某型直升機(jī)旋翼槳轂軸頸故障研究與預(yù)防

李奕鋒 姜峰 賈永康

摘要：針對某型直升機(jī)旋翼槳轂軸頸使用損傷故障進(jìn)行分析，從工作原理和損傷情況等方面查找故障原因，并提出了相應(yīng)的解決措施，為直升機(jī)維護(hù)和故障的排除提供參考。

關(guān)鍵詞：軸頸；直升機(jī)；氧化

Keywords：journal；helicopter；oxidation

0 引言

直升機(jī)為了實現(xiàn)與固定翼飛機(jī)相同的平穩(wěn)飛行狀態(tài)，從其誕生起旋翼槳轂就是直升機(jī)特有且必備的系統(tǒng)。旋翼槳轂主要由擺式減振裝置、中央件殼體組件、上下?lián)]舞限動裝置、液壓減擺裝置、弓形架組件、軸頸組件等組成，承擔(dān)向主旋翼槳葉傳遞來自主減速器的扭矩，同時承受主旋翼槳葉產(chǎn)生的空氣動力，并將其傳給主減速器和直升機(jī)機(jī)體。根據(jù)旋翼槳轂的工作原理，軸頸不僅要傳遞主旋翼槳葉的慣性離心力，同時還要傳遞彎矩，是影響旋翼槳轂壽命的主要構(gòu)件之一，因此，軸頸故障需要在維護(hù)和修理時重點關(guān)注。

由于鉸接式結(jié)構(gòu)旋翼槳轂的軸頸密封在軸向殼體內(nèi)，只能通過觀察油杯油液的異常情況或在定時翻修時才能發(fā)現(xiàn)軸頸的損傷情況，而此時故障已經(jīng)發(fā)生，機(jī)件性能下降、修復(fù)難度大且可修復(fù)程度往往不盡人意。通過對零件工作原理和損傷部位特征進(jìn)行分析，查找引發(fā)產(chǎn)品故障的主要原因，降低故障率和受損程度，正是本文研究探討的目的。

1 工作原理分析

1.1 旋翼槳轂工作原理

為了給直升機(jī)提供與固定翼飛機(jī)相似的升力，直升機(jī)設(shè)計將固定機(jī)翼換成了旋轉(zhuǎn)的帶錐度底向上槳盤平面。旋轉(zhuǎn)形成的槳盤平面上產(chǎn)生的總升力垂直于槳盤平面，當(dāng)向上的升力大于直升機(jī)自重時，直升機(jī)就可以垂直上升飛行；當(dāng)升力小于直升機(jī)自重時，直升機(jī)就可以垂直向下降落；而當(dāng)升力等于直升機(jī)自重時，直升機(jī)可以在空中任意位置懸停，這也是直升機(jī)特有的飛行姿態(tài)。通過操縱駕駛桿控制槳盤平面向前、后、左、右等方向傾斜，就可以改變主旋翼的升力指向，從而調(diào)整直升機(jī)往不同方向飛行。

隨著對直升機(jī)的深入研究，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，這種旋轉(zhuǎn)形成的槳盤平面中前行主槳葉的相對氣流速度比后行主槳葉的更大，從而產(chǎn)生的升力也是前行主槳葉大于后行主槳葉，因此造成直升機(jī)兩側(cè)升力不均勻，構(gòu)成滾轉(zhuǎn)力矩，如果不采取措施，直接后果就是引起直升機(jī)失去平衡向某一邊翻轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，在旋翼槳轂結(jié)構(gòu)上設(shè)計了一個水平關(guān)節(jié)，通過設(shè)置一個橫向軸孔連接，允許主槳葉做一定幅度范圍內(nèi)的上下?lián)]舞運動，前行主槳葉升力大，便繞水平關(guān)節(jié)向上揮舞，后行主槳葉升力小，便繞水平關(guān)節(jié)向下?lián)]舞，從而消除主槳葉根部的彎矩。有了水平鉸后，主槳葉上下?lián)]舞又帶來了新的問題，那就是會產(chǎn)生哥氏力，為了消除哥氏力引發(fā)主槳葉根部變彎或疲勞斷裂的不利影響，旋翼槳轂結(jié)構(gòu)上又設(shè)計了一個垂直關(guān)節(jié)，通過設(shè)置一個垂向軸孔連接，允許主槳葉在前后小幅度范圍內(nèi)擺動。同時，為了實現(xiàn)主槳葉安裝角的改變，旋翼槳轂在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了軸向變距關(guān)節(jié)，其作用在于使主槳葉繞軸線在一定范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)，從而調(diào)整主槳葉產(chǎn)生的升力。

直升機(jī)旋翼槳轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水平揮舞關(guān)節(jié)、垂直擺動關(guān)節(jié)、軸向變距關(guān)節(jié)三個鉸的設(shè)置皆因其受力和工作特點決定（見圖1），揮舞關(guān)節(jié)減少槳葉根部在揮舞面內(nèi)的彎矩以及直升機(jī)橫側(cè)不平衡力矩，擺動關(guān)節(jié)消除哥氏力，軸向變距關(guān)節(jié)改變主槳葉角度。多種方向的運動集合，使得旋翼槳轂同時承受多種交變載荷，部件長時間運轉(zhuǎn)后，很容易出現(xiàn)交變載荷引起的磨損和疲勞斷裂，這就要求旋翼槳轂構(gòu)件不僅要有足夠的強度和剛度，而且還要有足夠的抗疲勞能力。

1.2軸頸工作原理

軸向變距關(guān)節(jié)的主體是軸頸，在軸頸上安裝有2個推力球軸承、1個間隔襯套、1個平面止推軸承、1個止推環(huán)以及1對碟形彈簧及軸頸螺母等，軸頸外部的軸向殼體裝滿滑油密封軸頸組件，裝有磁螺塞和油杯，用于檢查軸向變距關(guān)節(jié)內(nèi)各零件磨損情況。軸向變距關(guān)節(jié)作為旋翼槳轂最外端的部件，軸向殼體梳形接頭通過主槳葉安裝螺栓直接與主旋翼槳葉相連接。直升機(jī)飛行時，主旋翼槳葉高速旋轉(zhuǎn)運動、上下?lián)]舞運動、前后擺動運動以及軸向變距偏轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的各種交變載荷，皆通過軸向變距關(guān)節(jié)傳遞。

軸頸作為軸向變距關(guān)節(jié)的基體部件，不僅傳遞槳葉的慣性離心力，還傳遞彎矩，因此其出現(xiàn)損傷的幾率遠(yuǎn)高于其他零件，成為影響旋翼槳轂壽命的主要構(gòu)件之一。直升機(jī)開車后，軸頸承受槳葉高速旋轉(zhuǎn)帶來的慣性離心力，同時軸向殼體的梳形接頭受到彎矩作用，這個彎矩既可以通過兩個推力球軸承以力偶形式傳給軸頸，又可以通過夾在間隔襯套和止推環(huán)之間的平面止推軸承沿圓周上不同位置的不均勻的壓力傳給軸頸。分析旋翼槳轂工作時所受載荷（見圖2）可知，軸頸頭部的推力球軸承承受絕大部分彎矩，平面止推軸承和軸頸尾部的推力球軸承承受少部分彎矩，故軸頸頭部與推力球軸承配合部位出現(xiàn)磨損、腐蝕的概率大于其余部位。

2 故障原因分析

某型直升機(jī)多年的修理過程中發(fā)現(xiàn)了多起旋翼槳轂軸頸腐蝕、劃傷等損傷現(xiàn)象，現(xiàn)選取3種最常出現(xiàn)的代表性故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1 軸頸與推力球軸承結(jié)合處腐蝕

如圖3所示，某故障件軸頸于1997年3月12日制造出廠，發(fā)現(xiàn)故障時總使用時間為1471h41min。分解檢查發(fā)現(xiàn)軸頸與推力球軸承配合面有多條環(huán)形劃痕，軸頸劃傷面直徑Φ89.95～Φ89.96mm，超出產(chǎn)品規(guī)定初始標(biāo)準(zhǔn)。

故障發(fā)生部位位于軸頸頭部與推力球軸承配合處，此處軸頸承受推力球軸承傳遞來的彎矩較大，故障發(fā)生機(jī)理為推力球軸承內(nèi)環(huán)繞軸頸發(fā)生小角度轉(zhuǎn)動摩擦，許多在微動腐蝕磨損過程中產(chǎn)生的細(xì)小粉末在軸頸表面受到擠壓而形成數(shù)條短劃痕。經(jīng)過測量，此處推力球軸承與軸頸配合間隙符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，故零件已使用了近一個翻修期仍只有輕微磨損。

圖4所示的另一個故障件軸頸于2005年10月31日制造出廠，發(fā)現(xiàn)故障時總使用時間為1472h25min。分解檢查發(fā)現(xiàn)軸頸存在表面偏磨、密集點蝕坑和與推力球軸承內(nèi)環(huán)寬度相等的磨痕，圓柱面上磨損總面積約為2738mm2，腐蝕總面積約為1295mm2，測量故障部位直徑為Φ89.945～Φ89.955mm，超出產(chǎn)品規(guī)定初始標(biāo)準(zhǔn)。同時，油液中發(fā)現(xiàn)紅褐色雜質(zhì)，經(jīng)理化分析該雜質(zhì)是以Fe2O3為主體的金屬氧化物。

故障發(fā)生部位同樣位于軸頸頭部與推力球軸承配合面上半周，通過故檢測量數(shù)據(jù)分析，該損傷是由于軸頸與推力球軸承配合間隙超差導(dǎo)致軸承內(nèi)環(huán)繞軸頸發(fā)生小角度轉(zhuǎn)動頻率升高，最初兩接觸表面在表面凸出處直接接觸，轉(zhuǎn)動磨損使軸頸表面二硫化鉬涂層脫落，并破壞軸頸表面氧化膜，經(jīng)過長時間磨損，形成兩條明顯的分界線即中間低兩邊高。該部位在使用過程中受力大、溫度高，軸頸與推力球軸承內(nèi)環(huán)之間產(chǎn)生金屬粘接，而軸頸材料硬度低于推力球軸承內(nèi)環(huán)材料硬度，軸頸表面金屬與推力球軸承內(nèi)環(huán)發(fā)生金屬粘附后，軸頸表面金屬被撕裂下來。撕裂下來的鋼鐵碎屑大部分被氧化成Fe2O3，在一對相互運動的表面中間不斷被碾壓成為細(xì)的粉末，由于氧氣和水汽的吸附成為腐蝕活性介質(zhì)，這些粉末夾在軸頸和軸承內(nèi)環(huán)之間，使這一對接觸表面的氧化膜不斷破裂，加速了微動腐蝕磨損的速度。碾壓成細(xì)粉末的氧化粒子陷入兩摩擦面之間，在載荷作用下使零件局部溫度升高，促進(jìn)了氧化膜的形成。在這種反復(fù)作用下最終在軸頸表面形成了許多微坑，隨著使用時間增加，微坑逐漸擴(kuò)展，面積增大，數(shù)量增多。

2.2 軸頸與止推環(huán)結(jié)合處腐蝕

如圖5所示，故障件軸頸于1992年2月21日制造出廠，發(fā)現(xiàn)故障時總使用時間2575h33min。分解檢查發(fā)現(xiàn)軸頸與止推環(huán)配合面有長約80mm的離散腐蝕點帶，超出產(chǎn)品規(guī)定初始標(biāo)準(zhǔn)。

故障發(fā)生部位位于軸頸與止推環(huán)配合面。根據(jù)旋翼槳轂工作原理及軸頸受力分布分析，在槳葉的周期變距、上下?lián)]舞以及前后擺動中，止推環(huán)繞軸頸發(fā)生小角度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動磨損使軸頸表面二硫化鉬涂層脫落，并破壞軸頸表面氧化膜，脫落的氧化膜加入止推環(huán)和軸頸間的摩擦，使局部溫度升高，形成新的氧化膜，氧化膜不斷脫落后又重新形成，加速了止推環(huán)和軸頸間接觸表面的磨損。雖然使用時間較長，但由于該處受力較小，配合間隙也在規(guī)定范圍內(nèi)，因此腐蝕現(xiàn)象較輕微。

3 故障修理

軸頸承受的載荷大且復(fù)雜，與相鄰零件摩擦頻繁，易發(fā)生疲勞破壞，軸頸表面一點微小的缺陷都會導(dǎo)致整件軸頸的強度嚴(yán)重降低，因此在修理過程中需對軸頸部位從嚴(yán)控制。修理時，首先用細(xì)砂布將軸頸圓柱面上的二硫化鉬去凈，然后進(jìn)行故檢和尺寸測量，嚴(yán)格控制推力球軸承、止推環(huán)和平面止推軸承與軸頸的配合尺寸，對合格可用的軸頸圓柱面先進(jìn)行磷酸鹽氧化處理，增加二硫化鉬涂層的附著力，除氫后噴涂厚度為0.005～0.013mm的二硫化鉬涂層。

4 故障預(yù)防措施

1）補充完善修理工藝，在裝配環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制軸頸與各零件的配合尺寸；軸頸圓柱面上的二硫化鉬涂層對減輕微動腐蝕磨損和金屬粘接有重要作用，增加二硫化鉬粒度要求，控制二硫化鉬均勻噴涂在軸頸配合表面。

2）降低氧化腐蝕，加強對油杯中存水情況的檢查，發(fā)現(xiàn)存在水時及時更換滑油，同時關(guān)注軸向鉸內(nèi)的油量，當(dāng)油杯中油量不足時應(yīng)及時加油，避免太多空氣進(jìn)入軸向鉸內(nèi)。更換滑油時，應(yīng)先將滑油加熱以去除滑油內(nèi)可能存在的水。日常存放時，應(yīng)注意避免在高溫天氣長時間日照，以免橡膠加速老化，引起漏氣。

參考文獻(xiàn)

[1] 米-17直升機(jī)維護(hù)手冊[Z] .俄羅斯.

[2] 張爾卿.機(jī)械密封端面狀態(tài)檢測及壽命預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究[D] .成都：西南交通大學(xué)，2015.

[3] 羅繼偉，馬偉.滾動軸承分析[M] .北京：機(jī)械工程出版社，2009.

[4] 魏龍，顧佰勤，孫見君，等.機(jī)械密封端面摩擦機(jī)制與摩擦狀態(tài)[J] .潤滑與密封，2008（6）：38-41.