動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸構(gòu)型研究

■ 黃湘龍 尹鳳 王文凱 趙思波/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸是一種獨(dú)立單元體結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，本文對(duì)自主設(shè)計(jì)的動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)開(kāi)展了載荷分配系數(shù)關(guān)鍵特性研究，利用有限元軟件建模計(jì)算分析和開(kāi)展多通道加載試驗(yàn)驗(yàn)證，動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)綜合載荷分配系數(shù)不低于95%，為動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)旋翼軸的工程應(yīng)用提供了參考。

旋翼軸是驅(qū)動(dòng)直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵零件。現(xiàn)有旋翼軸大多為單軸懸臂梁結(jié)構(gòu)，受載復(fù)雜，質(zhì)量和疲勞壽命難以滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)旋翼軸暴露在機(jī)體外部，戰(zhàn)斗中被子彈擊中損壞的概率大。動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸是一種獨(dú)立單元體結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，如圖1所示，由一根裝在內(nèi)部的動(dòng)軸和一根裝在外部的靜軸組合而成。理想條件下，動(dòng)軸傳遞扭矩，靜軸傳遞旋翼升力和彎矩，實(shí)現(xiàn)載荷分配傳遞，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈上零件的受載，降低了零件的設(shè)計(jì)難度，減輕質(zhì)量并減少變形，使零件容易滿足疲勞壽命，提高了可靠性。另外，內(nèi)部的動(dòng)軸有了外部的靜軸保護(hù)，降低了戰(zhàn)斗中被損壞的概率，能有效提高旋翼軸抗彈擊性能。目前，“阿帕奇”直升機(jī)和西科斯基的先進(jìn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)研究（ART）計(jì)劃的傳動(dòng)系統(tǒng)方案中均采用了動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸。

動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)介紹

在動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)中，靜軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與直升機(jī)機(jī)體平臺(tái)連接；動(dòng)軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與主減速器輸出軸連接。理論上，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力載荷不經(jīng)過(guò)主減速器而直接傳遞至機(jī)身，主減速器主要承受旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩，旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的載荷在動(dòng)靜軸組件中分開(kāi)傳遞，使主減速器的受載情況得到簡(jiǎn)化。動(dòng)靜旋翼軸作為槳轂、主減速器和機(jī)身的動(dòng)力連接樞紐[1]。實(shí)際工作中，靜軸（外軸）在承受旋翼升力載荷（拉力和彎矩）后，由于存在受載變形將導(dǎo)致部分升力載荷傳遞到動(dòng)軸，使得載荷分離不徹底，易導(dǎo)致配合花鍵偏載、嚴(yán)重磨損及動(dòng)軸疲勞壽命低等故障的發(fā)生。

圖1 動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)示意圖

筆者以國(guó)內(nèi)一款直升機(jī)的主旋翼軸尺寸、轉(zhuǎn)速、限制載荷為參考對(duì)象（見(jiàn)表1），根據(jù)動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸。為了評(píng)估該結(jié)構(gòu)中動(dòng)軸和靜軸的載荷分配效果，開(kāi)展了載荷分配效果的有限元建模仿真分析和多通道加載試驗(yàn)驗(yàn)證研究。

表1 主旋翼軸限制載荷

載荷分配效果的建模仿真分析

建立仿真分析模型

采用ANSYS Workbench[2]進(jìn)行有限元前、后處理以及非線性接觸分析，建立了考慮真實(shí)模擬軸承剛度、花鍵接觸等邊界條件的動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。計(jì)算模型中的三維實(shí)體均采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分979313個(gè)節(jié)點(diǎn)、566646個(gè)單元；上、下軸承采用彈簧單元進(jìn)行模擬，彈簧的剛度（見(jiàn)表2）利用Romax Designer 14.5軟件[3]計(jì)算獲得軸承的剛度值；動(dòng)軸上、下花鍵處采用摩擦系數(shù)為0.1的摩擦接觸，其余連接處采用綁定接觸。

計(jì)算載荷分配系數(shù)

通過(guò)仿真計(jì)算獲得了動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)分析模型當(dāng)量應(yīng)力和變形分布，如圖3和圖4所示。

表2 軸承剛度值

表3 動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)模型中支反力結(jié)果

圖2 動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)分析模型

圖3 靜軸當(dāng)量應(yīng)力分布（MPa）

圖4 綜合變形分布

在動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)分析模型中，提取約束位置的支反力和支反力矩，詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

表3中Mx和My需要剔除由于剪切力產(chǎn)生的彎矩后再計(jì)算彎矩分配比例，如表4所示。

計(jì)算結(jié)果表明：由于剪切力與彎矩存在相互影響，若不考慮剪切力的影響，動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)中的彎矩（剪切力）主要由靜軸承受，約占總載荷的95%，動(dòng)軸承受少部分殘余剪切力（彎矩）載荷，約占總載荷的5%；扭矩100%完全通過(guò)動(dòng)軸傳遞，動(dòng)軸承受了100%的扭矩；拉力主要通過(guò)靜軸傳遞，靜軸承受約97.5%的

表4 動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)模型中承載比

開(kāi)展載荷分配驗(yàn)證試驗(yàn)研究

軸向力，動(dòng)軸承受約2.5%的拉力；計(jì)算綜合載荷分配系數(shù)不小于95%。

零件加工完成后，進(jìn)一步開(kāi)展動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)載荷分配試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在驗(yàn)收合格并且處于正常工作狀態(tài)具有多通道加載功能的專用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)器上進(jìn)行，如圖5所示，通過(guò)對(duì)動(dòng)軸和靜軸粘貼應(yīng)變片，對(duì)試驗(yàn)件采用8通道手動(dòng)加載試驗(yàn)方法[4]（由F1～F4實(shí)現(xiàn)軸向力FZ、MX和MY施加，由F5實(shí)現(xiàn)剪切力FX的施加，由F6實(shí)現(xiàn)剪切力FY的施加，由等大反向的F7、F8合成實(shí)現(xiàn)扭矩MZ的施加），按表1中的試驗(yàn)載荷（因試驗(yàn)件為縮比件，加載載荷取表1的1/8）進(jìn)行加載，加載試驗(yàn)如圖6所示。

表5 動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)載荷分配驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

圖5 載荷分配驗(yàn)證試驗(yàn)加載方案

圖6 載荷分配驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

分析試驗(yàn)后動(dòng)軸與靜軸的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

通過(guò)本輪載荷分配試驗(yàn)，可初步獲得試驗(yàn)件載荷分布規(guī)律如下：

● 試驗(yàn)件的剪切力主要由靜軸承受，占總載荷的95.5%～97.3%，動(dòng)軸承受少部分殘余剪切力載荷，占總載荷的2.7%～4.5%，剪切力載荷分配系數(shù)在95.5%以上；

● 試驗(yàn)件的拉力（軸向力）主要由靜軸承受，占總載荷的95.1%～98.2%,動(dòng)軸承受少部分殘余剪切力（軸向力）載荷，占總載荷的1.8%～4.9%，彎矩載荷分配系數(shù)在95.1%以上，考慮實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況下花鍵連接處有潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂，摩擦系數(shù)更低。因此，實(shí)際工況下動(dòng)靜軸的軸向力載荷分配系數(shù)將比試驗(yàn)結(jié)果更高；

● 試驗(yàn)件的彎矩主要由靜軸承受，占總載荷的97.1%～99.8%，動(dòng)軸承受少部分殘余彎矩載荷，占總載荷的0.2%～2.9%，剪切力載荷分配系數(shù)在97.1%以上；

● 試驗(yàn)件的扭矩幾乎完全由動(dòng)軸承受，扭矩載荷分配系數(shù)在99.5%以上；

● 綜合前述結(jié)果，試驗(yàn)件綜合載荷分配系數(shù)為95.1%（取各項(xiàng)載荷分配系數(shù)的最小值）。

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)一款直升機(jī)主旋翼軸的尺寸參數(shù)和限制載荷，本文設(shè)計(jì)了一種動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，通過(guò)開(kāi)展動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的有限元建模仿真分析和載荷分配驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得了動(dòng)靜軸結(jié)構(gòu)的實(shí)際載荷分配系數(shù)不低于95%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為下一步開(kāi)展1∶1全尺寸的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)靜旋翼軸的工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

（黃湘龍，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所，工程師，主要從事直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作）