國外組合彈性軸承旋翼構型發(fā)展及應用綜述

范名忠，陳少峰，李滿福

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機的旋翼系統(tǒng)是一個不斷變革的關鍵系統(tǒng)，自20世紀70年代彈性軸承正式應用于直升機旋翼系統(tǒng)以來，旋翼系統(tǒng)結構大大簡化。作為旋翼槳轂的關鍵功能件，彈性軸承除可傳遞離心力、扭轉和揮擺力矩外，還有實現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運動的作用。隨著彈性軸承技術的不斷完善，目前歐美直升機旋翼系統(tǒng)都已經廣泛采用各種結構形式的彈性軸承，其中組合彈性軸承是主要的發(fā)展方向。

直升機旋翼系統(tǒng)用單個彈性軸承的優(yōu)點是結構相對簡單，但缺點也是顯而易見的，就是槳葉傳遞來的所有載荷和運動都要通過單個彈性軸承承擔，導致彈性軸承的使用壽命偏低，更換較為頻繁，影響直升機的出勤率和使用維護成本。組合彈性軸承是一種先進的彈性軸承技術，由于組合彈性軸承一般由兩個或兩個以上不同構型的彈性軸承組成，與單個彈性軸承相比，由槳葉傳遞來的載荷和運動可以通過多個彈性軸承分別承擔，能有效減少單個彈性軸承的負荷，大幅度提高彈性軸承的使用壽命。組合彈性軸承是彈性軸承技術的一大進步，在直升機旋翼系統(tǒng)廣泛應用將極大地提高直升機的出勤率并降低使用維護成本。本文整理分析了國外使用組合彈性軸承的旋翼構型的技術特點，可為國內直升機的研制和發(fā)展提供借鑒。

1 典型彈性軸承基本構型

直升機旋翼系統(tǒng)用彈性軸承主要是層狀彈性軸承。作為最普遍的彈性軸承，層狀彈性軸承由橡膠和金屬隔片經過硫化粘接復合而成，一般是將內層金屬隔片和外層金屬附件按照設計要求定位在模具中，然后將橡膠膠料壓入各金屬隔片層間硫化粘接成型。

組合彈性軸承通常由多個不同構型的典型彈性軸承組成。典型彈性軸承的基本構型主要有以下五種，如圖1-圖5所示[1]。

推力彈性軸承(圖1)主要用來承受高的軸向壓縮載荷，同時通過橡膠彈性體的剪切變形可實現(xiàn)一定的扭轉運動和徑向運動。

徑向彈性軸承(圖2)由同心圓柱形的橡膠/金屬疊層構成，這種構型的徑向剛度非常大，同時通過橡膠的剪切變形能夠實現(xiàn)一定的扭轉和軸向運動。

球面彈性軸承(圖3)可以在承受非常大的軸向載荷的同時實現(xiàn)繞三個相互垂直軸的角運動，還可以通過調整橡膠/金屬疊層的內外徑角度來調整其承受徑向載荷的能力。一個球面彈性軸承可以實現(xiàn)三個或三個以上單個傳統(tǒng)軸承所能實現(xiàn)的功能。

球面徑向彈性軸承(圖4)可以承受非常大的徑向載荷，同時實現(xiàn)繞三個相互垂直軸的角運動，另外還具有一定的軸向承載能力，其軸向承載能力取決于橡膠/金屬疊層的幾何形狀。

錐形彈性軸承(圖5)能夠在軸向和徑向兩個方向同時承受很大的載荷，通過橡膠的剪切變形還可以實現(xiàn)扭轉運動。這種構型的軸向剛度和徑向剛度都很高，扭轉剛度相對較低。

本文中提到的組合彈性軸承主要是指以上5種典型彈性軸承基本構型的組合。

2 組合彈性軸承的發(fā)展及應用分析

當前國外采用組合彈性軸承旋翼構型的直升機主要有UH-60、CH-53D、Mi-28、EC665、EH101、V-22等，以及DART彈性萬向鉸原理驗證機。

2.1 UH-60

美國20世紀70年代研制的10噸級UH-60“黑鷹”直升機旋翼采用了推力彈性軸承(圖1構型)和球面彈性軸承(圖3構型)組合結構，其支臂結構如圖6所示。

圖6 UH-60直升機旋翼槳轂支臂剖視圖

該構型兩個軸承都承受離心力，球面彈性軸承承擔切向力和彎矩，推力彈性軸承則實現(xiàn)主要的變距運動以減小球面彈性軸承的變形量。具體來說，槳葉變距時產生的扭矩是通過軸頸右端部的花鍵傳到推力彈性軸承上，推力彈性軸承通過接頭連接傳到球面彈性軸承上，兩個彈性軸承共同承受扭轉變形，但變形量并不相同，因為推力彈性軸承的扭轉剛度比球面彈性軸承的要低很多。分析表明，該構型下槳葉變距運動的85%由推力彈性軸承來實現(xiàn)，其余15%由球面彈性軸承來實現(xiàn)[1]。球面彈性軸承主要承受彎曲變形，提供槳葉的揮舞和擺振運動。

該構型方案組合彈性軸承的壽命達到了2500飛行小時[2]。

2.2 CH-53D

美國20世紀70年代研制的30噸級CH-53D直升機旋翼采用了球面彈性軸承(圖3構型)和中心彈性軸承組合結構，其中心彈性軸承又由徑向彈性軸承(圖2構型)和球面徑向彈性(圖4構型)軸承組合而成。CH-53D旋翼槳轂支臂結構如圖7所示，中心彈性軸承組合結構如圖8所示。

該組合構型中，球面彈性軸承和中心彈性軸承為共球心設計，槳轂支臂主要的離心力作用在球面彈性軸承上，而揮舞和擺振方向的切向力主要由中心彈性軸承來承擔。此方案通過兩種彈性軸承在對應方向上剛度的差異來實現(xiàn)載荷分配。同時，球面彈性軸承和中心彈性軸承共同來實現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和扭轉運動。與UH-60相比，這一結構中的兩個彈性軸承均裸露在外面，處于目視可見的位置，從而使用戶對彈性軸承的表面檢查變得簡單，易于判斷彈性軸承的狀態(tài)。

圖7 CH-53D直升機旋翼槳轂支臂剖視圖

圖8 CH-53D旋翼槳轂中心彈性軸承結構圖

此組合彈性軸承的設計壽命超過1500飛行小時。

2.3 Mi-28

俄羅斯20世紀80年代研制的Mi-28直升機，最大起飛重量為11.4噸，其旋翼同樣采用了組合彈性軸承構型(圖9)。

圖9 Mi-28直升機旋翼槳轂支臂結構圖

與其他采用組合彈性軸承的直升機不同的是，Mi-28采用了球面彈性軸承(圖3構型)和金屬桿端關節(jié)軸承的組合，二者共球心設計。Mi-28的彈性軸承組合構型原理，同CH-53D基本相似。球面彈性軸承主要承受離心力，而揮舞和擺振方向的切向力主要通過金屬桿端關節(jié)軸承傳遞到中央件上。這種構型下金屬桿端關節(jié)軸承在切向力方向剛度很大，其承擔的切向力遠大于球面彈性軸承。

Mi-28的彈性軸承組件壽命指標為1500小時[1]。與此構型類似的還有波音-伏托爾公司研制的HLH直升機(圖10)。

圖10 波音-伏托爾公司HLH直升機槳轂軸承組件

2.4 EC665

法國和德國20世紀80年代聯(lián)合研制的EC665專用武裝直升機(“虎”式直升機)，最大起飛重量為6.1噸，其旋翼槳轂同樣采用了彈性軸承組合的構型(圖11)。EC665的每個支臂包含一個徑向彈性軸承(圖2構型)和一個錐形彈性軸承(圖5構型)(圖12)，錐形彈性軸承主要承受離心力，徑向彈性軸承、錐形彈性軸承共同承受擺振和揮舞方向的彎矩和切向力。該結構型式下，兩個彈性軸承相當于兩個鉸支點，切向力通過鉸接點到力作用點的距離(即力臂)來實現(xiàn)分配，力臂越短分配的力越大，力臂越大則力越小。

從構型上看，EC665直升機旋翼槳轂設計利用鉸支原理使用不同形式的彈性軸承來實現(xiàn)傳力路徑與結構的優(yōu)化，不對彎矩進行卸載，獲得高的操縱功效。這個構型方案最大的優(yōu)點就是極大地簡化了結構，取消了限動裝置，整個旋翼除螺栓螺母襯套外只有20個主要零件[3]。

圖11 EC665直升機旋翼槳轂結構圖

圖12 EC665直升機旋翼槳轂支臂剖面圖

2.5 EH101

英國和意大利20世紀80年代聯(lián)合研制的EH-101直升機，最大起飛重量為14.6噸，該機旋翼槳轂使用的彈性軸承組合構型類似于CH-53D，同樣采用了球面彈性軸承(圖3構型)和中心彈性軸承，中心彈性軸承為徑向彈性軸承(圖2構型)與球面徑向彈性軸承(圖4構型)的組合(圖13)。球面彈性軸承和中心彈性軸承采用共球心設計，能夠實現(xiàn)揮舞、擺振、變距和傳遞主槳葉載荷功能。該直升機處于飛行狀態(tài)時，大部分升力載荷通過中心彈性軸承的芯軸傳遞到主槳轂中心，只有一小部分通過彈性軸承作用到中央件上。這種設計減小了球面彈性軸承的載荷，有利于提高球面彈性軸承的壽命。

圖13 EH-101直升機旋翼槳轂支臂結構圖

該構型同CH-53D在原理上有諸多相似之處，但CH-53D球面彈性軸承離旋轉中心較近，而中心彈性軸承離旋轉中心較遠，而EH-101則反之，中心彈性軸承離旋轉中心較近，而球面彈性軸承離旋轉中心較遠。傳力方面，EH-101中央件袖孔上承受的切向力更小，有助于提高結構件壽命，而中心彈性軸承的芯軸采取滑動式連接，卸載了中心彈性軸承的扭轉運動，但對芯軸的耐磨性要求較高。

2.6 V-22與DART彈性萬向鉸

V-22是美國20世紀80開始研制的24噸級橫列式傾轉旋翼機，其旋翼系統(tǒng)采用了組合彈性軸承，其槳轂支臂如圖14所示。V-22旋翼槳轂中使用的彈性軸承有：中央件彈性軸承(圖3構型)、離心力彈性軸承(圖1構型)和變距彈性軸承(圖2或圖4構型)。其中央件彈性軸承分為上、下中央件彈性軸承，通過將彈性體硫化到中央件上，上、下組合后放置于整個槳轂中心，起到萬向鉸的作用，實現(xiàn)槳葉的揮舞和擺振運動。離心力彈性軸承放置在星形件支臂末端，主要承擔槳葉離心力；而變距運動由靠近離心力彈性軸承的外側變距彈性軸承和安裝在星形件袖孔里的內側變距金屬軸承來實現(xiàn)。

圖14 V-22直升機旋翼槳轂支臂結構圖

圖15 V-22直升機的旋翼槳轂支臂實物圖

DART是歐直21世紀初開始研制的彈性萬向鉸原理驗證機，其槳轂如圖16所示。DART旋翼槳轂中包含四種彈性軸承：中央件彈性軸承(圖3構型)、離心力彈性軸承(圖1構型)、外側變距彈性軸承(圖2或圖4構型)、內側變距彈性軸承(圖2或圖4構型)[3]。其軸承的布置與型式與V-22有諸多相似之處，中央件彈性軸承(圖15)、離心力彈性軸承(圖16)、外側變距彈性軸承的型式與布置同V-22基本一致。不同的是，DART將V-22內側變距金屬軸承也用彈性軸承進行了替代。

圖16 DART旋翼槳轂結構

圖17 DART使用的中央件彈性軸承

圖18 DART使用的離心力彈性軸承

該構型下，槳轂可以實現(xiàn)萬向鉸功能，主要應用在傾轉旋翼機上。這種三個或四個彈性軸承組合的方式并不常見，傾轉旋翼機選擇這種構型有動力學、傾轉穩(wěn)定性等方面的考量，但其基本思路依然是充分利用不同彈性軸承型式的優(yōu)點，對整體結構的承力和受力進行優(yōu)化，在實現(xiàn)功能的同時提高相關部件的使用壽命。這種彈性萬向鉸構型自成一體，特點鮮明。

3 結束語

組合彈性軸承是當前直升機彈性軸承技術的發(fā)展方向，美國、歐洲、俄羅斯均在開展組合彈性軸承的研究。組合彈性軸承可以充分發(fā)揮不同構型彈性軸承的優(yōu)點，并使得旋翼槳轂整體結構件的受力和傳力得到優(yōu)化，使雙方獲得高的壽命增益。

從已有應用來看，最早研制的CH-53D構型是較為經典的組合彈性軸承構型，其設計理念簡單清晰，能有效提高彈性軸承壽命，后續(xù)的Mi-28、EH101等型號與其類似。

同時，組合彈性軸承也被應用到了傾轉旋翼機、共軸高速機等新一代旋翼飛行器上，這是組合彈性軸承未來發(fā)展及應用的新領域。