自動傾斜器扭力臂疲勞試驗件破壞問題探究與分析

包 名，李清蓉，熊 欣

( 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

自動傾斜器扭力臂疲勞試驗件破壞問題探究與分析

包 名，李清蓉，熊 欣

( 中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

總結了某型直升機自動傾斜器扭力臂疲勞試驗中試驗件工作狀態(tài)異常引起的試驗件疲勞性能降低、試驗件提前破壞等問題?；谄谠囼炘O計方案，包括試驗安裝測量、試驗加載方法、測量設備加載誤差控制等方面，探究和分析了試驗中試驗件的關鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案。最后，將上述解決方案應用到幾件扭力臂試驗件的疲勞試驗中，得到了令人滿意的試驗結果，為某型直升機自動傾斜器扭力臂后續(xù)的抽檢試驗及該型機的批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術保障。

直升機；自動傾斜器扭力臂；試驗件破壞

0 引言

在直升機旋翼系統(tǒng)中，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換為旋翼槳葉受控運動的一種裝置。由于旋翼是旋轉的，駕駛員可通過自動傾斜器將操縱指令從不旋轉的機身傳遞到旋轉的槳葉，從而使槳葉的槳距發(fā)生周期性變化，槳葉的旋轉平面會向所需方向傾斜，最終達到控制直升機橫向和縱向飛行[1]。而自動傾斜器扭力臂正是安裝在旋翼軸上用于保證旋轉環(huán)與槳葉一起同步旋轉，實現(xiàn)槳葉變距的一種不可或缺的裝置。扭力臂疲勞壽命的長短，勢必影響著自動傾斜器的使用壽命，從而影響著整個直升機的飛行性能[2]。因此，研究自動傾斜器扭力臂的疲勞性能與破壞模式就顯得尤為重要。

本文主要針對某型機自動傾斜器扭力臂疲勞試驗中試驗件工作狀態(tài)異常引起的試驗件疲勞性能降低、試驗件提前破壞等問題進行探究和分析，并基于疲勞試驗設計方案，包括試驗安裝測量、試驗加載方法、測量設備加載誤差控制等方面，分析了試驗中試驗件關鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案。最后，將提出的解決方案應用到后面的試驗中，取得了令人滿意的試驗結果，為某型機自動傾斜器扭力臂的后續(xù)抽檢試驗及后續(xù)直升機批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術保障。

1 試驗件結構及安裝加載方法

1.1扭力臂試驗件結構

如圖1所示，扭力臂試驗件主要由卡環(huán)、方形臂、三角臂、扭力臂螺栓等部件組成。其中，卡環(huán)通過兩根扭力臂螺栓(圖中1#螺栓、2#螺栓)、碳化鎢直襯套以及碳化鎢墊圈等標準件與兩側的方形臂相連；卡環(huán)兩側的方形臂與三角臂也是通過扭力臂螺栓(圖中3#螺栓、4#螺栓)、碳化鎢直襯套以及碳化鎢墊圈等標準件連接。

如圖2所示，扭力臂螺栓將卡環(huán)與方形臂連接，碳化鎢直襯套栓套在螺栓兩端，安裝時需要保證碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的實際測量間隙在0.3mm到1mm之間。

1.2試驗件安裝及加載方法

1.2.1 試驗件安裝

試驗前，需要按照實際裝機技術要求，將扭力臂試驗件固定在主軸假件(試驗夾具)上，扭力臂盒形件通過螺栓與卡環(huán)連接，扭力臂和旋轉環(huán)連接點為加載點。安裝時需要保證扭力臂盒形件和水平成20°角，扭力臂盒形件和叉形件成98°。試驗件安裝示意圖如圖3所示。

1.2.2 試驗件加載方法

試驗時，可通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)對扭力臂試驗件施加一對與旋翼旋轉方向相反的載荷，即載荷方向沿X軸方向加載，兩個作動器執(zhí)行機構施加的載荷方向保證180°相位差，加載形式如圖4所示[3]，試驗采用正弦波波形加載。

2 試驗問題分析及解決方案

2.1試驗問題描述

從數(shù)件扭力臂試驗件的疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)，扭力臂方形臂與卡環(huán)連接端的碳化鎢直襯套比較容易碎裂，扭力臂螺栓會頻繁破壞，方形臂凸肩襯套會在試驗中發(fā)生脫膠或破壞，如圖5、圖6所示，有時甚至會出現(xiàn)卡環(huán)襯套松脫、方形臂或三角臂提前破壞等現(xiàn)象。方形臂凸肩襯套的脫膠或破壞、卡環(huán)襯套松脫都會使扭力臂試驗件返廠檢修，延長試驗周期，影響試驗進度。同時，扭力臂螺栓的頻繁破壞和方形臂或三角臂的提前破壞，會使扭力臂螺栓、方形臂、三角臂等重要部件的疲勞性能降低或抽檢壽命不合格，嚴重影響著某型機的批產(chǎn)交付工作。

2.2試驗問題分析及探究

探究上述問題不難發(fā)現(xiàn)，碳化鎢直襯套破壞后，正是由于方形臂與卡環(huán)連接端的實際工作狀態(tài)發(fā)生了改變，導致碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙發(fā)生變化，不滿足0.3mm到1mm之間的安裝技術要求?；蛞驗榕ちΡ勐菟ㄉ湘i緊螺母擰緊力矩的丟失造成螺栓松動而使碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙增大；或因為碳化鎢直襯套的破壞，使扭力臂螺栓與方形臂之間的配合出現(xiàn)了局部“階段性別死”狀態(tài)，此時碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙會減小。這兩種情況都會使卡環(huán)扭力臂螺栓在試驗中發(fā)生非正常斷裂而提前破壞。

碳化鎢直襯套破壞后，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙值變小，而由于三角臂不斷受到來自作動器的切向載荷作用，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間幾乎沒有間隙來平衡調(diào)整方形臂的切向受力，這就會使方形臂與扭力臂螺栓之間出現(xiàn)局部“階段性別死”現(xiàn)象。由于方形臂與卡環(huán)之間是通過扭力臂螺栓來完成鎖緊連接的，因此會有一個附加彎矩通過方形臂傳遞給扭力臂螺栓。扭力臂疲勞試驗施加的是周期性過零載荷，持續(xù)往復的“非常態(tài)”周期性彎矩作用在扭力臂螺栓上，必然會使其斷裂破壞。扭力臂螺栓與方形臂之間的非正常相互作用會使方形臂凸肩襯套脫膠或碎裂，有時甚至會引起卡環(huán)襯套松脫。碳化鎢直襯套破壞后的非正常試驗狀態(tài)，有時也會對方形臂或三角臂造成一定影響，導致其提前破壞。

從以往扭力臂疲勞試驗來看，此類情況的發(fā)生，時常會引起試驗件的返廠檢修，延長試驗周期，甚至會導致試驗件抽檢壽命不合格等問題的出現(xiàn)，嚴重影響著某型機自動傾斜器扭力臂疲勞抽檢試驗及該型機的批產(chǎn)交付工作。因此，尋求合適的解決辦法來避免或緩解此類問題的發(fā)生，已成為當務之急。

2.3解決方案

從上述分析來看，可以從載荷波形預判檢查、測量設備加載誤差調(diào)整、碳化鎢直襯套的定期更換以及試驗安裝的定期檢查(包括試驗件安裝力矩的施加、傳感器的自重影響調(diào)整以及試驗件定期間隙測量檢查)等幾個方面來解決上述問題。

2.3.1 載荷波形“預判”檢查與測量設備加載誤差調(diào)整

試驗時，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)主要采用命令與反饋方式來施加試驗載荷，即施加一個理論命令，輸出一個與理論值誤差不超過3%的實際試驗載荷。如圖7所示，試驗初期載荷波形比較穩(wěn)定，命令值與反饋值吻合較好。但隨著試驗的持續(xù)進行，卡環(huán)及方形臂連接端碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙變大，試驗載荷波形也會發(fā)生比較明顯的變化。如圖8所示，一側扭力臂載荷命令值與反饋值在零值處出現(xiàn)“臺階”，這主要是由于卡環(huán)與方形臂連接端碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙變大，造成了載荷換向時三角臂桿端與關節(jié)軸承間的大接觸間隙。此時就需要檢查扭力臂螺栓的擰緊力矩是否丟失、三角臂端部螺栓是否松動等。如圖9所示，扭力臂一側試驗反饋載荷出現(xiàn)“毛刺”，其原因或是由于扭力臂螺栓與方形臂之間的局部“別死”狀態(tài)，致使試驗中扭力臂螺栓承受較大彎矩而發(fā)生破壞；或是由于扭力臂螺栓力矩丟失，使扭力臂螺栓松動處于自由狀態(tài)，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙變大，致使扭力臂螺栓非正常工作而發(fā)生破壞。此時需要拆卸試驗件更換扭力臂螺栓，以免對方形臂或三角臂造成進一步破壞。

因此，當出現(xiàn)圖8、圖9所示的異常波形時，即可做出“預判”，暫停試驗并檢查測量卡環(huán)與方形臂連接端碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的間隙，更換碳化鎢直襯套，補充扭力臂螺栓擰緊力矩，必要時還需要更換扭力臂螺栓，以便后續(xù)試驗的正常進行。另外，需要特別說明的是，試驗時載荷命令值與反饋值有時會在試驗中吻合得不好，加載誤差超出了允許范圍，引起加載狀態(tài)的異常，這就需要通過控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)來對載荷進行不斷調(diào)整校正，保證施加的載荷在誤差允許范圍內(nèi)并且滿足試驗要求。

2.3.2 碳化鎢直襯套的定期更換

從圖5與圖6可以看出，卡環(huán)連接端碳化鎢直襯套的破壞頻率，直接影響著扭力臂螺栓的疲勞性能及方形臂凸肩襯套的脫膠或破壞周期，決定著試驗件的返修次數(shù)，進而影響著整個扭力臂試驗的進度。碳化鎢直襯套的破壞、碎裂會造成扭力臂連接螺栓的磨損甚至提前斷裂；而某些時候方形臂或三角臂等試驗件的提前破壞也與早期扭力臂螺栓、碳化鎢直襯套的失效有關。因此，在試驗過程中對卡環(huán)連接端的碳化鎢直襯套進行定期更換，加強對卡環(huán)連接端方形臂上的碳化鎢凸肩襯套檢查，就顯得尤為重要和關鍵。

2.3.3 試驗安裝的定期檢查

試驗前，確保扭力臂螺栓施加的擰緊力矩要在技術要求范圍內(nèi)，過大的力矩會使碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的安裝間隙過小。試驗中螺母松脫會使扭力臂螺栓力矩丟失，使碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的工作間隙不符合技術要求，從而影響試驗效果。因此，試驗中要定期檢查扭力臂螺栓安裝力矩，測量碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的間隙，確保其值在要求范圍內(nèi)。此外，還需注意的是，載荷傳感器的接線端頭自重往往在試驗時產(chǎn)生彎矩，使加載接頭上的關節(jié)軸承與三角臂桿端根部之間緊密接觸產(chǎn)生“磨痕”，影響三角臂試驗件的疲勞性能。這就需要在試驗前的安裝工作中，消除傳感器接線端頭的自重影響，即將端頭定位在豎直向下的方向，消除其自重對三角臂試驗件帶來的負面影響。

將上述解決方案應用到后續(xù)幾件試驗件的試驗中，試驗結果如表1所示，可以看出由于定期檢查了碳化鎢凸肩襯套與墊圈之間的工作間隙，并采取了定期更換碳化鎢直襯套等措施，試驗件長期處于正常的試驗工作狀態(tài)，從而減小了扭力臂螺栓的破壞頻次，增強了其疲勞性能。同時，也減少了方形臂凸肩襯套因脫膠或破壞所引起的返廠檢修次數(shù)，縮短了試驗周期，提高了試驗效率。方形臂和三角臂等試驗件的疲勞壽命也得到相應提高，沒有出現(xiàn)提前破壞的情況，整體試驗效果令人滿意。

表1 實施解決方案后的試驗中的試驗件破壞情況[4]

3 結論及展望

1) 本文總結了某型直升機自動傾斜器扭力臂疲勞試驗中試驗件工作狀態(tài)異常引起的試驗件疲勞性能降低、試驗件提前破壞等一些問題；

2) 基于試驗安裝測量、試驗加載方法、測量系統(tǒng)誤差控制等幾個方面，分析了試驗中試驗件的關鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案；

3) 將上述解決方案應用到后續(xù)試驗件的疲勞試驗中，得到了令人滿意的試驗結果，為某型機自動傾斜器扭力臂的后續(xù)抽檢試驗及該型機的批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術保障；

4) 對今后自動傾斜器扭力臂疲勞試驗的工作思路，提出個人展望：鑒于碳化鎢直襯套易破壞，可以考慮借鑒其它型號試驗的經(jīng)驗，在外形尺寸不變的前提下使用鋼制襯套代替碳化鎢直襯套，看能否增強試驗的連續(xù)性并提高試驗件的疲勞性能；同時在方形臂凸肩襯套及三角臂桿端根部等關鍵部位采用涂銀漆監(jiān)測裂紋等手段，及時跟蹤發(fā)現(xiàn)試驗件關鍵部位的破壞情況，以免影響試驗件的后續(xù)試驗考核，給整個試驗帶來不利影響。

[1] 蔣新桐.飛機設計手冊，第19冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2] 穆志韜，曾本銀，等.直升機結構疲勞[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[3] 鄧 文.某型武裝直升機自動傾斜器扭力臂疲勞試驗報告[Z].景德鎮(zhèn)：中國直升機設計研究所，2010.

[4] 包 名.某型武裝直升機自動傾斜器扭力臂-卡環(huán)組件批產(chǎn)抽檢疲勞試驗報告[Z].景德鎮(zhèn)：中國直升機設計研究所，2016.

ExplorationandAnalysisonDestoryofFatigueTestPartsfromRotatingScissorsAssemblyofHelicopter

BAO Ming, LI Qingrong, XIONG Xin

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Firstly, problems such as specimens` decrease of their fatigue performance as well as their premature failure, which were caused by abnormal condition of test parts were described in the test of rotating scissors. Then, based on several expects, such as test installation measurement, test loading method, and error control of measuring system, explored and analyzed the possible reasons, and put forward several solutions. Finally, applied above solutions to the fatigue test of the rotating scissors, in which some satisfactory results were obtained, and provided favorable technical support for subsequent test and this model helicopter`s delivery of production.

helicopter；rotating scissors；destroy of test parts

2016-12-16

包 名(1982-)，男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士，工程師，主要研究方向：疲勞強度試驗及疲勞壽命預測技術。

1673-1220(2017)04-058-05

V216.3

A