對(duì)重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型與技術(shù)特點(diǎn)的分析

蘇江

摘要：隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的不斷提升，重型運(yùn)輸直升機(jī)憑借其載重大、效率高等特點(diǎn)在軍用領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域當(dāng)中都發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，相關(guān)研究人員也應(yīng)不斷加強(qiáng)對(duì)重型運(yùn)輸直升機(jī)的研究力度。基于此，本文從重型運(yùn)輸直升機(jī)的重要作用與發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型加以分析，并以此為基礎(chǔ)探討了其構(gòu)件尺寸大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸入轉(zhuǎn)速較大、功率密度較大以及功率傳遞路徑多等方面的技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：重型運(yùn)輸直升機(jī);傳動(dòng)系統(tǒng);技術(shù)特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：V275.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0058-02

0? 引言

重型運(yùn)輸直升機(jī)主要指的是起飛質(zhì)量在20t以上的直升機(jī)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。重型運(yùn)輸直升機(jī)在軍、民領(lǐng)域都發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，不僅可以在機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)中完成對(duì)兵力以及裝備的運(yùn)輸，還可以有效克服地理環(huán)境限制，迅速完成運(yùn)輸、補(bǔ)給以及搜救等方面的需求，在各類災(zāi)害的救援工作中都起到了十分重要的作用。因此有必要針對(duì)重型運(yùn)輸直升機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型以及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)展開進(jìn)一步地研究。

1? 重型運(yùn)輸直升機(jī)的重要作用與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 重要作用

一般情況下，重型直升機(jī)為起飛重量超過(guò)20t、內(nèi)載和外吊掛能力超過(guò)8t、運(yùn)送人數(shù)可以在50人以上的直升機(jī)，相較于其他的直升機(jī)，重型運(yùn)輸直升機(jī)具備載重大、運(yùn)輸效率高的優(yōu)勢(shì);而相較于常規(guī)固定翼飛機(jī)，則具備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、不受場(chǎng)地限制等特點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域當(dāng)中，重型運(yùn)輸直升機(jī)的作用主要體現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)動(dòng)、部署以及突防等方面;而在民用領(lǐng)域當(dāng)中，重型直升機(jī)的突出作用主要集中在物資、裝備的運(yùn)輸上。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，在使用過(guò)程中較為常見的重型直升機(jī)主要有米-26系列、V-22系列、CH-47系列以及CH-53E系列，其中米-26與V-22為俄制，而CH-47和CH-53E為美制[2]。重型直升機(jī)的構(gòu)型主要包括單旋翼帶尾槳式、縱列式、橫列式以及傾轉(zhuǎn)旋翼式等多種類型，就當(dāng)前的使用情況來(lái)看，單旋翼帶尾槳式、縱列式以及傾轉(zhuǎn)旋翼式技術(shù)為最常見的三種構(gòu)型。

2? 重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型分析

2.1 單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)是一種最為基本的傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，其中主旋翼的作用是提供直升機(jī)升力，而尾旋翼的作用則是平衡直升機(jī)反扭矩。該傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主減速器、中間減速器、尾減速器以及動(dòng)力軸與尾軸組構(gòu)成，通過(guò)這樣“三器兩軸”的結(jié)構(gòu)模式組成了完整的傳動(dòng)系統(tǒng)，另外部分直升機(jī)為優(yōu)化減速換向功能還會(huì)選擇在主減速器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間安裝一個(gè)頭部減速器。對(duì)于單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主減速器作用的發(fā)揮是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，主減速器需要承接發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)而有效完成大功率、大轉(zhuǎn)速比傳動(dòng)。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大功率流、大轉(zhuǎn)速比，還需要對(duì)主減速器進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化升級(jí)，保證可以將發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的功率分流以后再集中。當(dāng)前最為常見的單旋翼帶尾槳構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)主要是米-26直升機(jī)主減速器以及CH-53K直升機(jī)主減速器。其中，米-26直升機(jī)由兩臺(tái)3級(jí)減速傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，總動(dòng)力經(jīng)過(guò)第一級(jí)螺旋錐齒輪以及兩路斜齒輪后完成分流與減速，而第三級(jí)斜齒輪副則完成動(dòng)力并車?？紤]到較大的輸入功率，米-26直升機(jī)主減速器首次使用了分扭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而可以有效實(shí)現(xiàn)最后一級(jí)減速的大傳動(dòng)比，為減輕主減速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量提供充足的條件。而CH-53K直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)則是以CH-53E直升機(jī)的基礎(chǔ)上完成了傳動(dòng)系統(tǒng)的改造與升級(jí)，其中包括增加發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量至3臺(tái);在保持原有轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上取消CH-53E的兩個(gè)頭部減速器，改為由第一級(jí)螺旋錐齒輪負(fù)責(zé)換向，由第二級(jí)經(jīng)直齒輪負(fù)責(zé)分流減速。從總體來(lái)看，每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分成4路傳遞，同時(shí)有效對(duì)相應(yīng)的彈性軸結(jié)構(gòu)增加各功率均載，最終由第三級(jí)人字齒輪副完成并車，與此同時(shí)還需要將功率傳輸?shù)街餍硐到y(tǒng)當(dāng)中。米-26直升機(jī)和CH-53K直升機(jī)在這一方面的設(shè)計(jì)是十分相似的，都針對(duì)最后一級(jí)減速對(duì)大傳動(dòng)比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)主減速器設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效降低。

2.2 縱列式雙旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

縱列式雙旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)在直升機(jī)上的主要表現(xiàn)為在機(jī)身前后會(huì)設(shè)置旋翼塔座，將旋翼安裝在塔座上并設(shè)置相反的旋轉(zhuǎn)方向，有效實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼反方向扭矩的穩(wěn)定與平衡。當(dāng)前，縱列式雙旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)最為直接的體現(xiàn)就是CH-47D系列直升機(jī)，該系列直升機(jī)采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其中主要可以分為頭部減速器、并車減速器以及前、后主減速器等，通過(guò)各個(gè)減速器之間的連接有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)。兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力在經(jīng)過(guò)頭部減速器之后會(huì)產(chǎn)生換向與減速的作用，再通過(guò)并車減速器進(jìn)行匯流，在通過(guò)前主減速器以及后主減速器的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力需要通過(guò)3級(jí)換向減速傳動(dòng)，有效將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力分別傳遞到前旋翼系統(tǒng)以及后旋翼系統(tǒng)。

2.3 傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)

傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)主要由左右兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、左右旋翼減速器、傾轉(zhuǎn)減速器以及機(jī)翼減速器等部件構(gòu)成，而其傾轉(zhuǎn)方案也主要是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、旋翼的作用而實(shí)現(xiàn)的。為了抵消傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反扭矩效應(yīng)，會(huì)選擇在旋翼減速器當(dāng)中安裝惰輪結(jié)構(gòu)改變轉(zhuǎn)向，進(jìn)而有效在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不變的情況下令旋翼進(jìn)行相反方向的旋轉(zhuǎn)。其中最為直接的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)是V-22系列直升機(jī)，其中V-22旋翼減速器主要通過(guò)一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)以及兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)共3級(jí)減速傳動(dòng);而與之相似的AW609旋翼減速器一共也需要通過(guò)3級(jí)減速傳動(dòng)，但區(qū)別是前兩級(jí)為人字齒輪傳動(dòng)，最后一級(jí)是行星齒輪傳動(dòng)。

3? 重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

3.1 構(gòu)件尺寸大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜

通常情況下，重型運(yùn)輸直升機(jī)具備著載荷復(fù)雜、功率大的特點(diǎn)，因此相較于其他類型的直升機(jī)，重型運(yùn)輸直升機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的尺寸需要更大，而針對(duì)相關(guān)力學(xué)指標(biāo)的要求也更為嚴(yán)格。因其零部件在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)等方面均提出了更高的要求，因此航空制造企業(yè)難以對(duì)其中一部分零部件進(jìn)行有效制造。

3.2 輸入轉(zhuǎn)速較大

相較于傳統(tǒng)的直升機(jī)，重型運(yùn)輸直升機(jī)具備著獨(dú)特的技術(shù)特征，就當(dāng)前的發(fā)展水平來(lái)看，由于很多重型運(yùn)輸直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部沒有設(shè)置相應(yīng)的減速箱，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出速度最大可以達(dá)到20000r/min。針對(duì)這樣的情況，在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器設(shè)計(jì)的時(shí)候也要提升對(duì)高輸入速度的控制水平，進(jìn)而有效滿足重型運(yùn)輸直升機(jī)的傳動(dòng)需求。

3.3 功率密度較大

因?yàn)橹匦椭鄙龣C(jī)的載重量要比普通的直升機(jī)高出很多，所以在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的過(guò)程中應(yīng)提升其功率密度，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)降低直升機(jī)凈重的目的，與此同時(shí)，使用高功率密度的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)提升直升機(jī)有效負(fù)載與整體性能也起到了至關(guān)重要的作用。為進(jìn)一步提升傳動(dòng)系統(tǒng)的功率密度，可以在其中使用高強(qiáng)度材料以及高效的潤(rùn)滑系統(tǒng)，就當(dāng)前的研究水平來(lái)看，主減速器質(zhì)量系數(shù)最低已經(jīng)可以降到0.06以下。

3.4 功率傳遞路徑較多

功率傳遞路徑較多是傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型傳動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，相較于另外兩種傳動(dòng)系統(tǒng)，傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞過(guò)程更為復(fù)雜，在功能以及結(jié)構(gòu)上也需要更為繁瑣的流程。傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中需要保證直升機(jī)兩側(cè)動(dòng)力可以均勻傳遞，滿足功率的雙向傳遞需求，為保證傳動(dòng)系統(tǒng)在各個(gè)情況下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)還具備大姿態(tài)傾轉(zhuǎn)的特征，區(qū)別于常規(guī)構(gòu)型的直升機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)的工作姿態(tài)可以控制在0～90°，使得滑油油位可以獲得更大的變化幅度，這也是功率傳遞路徑更多、更復(fù)雜的主要原因。實(shí)際上，滑油分布以及回油速率將會(huì)受到多種因素的影響，且當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)存在不匹配問題時(shí)還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致滑油壓力和流量變化幅度變大，嚴(yán)重的時(shí)候還可能會(huì)出現(xiàn)斷油現(xiàn)象。

3.5 具備良好的可靠性與穩(wěn)定性

當(dāng)前，重型運(yùn)輸直升機(jī)在使用時(shí)間上要明顯長(zhǎng)于普通的直升機(jī)，因此在傳動(dòng)系統(tǒng)方面也要有效延長(zhǎng)使用壽命，進(jìn)一步降低重型運(yùn)輸直升機(jī)的生命周期成本。與此同時(shí)，一部分關(guān)鍵的零部件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)乃至整個(gè)直升機(jī)的運(yùn)行都起到了十分關(guān)鍵的作用，一旦發(fā)生故障將會(huì)導(dǎo)致難以預(yù)計(jì)的嚴(yán)重后果，因此還需要進(jìn)一步提升傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性，但這也顯著提升了傳動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造以及維護(hù)等環(huán)節(jié)的困難程度[3]。

3.6 具備良好的運(yùn)行效率

考慮到重型運(yùn)輸直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速之間的差異，傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中需要安裝多種齒輪系，這對(duì)變速箱的傳動(dòng)效率也將會(huì)產(chǎn)生直接的影響。因此為進(jìn)一步提升運(yùn)行效率，應(yīng)在傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中安裝傳動(dòng)元件，進(jìn)而不斷提升其應(yīng)用效率?，F(xiàn)階段，主減速器的傳動(dòng)效率最大已經(jīng)可以達(dá)到97%。

3.7 生存能力強(qiáng)

重型直升機(jī)在實(shí)際工作的過(guò)程中很容易因各種客觀原因出現(xiàn)潤(rùn)滑油泄露的問題，因此在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)保證其可以在沒有潤(rùn)滑油的情況下還可以運(yùn)行一段時(shí)間。除此以外，還需要提升重型直升機(jī)的防撞性，保證其生存能力可以符合作業(yè)的實(shí)際需求。

3.8 減速器采用多路分扭傳動(dòng)

考慮到重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量特點(diǎn)與功率需求，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)空間和質(zhì)量限制做出優(yōu)化，進(jìn)而最大限度地減少結(jié)構(gòu)尺寸、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。為充分滿足這一設(shè)計(jì)需求，在當(dāng)前的重型運(yùn)輸直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中普遍采用分扭傳動(dòng)的方式，例如米-26與CH-53K使用的都為斜齒輪或人字齒輪分扭傳動(dòng);而是CH-47D、V-22等使用的都是行星齒輪傳動(dòng)。與此同時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)分扭傳動(dòng)的技術(shù)需求較為復(fù)雜，因此需不斷完善均載結(jié)構(gòu)，從而合理實(shí)現(xiàn)各路功率流的均勻分配。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，重型運(yùn)輸直升機(jī)在裝備運(yùn)輸以及搶險(xiǎn)救援等方面均發(fā)揮了重要的作用，而傳動(dòng)系統(tǒng)作為其中的重要部件更是對(duì)直升機(jī)的整體布局產(chǎn)生直接影響。通常情況下，重型運(yùn)輸直升機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)具備著單機(jī)配套、構(gòu)建復(fù)雜以及研究技術(shù)難度大等特點(diǎn)，重型運(yùn)輸直升機(jī)的構(gòu)型發(fā)生改變，其對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)一定的差異，因此應(yīng)有效從相應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，為我國(guó)重型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

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