栓相同位置的計(jì)算結(jié)果如圖5所示，最大變形為6.99×10-7m，其最大應(yīng)力σ=58.1 MPa。從計(jì)算結(jié)果中可以得出，在同等外力作用下，改進(jìn)后螺栓結(jié)構(gòu)的變形量比改進(jìn)前減小23.4%，強(qiáng)度增加34.6%。同時(shí)，最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力880 MPa，從而滿足強(qiáng)度要求。

圖4 改進(jìn)前強(qiáng)度分析圖

圖5 改進(jìn)后強(qiáng)度分析圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出了側(cè)垂尾連接螺栓故障原因，提出了改變螺栓結(jié)構(gòu)的解決方案。設(shè)計(jì)更改已在裝機(jī)件和后續(xù)產(chǎn)品中得到貫徹實(shí)施，并在試飛、使用過(guò)程中得到了驗(yàn)證。

［1］ 孔衛(wèi)紅，陳仁良.旋翼/涵道/風(fēng)扇升力系統(tǒng)的前飛氣動(dòng)特性［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（5）：571-576.

［2］ 祝凌云，李斌.運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析［M］.北京:北京人民郵電出版社，2004.

［3］ 黃國(guó)寧，陳海，霍應(yīng)元.MSC Nastran優(yōu)化功能在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2006（12）：50-52.

（編輯：?jiǎn)?迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0119－02

姜大成（1975—），男，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇諜C(jī)械。

2014-01-19