直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

■ 佘定君/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

直升機(jī)主減速器潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，齒輪、軸承等將處于無(wú)潤(rùn)滑油工作狀態(tài)，主減速器在短時(shí)間內(nèi)損壞，造成災(zāi)難性的后果。通過(guò)對(duì)直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)失效機(jī)理進(jìn)行分析、提出設(shè)計(jì)思路，歸納總結(jié)出一些可提高直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的典型設(shè)計(jì)方法。

傳動(dòng)系統(tǒng)是直升機(jī)三大關(guān)鍵動(dòng)部件之一，直接影響到直升機(jī)的生存，而干運(yùn)轉(zhuǎn)能力是對(duì)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)最嚴(yán)苛的要求之一。主減速器在失去潤(rùn)滑條件下，會(huì)迅速進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，大量的摩擦?xí)鹆悴考嶙冃?，使得其齒輪嚙合側(cè)隙或滾動(dòng)軸承正常游隙消失，引起接觸表面的塑性變形、膠合和過(guò)度磨損，導(dǎo)致主減速器在短時(shí)間內(nèi)被損壞，完全失去傳動(dòng)主旋翼、尾槳及附件的功能，造成災(zāi)難性后果。有鑒于此，業(yè)界確立了一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)：直升機(jī)減速器在失去潤(rùn)滑的情況下，應(yīng)至少維持30min以上的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，以使直升機(jī)在這一時(shí)間內(nèi)可以迅速撤離危險(xiǎn)環(huán)境并安全著陸。

研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和美國(guó)陸軍聯(lián)合多家大型直升機(jī)制造公司實(shí)施了先進(jìn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)研究（ART）計(jì)劃，該計(jì)劃將延長(zhǎng)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的生存壽命作為重要內(nèi)容。經(jīng)過(guò)不斷地研究、探索和改進(jìn)，目前世界上主要的武裝直升機(jī)，例如，A129、AH-64A、AH-64D、PAH-2、RAH-66、卡-50、米-18、米-35等均達(dá)到減速器在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下生存壽命超過(guò)30min的要求，其中，做得較好的AH-64的主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力達(dá)到1h。

另外，為了給直升機(jī)減速器的生存能力設(shè)計(jì)提供理論支撐，科研人員在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的齒輪傳動(dòng)熱特性和熱變形方面做了大量工作，先后開(kāi)展了行星齒輪傳動(dòng)在失去潤(rùn)滑的條件下熱分析研究、弧齒錐齒輪熱分析方法研究、干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪的磨損分析研究、失去潤(rùn)滑情況下圓柱齒輪嚙合溫度的試驗(yàn)與仿真分析研究、圓柱齒輪的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力研究等。

干運(yùn)轉(zhuǎn)失效機(jī)理分析

主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)的出現(xiàn)主要是由于潤(rùn)滑系統(tǒng)不再正常工作引起的，從而極大地影響到主減速器的正常運(yùn)行。主減速器從正常潤(rùn)滑到出現(xiàn)干運(yùn)轉(zhuǎn)及失效，須通過(guò)從貧油潤(rùn)滑狀態(tài)到邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，再到完全干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)三個(gè)過(guò)程。

在潤(rùn)滑油路出現(xiàn)損傷后，因滑油流失而造成潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力降低，但此時(shí)仍有大部分滑油回流到主減速器機(jī)匣內(nèi)部，這部分滑油通過(guò)飛濺潤(rùn)滑方法，使齒輪和軸承等需要潤(rùn)滑冷卻的零件保持貧油潤(rùn)滑狀態(tài)工作。

隨著潤(rùn)滑油的進(jìn)一步流失，齒輪和軸承等摩擦副表面由物理吸附或化學(xué)吸附得到的吸附油膜開(kāi)始起主要作用，保證摩擦副處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，這一階段的時(shí)間長(zhǎng)短與滑油蒸發(fā)率及吸附油膜的抗解吸能力（脫吸能力）有很大關(guān)系。

在吸附油膜被破壞后，進(jìn)入完全干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，摩擦副的摩擦狀況取決于材料的熱強(qiáng)度、塑性變形、氧化速度和氧化膜的去除速度之間的競(jìng)爭(zhēng)，如果氧化膜生成速度大于氧化膜的去除速度，因氧化物具有一定的潤(rùn)滑性能，基體材料又有足夠的支撐強(qiáng)度，則摩擦副仍然可以工作；待氧化膜的去除速度大于氧化膜生成速度，則會(huì)進(jìn)入劇烈黏著磨損階段，這種基體與基體之間的直接接觸磨損，一方面使溫度進(jìn)一步升高，齒輪、軸承等材料強(qiáng)度降低，同時(shí)磨損本身會(huì)使摩擦副材料所受應(yīng)力增加，造成摩擦副之間出現(xiàn)膠合，直至出現(xiàn)斷齒、軸承滾動(dòng)體卡死等損傷。

影響主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的主要因素

主減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力至關(guān)重要，影響主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的因素主要有以下幾點(diǎn)。

齒輪和軸承的工作間隙

干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的熱量使齒輪或軸承間的間隙消除，導(dǎo)致減速器失效，需要選擇適當(dāng)?shù)膬?nèi)部間隙，以保持熱平衡，使干運(yùn)轉(zhuǎn)能力得到提升。

主減速器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

減速器的機(jī)匣、齒輪、軸和軸承的剛度、齒輪的支承形式和安裝剛度會(huì)影響到構(gòu)件的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。如果構(gòu)件的剛度不夠，或材料的剛度對(duì)溫度的變化率過(guò)高，就可能導(dǎo)致干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)過(guò)度變形，從而引起傳動(dòng)件安裝位置的變化，造成齒輪的偏載和間隙的減小。

主減速器的溫升率

構(gòu)件的溫升率決定著溫度場(chǎng)的分布以及局部溫升，局部溫度過(guò)高往往意味著失效的開(kāi)始。因此，需要深入進(jìn)行構(gòu)件的熱分析，減少局部高溫區(qū)的數(shù)量和發(fā)熱量，以改善散熱條件，保持均勻的內(nèi)部溫度場(chǎng)。

傳動(dòng)件的材料與熱處理

在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主減速器高速輸入級(jí)的局部溫度可達(dá)500℃，因此齒輪和軸承等構(gòu)件的熱強(qiáng)度對(duì)其干運(yùn)轉(zhuǎn)能力影響很大。采用真空熔煉的M-50鋼軸承和鍍銀的中碳鋼保持架，可使軸承在430℃下長(zhǎng)期工作，保持架鍍銀可增加潤(rùn)滑性。此外，熱處理方式對(duì)構(gòu)件的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力也有很大影響，例如，回火溫度較高的氮化處理構(gòu)件就比回火溫度較低的滲碳處理構(gòu)件表面熱強(qiáng)度高。

潤(rùn)滑劑的性能

潤(rùn)滑油的蒸發(fā)率高，意味著干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)會(huì)迅速到來(lái)。例如，在250℃時(shí)，MIL-L-7808滑油的蒸發(fā)率比MIL-L-23699滑油高3倍，意味著采用MIL-L-23699滑油可顯著延長(zhǎng)工作時(shí)間。

主減速器的工作轉(zhuǎn)速和載荷

主減速器工作轉(zhuǎn)速越高、載荷越大，干運(yùn)轉(zhuǎn)能力就會(huì)越低，溫升越快。干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸承在20000r/min工作時(shí)，干運(yùn)轉(zhuǎn)能力僅為10000 r/min時(shí)的15%左右。載荷是影響干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的另一重要因素。在失去潤(rùn)滑后，功率的加大會(huì)使主減速器溫度大大提高，壽命大大縮短。相對(duì)載荷較低的中、尾減速器及附件傳動(dòng)就比主減速器有更高的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)或儲(chǔ)油裝置

主減速器設(shè)置應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)或儲(chǔ)油裝置，可減小干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的溫升率，使主減速器平穩(wěn)升溫，推遲干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的發(fā)生。

干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述干運(yùn)轉(zhuǎn)失效機(jī)理分析及干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的影響因素分析，主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從避免滑油損失的出現(xiàn)、降低功率損失、提高耐高溫能力和增加殘留滑油設(shè)計(jì)措施等四個(gè)主要方面進(jìn)行考慮。

避免滑油損失

為避免主減速器出現(xiàn)滑油損失，可采取如下設(shè)計(jì)措施：

● 機(jī)匣采用內(nèi)部油路，盡量不采用外部油路，減少潤(rùn)滑系統(tǒng)受損的機(jī)會(huì)；

● 采用防滑油漏泄設(shè)計(jì)，在機(jī)匣靠近軸端密封裝置旁應(yīng)設(shè)置尺寸較大的回油孔，即使密封裝置受損后也不會(huì)引起全部滑油漏光；

● 采用雙滑油泵工作，提供冗余潤(rùn)滑系統(tǒng)。

降低功率損失

為降低主減速器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的功率損失，可采取如下設(shè)計(jì)措施：

● 降低齒輪和軸承表面粗糙度，減小摩擦系數(shù)，相應(yīng)減小摩擦發(fā)熱量；

● 增加構(gòu)件的剛度，保證機(jī)匣、齒輪、軸等構(gòu)件有足夠的剛度和熱強(qiáng)度，在干運(yùn)轉(zhuǎn)的高溫狀態(tài)下不至于引起齒輪、軸承的偏載和間隙的消除；

● 避免在高速和中高速軸上使用圓錐滾子軸承，盡量選用干運(yùn)轉(zhuǎn)能力較強(qiáng)的圓柱滾子軸承和球軸承；

● 精確控制和設(shè)置球軸承和錐軸承的最小名義預(yù)載荷；

● 采用陶瓷滾動(dòng)體，以減小發(fā)熱量；

● 提高輪齒和軸承滾道表面加工精度（通過(guò)整體精磨或超精加工方法來(lái)保證）；降低齒輪偏差，包括齒形偏差、齒向偏差和齒距偏差；

● 齒輪采用表面改性技術(shù)，例如，離子注入技術(shù)、表面固體潤(rùn)滑技術(shù)等；在球軸承和密封保持架上采用低摩擦系數(shù)的涂層，例如，DLC金剛石碳膜涂層、碳化鎢。

提搞耐高溫能力

提高主減速器耐高溫工作能力，可采取如下設(shè)計(jì)措施：

● 適當(dāng)加大軸承游隙、齒頂間隙和嚙合側(cè)隙，可允許齒輪和軸承具有一定的熱膨脹量，在高溫下仍保證運(yùn)動(dòng)部件和所有的摩擦接觸部位之間存有間隙，避免齒輪卡死或軸承抱軸現(xiàn)象；

● 齒輪和軸承采用高熱硬性材料，避免零件由于高溫的性能軟化，齒輪選用具有較好耐高溫性能的齒輪材料，主要有X-53和CSS-42L鋼；軸承選用熱硬性好的材料，主要有M50和M50NiL鋼；

● 優(yōu)化軸承內(nèi)部幾何尺寸，將軸承由外環(huán)引導(dǎo)變?yōu)閮?nèi)環(huán)引導(dǎo)，使內(nèi)環(huán)的發(fā)熱量少于外環(huán)，便于散熱，有利于保證徑向間隙，防止球軸承因滑動(dòng)和磨損加劇導(dǎo)致3點(diǎn)或4點(diǎn)接觸失效；軸承保持架采用高耐熱性鍍銀的鋼保持架。

增加殘留滑油

主減速器采取殘留滑油設(shè)計(jì)，當(dāng)主減速器出現(xiàn)漏油時(shí)，主減速器內(nèi)儲(chǔ)油裝置殘存的滑油仍可對(duì)齒輪、軸承等傳動(dòng)元件起一定的潤(rùn)滑作用，相應(yīng)延長(zhǎng)主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，具體可采取如下設(shè)計(jì)措施：

● 主減速器設(shè)計(jì)儲(chǔ)油箱；

● 齒輪內(nèi)孔增加油芯，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)儲(chǔ)存滑油，失去供油時(shí)放出滑油；

● 在機(jī)匣等的軸承部位增加油兜，為提高行星齒輪調(diào)心滾子軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，將行星架設(shè)計(jì)成具有儲(chǔ)油作用的銷(xiāo)軸式結(jié)構(gòu)；

● 軸承增加擋油盤(pán)，尤其是對(duì)于干運(yùn)轉(zhuǎn)能力較差的錐軸承；

● 設(shè)置應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)，當(dāng)主減速器主潤(rùn)滑系統(tǒng)受損后，滑油泄漏時(shí)，由應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)供油，可減少內(nèi)部零件因無(wú)油工作造成的損傷。

干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)舉例

儲(chǔ)油箱

在機(jī)匣上部設(shè)置殘余滑油儲(chǔ)油箱，設(shè)置一個(gè)專(zhuān)門(mén)的噴油嘴，將壓力油噴入到儲(chǔ)油箱中，滑油通過(guò)溢流口和導(dǎo)油管向下排泄到齒輪軸內(nèi)孔。導(dǎo)油管流出的滑油經(jīng)甩油管上的甩油孔和輸入主動(dòng)錐齒輪上的甩油孔，在離心力作用下流入到各軸承潤(rùn)滑點(diǎn)。

油芯儲(chǔ)油

油芯設(shè)置在齒輪軸內(nèi)腔中，油芯材料可最大限度地存貯滑油，在正常潤(rùn)滑條件下，噴嘴噴入齒輪軸內(nèi)腔的滑油，通過(guò)油芯上沿周向布置的一排小孔經(jīng)軸上的孔甩入軸承處。在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，儲(chǔ)油構(gòu)型仍將釋放滑油，給軸承提供部分潤(rùn)滑，延長(zhǎng)干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，如圖1所示。

圖1 齒輪軸內(nèi)腔設(shè)置的油芯結(jié)構(gòu)

行星架銷(xiāo)軸儲(chǔ)油

主減速器在最末級(jí)均會(huì)設(shè)置行星減速級(jí)，一般認(rèn)為由于行星輪系的工作轉(zhuǎn)速較低，干運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)是最薄弱的部位，事實(shí)上行星減速齒輪一直是干運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大的部分，因?yàn)閺奶?yáng)輪到機(jī)匣外表面的熱傳導(dǎo)不是直接的，同時(shí)行星齒輪必須找到合適的路徑來(lái)傳遞其由于雙齒面嚙合的特性以及行星齒輪內(nèi)部軸承積累的熱量，熱量通過(guò)行星齒輪架轉(zhuǎn)移到支承軸上，然后再通過(guò)軸承最終傳熱到機(jī)匣上。此外，行星齒輪軸承除承受行星齒輪的嚙合力外，還承受行星齒輪隨行星架公轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，這兩種力的合成使得行星齒輪軸承承受很大的載荷。

圖2 主減速器行星架利用銷(xiāo)軸儲(chǔ)油

為了提高行星齒輪軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，可利用行星架銷(xiāo)軸兜孔作為儲(chǔ)油裝置，如圖2所示。當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)失效，進(jìn)油管沒(méi)有滑油供應(yīng)時(shí)，該銷(xiāo)軸的兜孔中存在的余油仍能潤(rùn)滑冷卻行星齒輪軸承，延長(zhǎng)軸承干運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)間。

軸承設(shè)置擋油盤(pán)

在軸承外環(huán)設(shè)計(jì)擋油盤(pán)，如圖3所示。利用噴油嘴將滑油噴入到擋油盤(pán)中潤(rùn)滑軸承，當(dāng)出現(xiàn)干運(yùn)轉(zhuǎn)情況時(shí)，因擋油盤(pán)存儲(chǔ)有一定量的滑油，可延長(zhǎng)軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，從而提高軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

圖3 主減速器軸承設(shè)置擋油盤(pán)

設(shè)置應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)

典型的主減速器應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖4所示，主滑油泵和應(yīng)急滑油泵共用一個(gè)底部油池，在主減速器正常工作狀態(tài)時(shí)，主滑油泵提供潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油經(jīng)外部管路流到散熱器冷卻后再通過(guò)滑油濾進(jìn)入主減速器內(nèi)部各潤(rùn)滑點(diǎn)。當(dāng)外部管路或散熱器被損壞后，主減速器油池的油面會(huì)由于滑油不斷損失而逐漸降低，直到主滑油泵吸不到潤(rùn)滑油時(shí)，應(yīng)急滑油泵才單獨(dú)供油，此時(shí)潤(rùn)滑油不流經(jīng)散熱器冷卻而直接進(jìn)入滑油濾。

圖4 主減速器應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

結(jié)束語(yǔ)

為提高直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，可采取避免滑油損失的出現(xiàn)、降低功率損失、提高耐高溫能力、增加殘留滑油設(shè)計(jì)等措施。

由于主減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速相差較大，每種設(shè)計(jì)方法均有局限性，單純依靠一種方法會(huì)有很大的技術(shù)難度，成本也高。如選用合適的兩種或多種方法，利用其協(xié)同效應(yīng)，效果會(huì)更好，可降低成本。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速和功率等主要性能參數(shù)，齒輪和軸承等摩擦副材料不同的主減速器，要提高其干運(yùn)轉(zhuǎn)能力是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除考慮上述設(shè)計(jì)方面外，還需要考慮加工精度、裝配等試制工藝，且需要做大量的試驗(yàn)研究來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。