動(dòng)靜旋翼軸研究現(xiàn)狀與技術(shù)特點(diǎn)分析

尹鳳，張曉宇，胡超，黃湘龍

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所；2.直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412002）

旋翼軸是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)部件，傳統(tǒng)旋翼軸為單軸懸臂梁結(jié)構(gòu)，其自身受載復(fù)雜，疲勞壽命難以保證，同時(shí)，旋翼載荷經(jīng)由主減速器再傳遞至機(jī)身，傳力路徑復(fù)雜，增加了機(jī)匣設(shè)計(jì)難度、主減重量等。動(dòng)靜旋翼軸是一種新型旋翼軸結(jié)構(gòu)，可有效地解決上述問(wèn)題。

1 動(dòng)靜旋翼軸工作原理

以“阿帕奇”AH-64 直升機(jī)的動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)（圖1）為例。其主要由動(dòng)軸和靜軸等組成，動(dòng)軸上、下端通過(guò)花鍵分別與旋翼槳轂及主減輸出軸相連，僅傳遞扭矩。靜軸上端通過(guò)一對(duì)圓錐滾子軸承與槳轂相連，底部固定在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，傳遞除扭距外的其他旋翼載荷并直接傳至機(jī)身而不經(jīng)過(guò)主減速器。

圖1 “阿帕奇”AH-64 動(dòng)靜旋翼軸

2 動(dòng)靜旋翼軸研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)中期，美國(guó)休斯公司率先開(kāi)展了動(dòng)靜旋翼軸技術(shù)研究，并在OH-6A 直升機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用（圖2），其動(dòng)軸上端通過(guò)螺栓與槳轂連接，下端通過(guò)鼓形花鍵與主減速器輸出軸連接，只傳遞扭矩；靜軸上端通過(guò)一對(duì)圓錐滾子軸承與槳轂相連，底部固定在與機(jī)身相連的底座上，傳遞除扭距外的其他旋翼載荷并直接傳至機(jī)身。該結(jié)構(gòu)能防止旋翼系統(tǒng)在墜毀事故中松脫和槳葉撞擊而穿透空勤人員座艙，同時(shí)采用了剪斷破損安全設(shè)計(jì)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)，能使飛機(jī)自轉(zhuǎn)著陸，極大地提升了直升機(jī)的安全性。

圖2 OH-6A 動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)

隨后，美國(guó)在“阿帕奇”AH-64 直升機(jī)上也應(yīng)用了動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)（圖1），其總體結(jié)構(gòu)方案與OH-6A 直升機(jī)基本保持一致，但在細(xì)節(jié)上做了很多關(guān)鍵設(shè)計(jì)。比如，其動(dòng)軸采用3 段焊接軸結(jié)構(gòu)，中段軸采用薄壁高強(qiáng)度鋼制成，使動(dòng)軸重量減輕了15.1 磅；其撐桿應(yīng)用了損傷容限設(shè)計(jì)理念，保證在任一支撐桿損傷失效情況下都能承受極限載荷而不失效，提高了直升機(jī)的抗墜毀性；進(jìn)行了主旋翼軸抗彈擊設(shè)計(jì)，確保主旋翼軸在遭受12.7mm 或23mm 的彈擊后仍可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在AH-64 飛行中從未出現(xiàn)主旋翼軸失效的情況。

1992 年，SIKORSKY 直升機(jī)公司在ART 項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了一種全新的動(dòng)靜旋翼軸方案（圖3），其動(dòng)軸采用內(nèi)、外軸結(jié)構(gòu)并通過(guò)法蘭相連，動(dòng)軸上端通過(guò)法蘭與旋翼槳轂相連，下端由一對(duì)圓錐滾子軸承支承在靜軸上；靜軸設(shè)計(jì)成桁架結(jié)構(gòu)，通過(guò)6 根支架與機(jī)身相連。旋翼的拉力、彎矩等由外軸經(jīng)錐軸承傳至靜軸再傳至機(jī)身，扭矩由內(nèi)軸傳遞。該方案中選用了大量的新材料，比如：其動(dòng)軸選用鈦合金材料，靜軸選用復(fù)合材料，大大減輕了重量。最終該傳動(dòng)系統(tǒng)較原型機(jī)成功減重23%,其中動(dòng)靜旋翼軸技術(shù)的應(yīng)用對(duì)其減重做出了重要貢獻(xiàn)。

圖3 Sikorsky 公司ART 動(dòng)靜旋翼軸方案

3 動(dòng)靜旋翼軸技術(shù)特點(diǎn)分析

通過(guò)動(dòng)靜旋翼軸研究現(xiàn)狀分析可知，其主要具有如下技術(shù)特點(diǎn)。

（1）可實(shí)現(xiàn)旋翼載荷分離，旋翼載荷傳遞路線清晰，零件受載簡(jiǎn)化，有利于減輕主減重量。

（2）靜軸加強(qiáng)了對(duì)槳轂的支撐作用，且對(duì)動(dòng)軸有一定防護(hù)作用，提高了旋翼軸的可靠性和抗彈擊能力。

（3）通過(guò)剪斷破損安全設(shè)計(jì)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)，能保證飛機(jī)自轉(zhuǎn)著陸，提高了直升機(jī)的抗墜毀性能。

（4）采用動(dòng)靜旋翼軸結(jié)構(gòu)，在主減速器裝拆時(shí)不需要拆下旋翼軸、槳轂、操縱系統(tǒng)和旋翼組件，可維護(hù)性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

相比傳統(tǒng)的旋翼軸結(jié)構(gòu)，動(dòng)靜旋翼軸在減重、可靠性、抗彈擊及抗墜毀性等方面具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，國(guó)外直升機(jī)公司對(duì)動(dòng)靜旋翼軸開(kāi)展了大量技術(shù)研究，并在當(dāng)代部分先進(jìn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中取得應(yīng)用。國(guó)內(nèi)急需開(kāi)展動(dòng)靜旋翼軸技術(shù)研究，為下一代高性能直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)自主研制提供技術(shù)支撐。