直升機(jī)尾槳傳動(dòng)軸衡態(tài)準(zhǔn)直原理分析

邵航軍

摘要：以貝爾206BIII型直升機(jī)尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)尾槳傳動(dòng)軸的衡態(tài)準(zhǔn)直原理進(jìn)行分析，闡述其線位移和角位移的補(bǔ)償原理，并給出相關(guān)維護(hù)建議以及操縱使用要求。結(jié)果表明，文中給出的尾槳傳動(dòng)軸衡態(tài)準(zhǔn)直使用及維護(hù)措施，有效保證了其傳動(dòng)效率，極大提高了尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性與可靠性，可為同類型直升機(jī)尾槳傳動(dòng)軸的深度維修/翻修檢查工作提供參考。

關(guān)鍵詞：傳動(dòng)軸;衡態(tài)準(zhǔn)直;托馬斯盤;晶粒方向;分度平面

0 引言

尾槳傳動(dòng)軸是直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出軸與尾槳齒輪箱之間的動(dòng)力傳遞裝置。發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出軸通過尾槳傳動(dòng)軸將功率傳遞至尾槳齒輪箱，尾槳齒輪箱的輸出經(jīng)過減速、改變傳動(dòng)方向和增加輸出扭矩傳遞至尾槳，保障尾槳正常工作，以抵抗主旋翼產(chǎn)生的扭矩，將直升機(jī)的飛行姿態(tài)與航向控制在一個(gè)可接受的水平。因此，尾槳傳動(dòng)軸是直升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部附件之一。

由于尾槳傳動(dòng)軸在機(jī)身結(jié)構(gòu)的站位跨度較大，涉及部附件較多，轉(zhuǎn)速高以及在工作環(huán)境中需要克服各種不同的交變載荷，因此，尾槳傳動(dòng)軸在工作狀態(tài)必須保持較高的衡態(tài)準(zhǔn)直標(biāo)準(zhǔn)。尾槳傳動(dòng)軸衡態(tài)準(zhǔn)直狀況直接體現(xiàn)其性能與可靠性，直接影響直升機(jī)的性能與可靠性，甚至飛行安全。因此，針對(duì)直升機(jī)尾槳傳動(dòng)軸衡態(tài)準(zhǔn)直原理進(jìn)行分析非常必要。

本文以貝爾206BIII型直升機(jī)為例，對(duì)尾槳傳動(dòng)軸進(jìn)行衡態(tài)準(zhǔn)直原理分析，以期為同類別、同系列直升機(jī)尾槳傳動(dòng)軸的深度維修/翻修檢查工作提供參考。

1 尾槳傳動(dòng)軸軸心偏離的危害

尾槳傳動(dòng)軸由鋼質(zhì)前短軸、鋼質(zhì)后短軸、鋁合金后短軸、鋁合金節(jié)段式傳動(dòng)軸、套齒轉(zhuǎn)接頭、懸掛軸承、軸承支架、托馬斯盤（鋼質(zhì)層疊柔性聯(lián)軸盤）、過載銷等組成，如圖1所示。

直升機(jī)在飛行過程中的質(zhì)量不平衡與氣流擾動(dòng)將施加在高速旋轉(zhuǎn)的尾槳傳動(dòng)軸上，產(chǎn)生較大的振動(dòng)載荷，其效應(yīng)呈數(shù)倍甚至數(shù)十倍疊加，具有極大的危害性，嚴(yán)重影響飛行安全。貝爾206BIII型直升機(jī)的尾傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為6016rpm，假定由于質(zhì)量不平衡（或顛簸氣流效應(yīng)）出現(xiàn)1g質(zhì)量偏離，距軸心3cm的偏心度，按離心力計(jì)算公式F = m×r×ω2，其中，F(xiàn)為離心力，m為偏離軸心的質(zhì)量，r為距軸心的距離，ω為轉(zhuǎn)軸角速度，則離心力F=11.89kg。表明距軸心r處，1g質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力足以導(dǎo)致尾槳傳動(dòng)軸軸心偏離，尤其是在遭遇顛簸氣流時(shí)，r值將繼續(xù)增加，離心力F被急劇“增益”放大，導(dǎo)致振動(dòng)值也急劇增加，這對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)極具破壞性，可能導(dǎo)致尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性損傷。

2 衡態(tài)準(zhǔn)直原理

為保證尾槳傳動(dòng)軸軸心準(zhǔn)直，貝爾206BIII型直升機(jī)在尾槳傳動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)用了角位移和線位移的方式來(lái)衰減或消除因動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、直升機(jī)遭遇顛簸氣流以及各方位振動(dòng)而引發(fā)的傳動(dòng)軸偏心度過大的交變載荷。

2.1 線位移的實(shí)現(xiàn)

尾傳動(dòng)軸的線位移主要由套齒轉(zhuǎn)接頭、懸掛軸承及其支架組件來(lái)完成。在鋼質(zhì)前短軸和鋼質(zhì)后短軸的兩端以及與尾槳齒輪箱連接端都安裝有套齒轉(zhuǎn)接頭。每一個(gè)套齒轉(zhuǎn)接頭與一個(gè)托馬斯盤組合成傳動(dòng)軸的套齒轉(zhuǎn)接頭連接組件，這個(gè)套齒轉(zhuǎn)接頭連接組件可以沿傳動(dòng)軸的花鍵齒做軸向滑移，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的線位移，如圖2所示。

從鋁合金后短軸開始，每一根節(jié)段短軸的兩端都安裝有懸掛軸承組件（軸承與軸承環(huán)），其軸承支架內(nèi)留有設(shè)計(jì)軸向滑移間隙，如圖3所示，支架內(nèi)留存的間隙為懸掛軸承組件在其支架內(nèi)沿軸向的線位移提供保障。

傳動(dòng)軸、套齒轉(zhuǎn)接頭連接組件以及懸掛軸承組件與其他零部件組合成一個(gè)完整的尾傳動(dòng)軸，并借助套齒轉(zhuǎn)接頭連接組件以及懸掛軸承組件實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的軸向整體線位移。

2.2 角位移的實(shí)現(xiàn)

尾傳動(dòng)軸的角位移主要是通過托馬斯盤組件來(lái)完成。托馬斯盤即鋼質(zhì)層疊柔性聯(lián)軸器。所有傳動(dòng)軸（包括鋼質(zhì)短軸、鋁合金短軸以及鋁合金節(jié)段式短軸）的連接都是以托馬斯盤為連接介質(zhì)進(jìn)行的兩兩連接，連接后的托馬斯盤作為傳動(dòng)軸的一個(gè)部件隨尾槳傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

托馬斯盤由數(shù)片托馬斯鋼片疊加組合而成，每一片托馬斯片均為熱軋型鋼片，主要是因?yàn)闊彳埿弯摰淖杂膳まD(zhuǎn)剛度比冷軋型鋼高，熱軋型鋼的抗扭性能優(yōu)于冷軋型鋼，并且在熱軋成型時(shí)，托馬斯片的金屬晶粒方向是設(shè)定的，即晶粒方向沿?zé)彳埬胫频姆较蜓由?。為識(shí)別出成品托馬斯片的晶粒方向，在每一片托馬斯鋼片的180?對(duì)應(yīng)邊界加工出兩個(gè)分度平面，該分度平面的方向與晶粒方向一致。托馬斯鋼片具有一定的柔韌性，但這種柔韌性只能以晶粒方向?yàn)檗D(zhuǎn)軸彎曲方向而表現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，伴隨著托馬斯盤彎曲工況的起始與結(jié)束，托馬斯鋼片之間一定會(huì)隨之出現(xiàn)微量的相對(duì)移動(dòng)摩擦，為防止因微量相對(duì)移動(dòng)造成的磨損，托馬斯鋼片都經(jīng)過了表面硬化處理。如圖4所示。

托馬斯盤由數(shù)片托馬斯片層疊加組合而成，在貝爾206BIII型直升機(jī)上一般為9～12片。在組合時(shí)，相鄰兩片的分度平面兩兩相錯(cuò)90?，即組合時(shí)相鄰的托馬斯片的晶粒方向兩兩相錯(cuò)90?，如圖5所示。

組合后的托馬斯盤既保持了整體剛性，又具有一定的整體柔韌性。其整體剛性能滿足尾傳動(dòng)軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中進(jìn)行及時(shí)有效的功率（扭矩）傳遞;其柔韌性允許在托馬斯盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輕微形變，這種輕微形變正是尾傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中典型的角位移補(bǔ)償特性的表現(xiàn)形式。

3針對(duì)性維護(hù)檢查

對(duì)于直升機(jī)的尾傳動(dòng)軸，除依照維護(hù)手冊(cè)進(jìn)行例行維護(hù)檢查外，應(yīng)進(jìn)行差異化、針對(duì)性的定向深度檢查，可采取以下措施：

1） 航前應(yīng)檢查傳動(dòng)軸上的過載銷處于良好狀態(tài)，無(wú)卡阻和彎曲變形;花鍵齒與套齒滑移無(wú)阻礙，潤(rùn)滑良好，懸掛軸承支架總體狀況良好，托馬斯盤整體狀況良好。

2） 定期對(duì)所有涉及線位移、角位移的部附件進(jìn)行檢查，包括位移行程，套齒轉(zhuǎn)接頭齒系和花鍵齒系狀況，懸掛軸承支架狀況，托馬斯盤安裝固定情況，總體狀況以及腐蝕情況。這里需要特別關(guān)注兩個(gè)方面：

a. 套齒轉(zhuǎn)接頭齒系與花鍵齒系狀況，應(yīng)配合良好，不允許出現(xiàn)損傷;一般使用防嚙劑進(jìn)行潤(rùn)滑，這種潤(rùn)滑油脂既能起到潤(rùn)滑作用，又能防止套齒接頭齒系與花鍵齒系之間咬死嚙合。

b. 懸掛軸承支架狀況。支架與尾梁結(jié)構(gòu)的鉚接良好，支架無(wú)裂紋和腐蝕損傷，構(gòu)型完好。支架裂紋或構(gòu)型損傷將影響懸掛軸承在支架內(nèi)的線位移。

3） 針對(duì)使用時(shí)間較長(zhǎng)的直升機(jī)，可擴(kuò)展維護(hù)檢查項(xiàng)目或適當(dāng)縮短定檢周期，如增加傳動(dòng)軸的離位無(wú)損探傷檢查、熒光滲透檢查、托馬斯盤離位疊層分解檢查，以及在每次定檢過程中對(duì)尾傳動(dòng)軸進(jìn)行全面的偏心度檢測(cè)。

4） 托馬斯盤離位疊層分解檢查中，如果某個(gè)托馬斯盤中的鋼片出現(xiàn)裂紋/腐蝕損傷或皺褶，應(yīng)成套更換全部托馬斯片。

4 飛行機(jī)組的操作與使用

除了維護(hù)工作外，飛行機(jī)組的操作與使用對(duì)尾槳傳動(dòng)軸系統(tǒng)工作的可靠性有直接影響。在實(shí)際操作與使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格依照飛行手冊(cè)的要求進(jìn)行規(guī)范操作、正確使用，并注意以下幾點(diǎn)：

1） 地面慢車，應(yīng)將周期變距桿放置并保持在中立位置，避免直升機(jī)大幅晃動(dòng)。

2） 飛行過程中，應(yīng)避免粗猛操縱，并盡量減少機(jī)動(dòng)飛行操縱。在遭遇顛簸或強(qiáng)氣流時(shí)，應(yīng)及時(shí)處置，盡早改出或脫離。

3） 在察覺并懷疑直升機(jī)振動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡快返場(chǎng)著陸，查明原因并進(jìn)行動(dòng)平衡校驗(yàn)。

4） 嚴(yán)禁粗猛著陸和重著陸，一旦發(fā)生應(yīng)立即停場(chǎng)，并依照維護(hù)手冊(cè)要求對(duì)直升機(jī)進(jìn)行相關(guān)檢查與校驗(yàn)。