直升機齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)研究進展

摘要傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關系到直升機的生存能力。戰(zhàn)傷狀態(tài)下潤滑系統(tǒng)失效，干運轉(zhuǎn)工況加速了齒輪表面損傷和破壞。齒輪干運轉(zhuǎn)能力已成為衡量現(xiàn)代直升機的一項重要指標?；仡櫫她X輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)熱分析的研究現(xiàn)狀，從齒輪表面改性、涂層、表面結(jié)構處理、傳動系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)設計等現(xiàn)有提升齒輪干運轉(zhuǎn)能力的方法以及試驗研究等方面進行綜述，總結(jié)了各種方法的應用現(xiàn)狀，為該領域的研究和發(fā)展提供參考。

關鍵詞齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)涂層表面處理試驗

Research Progress on Dry Running of Helicopter Gear Transmission System

Tong Ruiting1 Wang Yunfeng1 Chen Ce2 Deng Wenxing2 Xu Wenbo3

（1 Northwestern Polytechnical University，Shaanxi Engineering Laboratory for Transmissions and Controls，Xi'an 710072，China）

（2 Army Aviation Institute，Beijing 101121，China）

（3 Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou 450052，China）

Abstract The stability of the transmission system is directly related to the survivability of the helicopter .The failure of lubrication system under the condition of war injury will accelerate the damage of gear surface and destroy the dry running condition. The dry running capability of the gear has become an important factor to eval-uate modern helicopters. The research status of dry running thermal analysis of gear transmission system is re-viewed. The current studies on improving the dry running capability of the gear transmission system are re-viewed from the aspects of gear surface modification， coating， surface texture treatment， the design of transmis-sion and lubrication systems， and the corresponding experiments. The application status of these methods is sum-marized to provide reference for the research and development in this field .

Key words Gear transmission system Dry running Coating Surface treatment Experiment

0引言

直升機因其高度的靈活性和機動性受到社會各界的關注，其在航空領域的地位不言而喻。由于直升機幾乎沒有滑翔能力，因此，作戰(zhàn)過程中其生存力為各國軍方普遍關注。潤滑系統(tǒng)故障是影響直升機生存能力的重要因素，當直升機因潤滑系統(tǒng)故障失去正常供油能力時，傳動系統(tǒng)將會進入貧油潤滑甚至無潤滑狀態(tài)，使傳動系統(tǒng)處于干運轉(zhuǎn)工況，此時，齒輪表面溫度會急劇升高，導致齒輪強度下降，產(chǎn)生劇烈的黏著磨損，加速齒輪表面的損傷和破壞，導致直升機傳動系統(tǒng)短時間內(nèi)遭到嚴重破壞，以致失去傳動功能，造成災難性后果。

許多國家和機構針對直升機齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力的提升開展了大量的研究工作。美國早在20世紀70年代就開展了相關干運轉(zhuǎn)飛行試驗研究[1-2]，干運轉(zhuǎn)工況下的飛行時間也得到了很大改善，從最初的7 min 延長到了1.5 h 。此外， 1993年，卡門航空公司（Karman ）對發(fā)動機內(nèi)部齒輪以及相關附件進行了大量的干運轉(zhuǎn)試驗，結(jié)果表明，增加齒輪副側(cè)向間隙、選用熱強度高的材料以及設計應急潤滑系統(tǒng)來保證傳動部件有正常潤滑狀態(tài)下40%的供油量，可將傳動系統(tǒng)的干運轉(zhuǎn)能力提升到30 min[3]。

美國、法國和俄羅斯等國均對直升機有 30～60 min 不等的干運轉(zhuǎn)能力要求。UH-60“黑鷹”直升機、米17直升機及 AB139直升機等主減速器的干運轉(zhuǎn)能力均不小于 30 min ; EH-101、阿帕奇AH-64A 直升機主減速器的干運轉(zhuǎn)能力達到了45 min 以上。由于國防安全和國家利益關系，國外對于傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)技術嚴格封鎖，因此，解決傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力問題只能通過自主研究。本文中回顧了直升機齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)熱分析研究現(xiàn)狀，從表面改性、涂層、表面結(jié)構處理、傳動系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)設計等現(xiàn)有提升齒輪干運轉(zhuǎn)能力的方法以及試驗研究等方面進行了綜述，總結(jié)了各種方法的研究成果和應用前景。

1齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)熱分析

直升機齒輪傳動系統(tǒng)失去潤滑后進入干運轉(zhuǎn)狀態(tài)。干運轉(zhuǎn)過程中，摩擦力顯著增大，摩擦熱急劇升高，材料熱膨脹變形嚴重，從而易導致齒輪膠合卡死，失去傳動功能?？梢哉f，干運轉(zhuǎn)工況下傳動系統(tǒng)的生存能力很大程度上取決于傳動系統(tǒng)的溫度場和傳動元件材料的熱承載能力。因此，傳動系統(tǒng)的熱分析將為預測傳動系統(tǒng)在干運轉(zhuǎn)工況下的生存能力及傳動系統(tǒng)設計提供指導。

劉志全等[4]以某直升機齒輪傳動系統(tǒng)為研究對象，計算了給定潤滑條件下傳動系統(tǒng)的功率損失、對流換熱系數(shù)和穩(wěn)態(tài)溫度場，結(jié)果表明，弧齒錐齒輪副為該齒輪傳動系統(tǒng)中的最大熱源，主動弧齒錐齒輪齒面溫度最高，為危險零件;隨后，他們在此基礎上對該傳動系統(tǒng)進行了無潤滑條件下的瞬態(tài)熱分析[5]，結(jié)果表明，主動齒輪齒面是整個傳動系統(tǒng)中溫度最高的部位，在220 s 內(nèi)，主動齒輪齒面溫度上升了151℃。嚴宏志等[6]仿真分析了齒輪干運轉(zhuǎn)齒面溫度場分布及隨時間變化的規(guī)律，結(jié)果表明，弧齒錐齒輪干運轉(zhuǎn)初始階段，隨著嚙合周期的增加，齒面溫度急速上升，之后上升緩慢;同時，轉(zhuǎn)速的增加導致了更顯著的溫升。楊攀等[7]基于熱網(wǎng)絡法建立了直升機主減速器中齒輪傳動系統(tǒng)的溫度場計算模型，提出了換向錐齒輪傳動系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場計算方法，得到了該系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場分布;發(fā)現(xiàn)失油狀態(tài)下傳動系統(tǒng)的溫度隨時間劇烈升高，主動錐齒輪的溫升相較于從動錐齒輪更加劇烈。

齒輪傳動系統(tǒng)的溫度場分析為直升機傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)的熱分析提供了理論基礎，通過溫度場分析表明，主動齒輪齒面溫度最高，為傳動系統(tǒng)中的危險零件。因而，可以通過針對性地提升齒輪的工作性能來提高傳動系統(tǒng)的干運轉(zhuǎn)能力。

2提升傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力的途徑

齒輪傳動系統(tǒng)是直升機減速器的重要組成部分，作為承受載荷和傳遞動力的載體，齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)工況下工作性能的提升直接影響到直升機主減速器的干運轉(zhuǎn)能力。目前，提高齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力的主要途徑有以下幾種：

（1 ）通過表面離子注入技術提升齒輪傳動承載能力，降低齒輪摩擦磨損。

（2 ）采用涂層技術改善齒面接觸性能。

（3 ）通過表面織構化改善齒面潤滑性能。

（4 ）調(diào)整齒輪齒側(cè)間隙，允許一定的熱膨脹量。

（5 ）優(yōu)化潤滑系統(tǒng)設計。

2.1 離子注入技術

離子注入是一項能夠有效改善材料表面硬度、耐磨性和抗蝕性等性能的表面改性技術[8]。因此，離子注入技術被用于提升齒輪干運轉(zhuǎn)的能力。美國海軍實驗室[9]將 Cr 離子和 C 離子注入到軸承，取得了明顯的減摩效果;英國于20世紀60年代便開始將滲氮技術應用到工業(yè)齒輪;德國也于20世紀80年代初開展了離子滲氮技術應用，以獲取高接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度的滲氮齒輪。

國內(nèi)對離子注入技術也開展了相關研究。于敏等[10]用銷盤試驗機和齒輪試驗機測定了 Mo 離子注入量對齒輪鋼摩擦副摩擦因數(shù)和磨損量的影響;結(jié)果表明，Mo 離子的注入對摩擦因數(shù)的影響較小，但可以大大降低磨損率;對比試驗表明，未處理齒輪干運轉(zhuǎn)30 min 后齒面產(chǎn)生顯著的膠合現(xiàn)象，而 Mo 離子

注入齒輪經(jīng)45 min 干運轉(zhuǎn)試驗，齒輪工作良好，齒面光整，具有很好的干運轉(zhuǎn)性能（圖1 ）。王鈞石等[11]采用 PSII 氮離子注入工藝對 W18Cr4V 高速鋼進行了氮離子注入，結(jié)果表明，注入層的硬度和耐磨性均得到了顯著提高。蔣釗等[12]通過多種表面測試手段，研究了單/雙離子注入空間齒輪材料30CrMnSi 的真空摩擦性能，試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過5 種不同元素的注入后，材料的硬度和耐磨性都有所提高，且雙離子注入要優(yōu)于單離子注入，其中，經(jīng)過 Ti++N+注入的試樣硬度最高，因注入層生成了硬質(zhì)耐磨相，表面粗糙度降低，具有較好的抗磨損性能。隨后，蔣釗等[13]對空間機械的齒輪傳動副材料進行了 Ti++N+注入表面改性研究，考察了不同注入能量和劑量條件下材料的硬度和真空摩擦磨損性能，通過優(yōu)選給出了最佳的離子注入工藝參數(shù)。王錦輝等[14]開展了相似的研究，發(fā)現(xiàn) N++Ti+注入的 GCr15和 M50軸承鋼的耐磨性、耐腐蝕性以及抗接觸疲勞性能都有顯著提高。

2.2 表面涂層技術

采用表面涂層技術在齒輪表面生成一種能夠有效改善齒輪表面粗糙度以及微觀結(jié)構的涂層，使齒輪具有良好的減摩耐磨性能，可以有效降低齒輪對潤滑油的依賴。國內(nèi)外學者在涂層摩擦學方面開展了大量的研究。Yilmaz 等[15]通過雙盤試驗臺對比研究了無涂層、ta-C 涂層以及 MoS2涂層在高負載干運轉(zhuǎn)下的摩擦性能，結(jié)果表明，涂層可以顯著改善齒輪在干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的摩擦學性能;相對于 ta-C 涂層， MoS2涂層具有更優(yōu)異的潤滑效果（圖2）。 Amaro[16]在 FZG 機床上進行了雙盤試驗研究，評估了 MoS2/Ti 涂層在工業(yè)齒輪中的摩擦性能，結(jié)果表明，濺射有 MoS2/Ti 涂層的齒輪具有更低的摩擦因數(shù)，且承載能力顯著提升。Martins 等[17]得到了與 Amaro 一致的結(jié)論，同時， Martins 等通過對比試驗指出， MoS2/Ti 涂層應用于齒輪可顯著降低其工作溫度，輪齒之間的摩擦因數(shù)也有較大程度的降低。He 等[18]在齒輪吸收油膜的條件下進行了涂層齒輪干運轉(zhuǎn)試驗研究， 20 min 的試驗表明，MoS2/Ti 涂層齒輪可以顯著降低輪齒間的摩擦，具有更高的傳動效率，比未涂層齒輪提高約2.7%～3.1%。 Dhanasekaran 等[19]在干運轉(zhuǎn)條件下對齒輪施加1～2.5 N?m 不等的試驗轉(zhuǎn)矩，恒定轉(zhuǎn)速800 r/min ，持續(xù)試驗直到齒輪破損或者達到20萬次循環(huán)，以此來研究含二硫化鉬齒輪的磨損特性，結(jié)果表明，二硫化鉬的加入提高了齒輪材料的密度、硬度和強度，提升了齒輪的耐磨性。

Fujii 等[20]在真空無潤滑狀態(tài)下對 DLC 涂層直齒輪進行了摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)氮化處理可以提高 DLC 涂層的使用壽命，改善涂層的摩擦學性能。Ji- ang 等[21]在齒輪試驗機上對沉積 W-DLC 涂層的直齒圓柱齒輪進行測試，證實了 W-DLC 涂層具有穩(wěn)定的結(jié)構，可以有效防止齒輪產(chǎn)生裂紋，提高齒輪表面接觸疲勞壽命。Krantz 等[22]對比研究了 Me-DLC 涂層齒輪疲勞壽命，經(jīng)過2.75億轉(zhuǎn)次試驗表明，涂層的存在使得齒輪的壽命提高了約6 倍。

賈森等[23]研究了磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層對齒輪嚙合溫度的影響，通過對比試驗研究發(fā)現(xiàn)，磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層可以有效降低摩擦副表面的摩擦因數(shù)，其表面微孔結(jié)構具有存儲潤滑油的作用，降低了輪齒表面摩擦溫度。石萬凱等[24]運用有限元方法計算了涂層類型、厚度以及載荷大小對涂層應力分布的影響，結(jié)果表明，涂層厚度對應力分布具有較大的影響。隨后，他們對比評估了 PVD 涂層（TiN ，WC/C 和 DLC）在滑動接觸下的摩擦學性能[25]，研究發(fā)現(xiàn)，3種涂層中 TiN 的平均摩擦因數(shù)最高，WC/C 和 DLC 涂層具有比 TiN 涂層更優(yōu)的抗磨損性能;相較于 TiN 涂層， WC/C 和 DLC 涂層更適用于高速和重型齒輪傳動系統(tǒng)。程勇等[26]以航空齒輪材料16Cr3NiWMoVNbE 為基體材料，對比研究了 Cr/a-C 、a-C 、B4C/a-C 涂層齒輪的摩擦磨損性能，確定了涂層的最佳厚度。其中， B4C/a-C 涂層具有最高的硬度以及最小的摩擦因數(shù)，可降低齒輪發(fā)熱，提高齒輪的抗膠合能力，建議 B4C/a-C 作為航空齒輪涂層。Moorthy 等[27]通過5 000萬次的恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速齒輪接觸疲勞試驗（圖3），研究了表面涂層齒輪的接觸疲勞性能。結(jié)果表明，Nb-S 涂層齒輪的整體接觸疲勞性能最好，其次是 Balinit C 涂層齒輪，其表現(xiàn)出最小的微點蝕損傷，具有較小的齒形偏差。

2.3 表面織構化

近年來，表面織構化技術已成為降低界面摩擦和磨損的研究熱點，并在活塞環(huán)-缸套、機械密封、滑動軸承、模具、刀具等多個領域得到了應用，降低了接觸表面的摩擦和磨損[28]。表面織構在減摩、抗黏附、抗磨損和減振等多個方面表現(xiàn)出良好的摩擦學性能。國內(nèi)外學者針對織構化齒輪表面的承載能力以及摩擦磨損特性開展了相關研究。

Etsion 等[29]通過在機械表面形成微凹坑狀的規(guī)則表面織構，顯著提升了摩擦機械部件的承載能力和耐磨性，理論和試驗研究發(fā)現(xiàn)，與非織構化部件相比，表面織構可以大幅度減小摩擦因數(shù)。Kovalchen-ko 等[30]采用銷盤式摩擦裝置進行了摩擦學試驗，研究激光表面織構對摩擦性能的影響，結(jié)果表明，在相似的工作環(huán)境下，與表面粗糙度相同的未織構化表面相比，激光表面織構可以顯著降低摩擦因數(shù)。 Greco 等[31]開展了微凹坑織構摩擦試驗，研究表明，與非織構化表面相比，織構化表面的抗磨性能增加了 3倍，同時指出，精心設計的織構可能是提高齒輪傳動系統(tǒng)可靠性的一種有效的表面工程技術。呼詠等[32]用仿生圓柱滾子試件對滾的方法模擬齒輪副的嚙合傳動，試驗表明，仿生齒輪的抗接觸疲勞性能較普通齒輪提高了20%以上，仿生齒輪表面的微小仿生單元可以起到存儲潤滑油和存儲碎屑的作用，從而改善了輪齒的潤滑條件，降低了輪齒的磨損;同時，因織構的存在增大了輪齒的表面積，提升了輪齒的散熱能力，這些因素的綜合影響使得仿生齒輪抗接觸疲勞性能提高。韓志武等[33-34]開展了織構化直齒圓柱齒輪的有限元仿真分析，結(jié)果表明，與常規(guī)的齒輪相比，表面織構化齒輪具有更低的固有頻率和更小的變形量，表現(xiàn)出更好的齒輪動態(tài)特性。此外，韓志武等[35]采用激光圖形雕刻加工實現(xiàn)齒根處的仿生表面形態(tài)（圖4（ a ）），對比研究了仿生表面齒輪和普通齒輪的彎曲疲勞性能，結(jié)果表明，具有仿生表面形態(tài)的齒輪試件彎曲疲勞壽命較普通齒輪提高了1.06～1.42倍，齒根處分布的織構形態(tài)對裂紋的萌生與擴展能起到一定的遏制作用，顯著提升了齒輪整體的彎曲強度。

不同的織構形狀往往具備不同的減摩性能。湯麗萍等[36]1011采用 FZG 齒輪抗膠合試驗，對 Magg 交叉織構和普通磨削紋理齒輪進行了效率損失測試，同時，對比研究了 Magg 交叉織構、普通磨削紋理和激光表面凹坑織構的摩擦性能，結(jié)果表明，凹坑織構具有更小的摩擦因數(shù)。江鴛鹓等[37]以球面微凸體和微凹體為研究對象，構建了滑動軸承摩擦性能數(shù)值模擬計算方法，研究表明，相對于光滑表面的滑動軸承，帶凹形球面織構的軸承承載能力和摩擦力均有所降低，帶凸型球面織構的軸承承載能力有所提高。

此外，許多學者針對織構特征參數(shù)開展了一系列研究。Ramesh 等[38]分析了圓形凹坑直徑從20～1 000μm 、凹坑深度從1～100μm 、凹坑密度在4%～63%范圍內(nèi)的減摩機理，發(fā)現(xiàn)載荷對織構深度具有決定性作用，載荷越大，凹坑深度應相應增大才能保證較小的表面摩擦力;因凹坑的存在，表面的摩擦力較未處理的表面降低了80%。湯麗萍等[36]1012分析了 Magg 交叉織構深寬比、夾角以及分布密度等對摩擦性能的影響，給出了最優(yōu)織構參數(shù)。何國旗等[39]研究了凹坑織構參數(shù)對齒輪潤滑效果的影響規(guī)律（圖4（b）），研究發(fā)現(xiàn)，凹坑直徑取100μm ，深度取 10μm ，對增加潤滑膜厚度的效果最好。

2.4 增加齒輪齒側(cè)間隙

傳動系統(tǒng)溫度場的分析表明，干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下齒輪表面溫度急劇升高，熱膨脹造成齒輪齒側(cè)間隙減小，最終導致齒面膠合失效。因此，可以選擇合適的齒側(cè)間隙來保持齒輪的熱平衡狀態(tài)，使干運轉(zhuǎn)能力得到提升。貝爾公司[40]研制的 AH-1S 主減速器在輸入軸轉(zhuǎn)速6 600 r/min 、功率698 kW（84%最大連續(xù)功率）、旋翼軸拉力32660 N 、滑油進油溫度穩(wěn)定在110℃條件下進行的主減速器干運轉(zhuǎn)試驗表明，當輸入錐齒輪的齒側(cè)間隙為0.178 mm 時，干運轉(zhuǎn)7 min后輸入錐齒輪就失去間隙，主動輪輪齒剝落，從動輪與相嚙合的附件傳動齒輪齒面膠合破壞;當輸入錐齒輪齒側(cè)間隙增大到0.305 mm 時，干運轉(zhuǎn)進行21 min 后，輸入錐齒輪只出現(xiàn)輕微擦傷。陳策等[41]研究發(fā)現(xiàn)，適當調(diào)整減速器輸入錐齒輪的齒側(cè)間隙和軸承徑向游隙，允許齒輪和軸承具備一定的熱膨脹量，可在高溫下避免齒輪卡死或軸承抱軸現(xiàn)象?？梢?，通過計算因干運轉(zhuǎn)溫升導致齒輪側(cè)隙的減小量，在設計階段合理修正齒輪側(cè)隙，是提升齒輪干運轉(zhuǎn)能力的手段之一[42]156-162。

然而，齒輪側(cè)隙如果設計過大，會造成齒輪嚙合不良，加重周期變化帶來的時變剛度沖擊，導致沖擊振蕩加劇，增大速度波動幅值;此外，齒側(cè)間隙嚴重影響了齒輪脫齒時間，降低了齒輪系統(tǒng)剛度，影響齒輪工作的品質(zhì)和壽命[43-45]。因此，很多學者將目光轉(zhuǎn)向了具有低熱膨脹系數(shù)的新型材料，來尋求解決干運轉(zhuǎn)問題的新方法。

研究學者常常利用熱膨脹系數(shù)的加和性，將具有低熱膨脹系數(shù)或負熱膨脹系數(shù)的材料與具有高熱膨脹系數(shù)的材料復合，得到熱膨脹系數(shù)可調(diào)的復合材料。β-鋰霞石因其具有較大的負熱膨脹系數(shù)、較低的密度和良好的抗熱震性[46]常被用來與其他材料復合，制備出具有負熱膨脹系數(shù)或接近“零膨脹”的復合材料。Juarez 等[47]將碳化硅、玻璃化黏結(jié)材料和β-鋰霞石在850℃進行燒結(jié)，制備了在室溫條件下接近“零膨脹”的多孔陶瓷材料。García-Moreno 等[48]利用熱等靜壓工藝，采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法將β-鋰霞石與 SiC 納米顆粒復合，制備了一種在- 150～450℃溫度范圍內(nèi)具有低熱膨脹系數(shù)的材料。Wang 等[49]以含 Mg 的鋁合金 AA6061為基體，通過添加具有負熱膨脹系數(shù)的β -鋰霞石和具有較高機械強度的硼酸鋁晶須，采用擠壓鑄造法，制備出了一種同時具有低熱膨脹系數(shù)和高機械強度的鋁基復合物。薛耀輝等[50]以玻璃為基質(zhì)材料，將β -鋰霞石、多晶莫來石纖維和玻璃粉按一定的比例球磨混合后，經(jīng)冷等靜壓壓制后采用高溫真空燒結(jié)的方法制備了在150～400℃范圍內(nèi)平均線膨脹系數(shù)為1.67× 10-6 K-1 （lt;2× 10-6 K-1 ）的復合材料，是一種潛在的輕質(zhì)、低膨脹復合材料。除β-鋰霞石外，還有 ZrW2O8系列材料。彭卓瑋等[51]以負熱膨脹材料 ZrW2O8與金屬 Cu 為原料，分別采用常規(guī)燒結(jié)法和熱壓法制備具有高熱導率、低熱膨脹系數(shù)的新型 Cu 基復合材料 Cu-ZrW2O8，較純銅的平均熱膨脹系數(shù)有很大程度的降低。

對于自身機械性能強度不高的材料而言，采用兩相復合技術制備的復合物在降低熱膨脹系數(shù)的同時，也會很大程度地降低其自身機械性能。因此，未來還需進一步探索低熱膨脹系數(shù)材料的制備技術，在降低熱膨脹系數(shù)的同時保證足夠的機械強度，使其能夠應用于齒輪的設計制造，來解決干運轉(zhuǎn)過程中齒輪因熱膨脹導致膠合失效的問題。

2.5 潤滑系統(tǒng)設計

潤滑系統(tǒng)設計要充分利用可循環(huán)的剩余潤滑油或設計應急冷卻裝置，來達到延長干運轉(zhuǎn)時間的目的。主要技術手段包括：設置應急潤滑系統(tǒng)、應急冷卻裝置和油霧潤滑技術[42]156-162。國外某型號直升機[52]在減速器內(nèi)部設置有儲油箱，通過相應的壓力開關控制其工作狀態(tài);正常工況下僅起到儲油作用，干運轉(zhuǎn)工況下，其儲存的潤滑油則起到應急潤滑作用。此外，AH-64“阿帕奇”減速器高速齒輪的內(nèi)孔設置了油芯，在干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下借助離心力作用，通過齒輪軸上的孔可對齒輪和軸承提供一定程度的潤滑; A129主減速器中設置了應急潤滑油兜; SA365F 海豚、HAP/PAH-2虎、XCH-62A 以及國內(nèi)直 9[53]等直升機主減速器均設置了應急潤滑系統(tǒng)。對于應急冷卻裝置[54]，同應急潤滑系統(tǒng)一樣，減速器正常工作時該裝置不工作，當減速器進入干運轉(zhuǎn)狀態(tài)，該裝置則對減速器內(nèi)部進行強制風冷以達到降低齒輪表面溫度的目的。油霧潤滑技術則是通過增壓氣泵和油氣霧化噴嘴，充分利用剩余潤滑油，在減速器內(nèi)部制造油霧環(huán)境來延長干運轉(zhuǎn)時間。NASA 的報告中提到，將硫醚作為潤滑劑用于氣霧潤滑，結(jié)果優(yōu)于磷酸鹽脂。同樣， Morales 等[55]測試了在高負載條件下以1 000 r/min 的速度運行的齒輪箱內(nèi)使用硫醚作為氣霧潤滑劑，試驗表明，經(jīng)過2 100萬轉(zhuǎn)的運轉(zhuǎn)，齒輪只表現(xiàn)出輕微的磨損。王典等[56]根據(jù)直升機傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力的要求，在油霧潤滑狀態(tài)下進行了銷盤摩擦磨損試驗，測定了不同添加劑對摩擦磨損性能的影響，并通過試驗給出了最小噴油量，為干運轉(zhuǎn)問題的解決提供了一種新的選擇。

從增加直升機傳動系統(tǒng)的儲油結(jié)構出發(fā)，制備多孔自潤滑材料也是一個新的方向。多孔聚合物潤滑材料內(nèi)部的多孔結(jié)構在常態(tài)下能夠吸收并儲存潤滑油，而在工作狀態(tài)下受到溫度和接觸壓力的作用釋放出潤滑油，從而具有良好的自潤滑性能[57]。趙華俊等[58]探究了多孔聚酰亞胺材料的儲油、出油性能以及摩擦性能，并加工成角接觸球軸承保持架，研究了其對軸承潤滑性能的影響，結(jié)果表明，多孔含油聚酰亞胺材料具備良好的輸送油液能力，可極大改善軸承潤滑性能。閆普選等[59]制備了3 種聚酰亞胺（PI ）多孔含油材料，研究了 PI 多孔含油材料的含油性能與耐熱性能，結(jié)果表明，PI 多孔含油材料中的潤滑油可以穩(wěn)定析出并形成潤滑膜，降低了摩擦因數(shù);然而，較高的轉(zhuǎn)速會使?jié)櫥腿笔?，產(chǎn)生大量的摩擦熱導致材料失效。潘炳力等[60]的研究表明，含油的聚雙環(huán)戊二烯（ PCDCPD ）材料在中高速干摩擦條件下表現(xiàn)出比純 PCDCPD 材料更優(yōu)良的減摩耐磨性能。唐慧霞等[61]制備了多孔超高分子量聚乙烯材料（ PE-UHMW ），研究了其摩擦學性能，結(jié)果表明，孔隙的存在能夠提高 PE-UHMW 存儲油液和輸出油液的能力，并且能夠改善貧油潤滑條件下的摩擦性能。張立保等[62]研究了孔隙直徑大小對多孔材料摩擦性能的影響，結(jié)果表明，選擇適當?shù)目讖酱笮】梢詼p小磨損，改善潤滑狀態(tài)。

3試驗研究

目前，國內(nèi)外的主要干運轉(zhuǎn)試驗研究方式仍為“試錯法”，通過不斷地試驗驗證找出問題，針對問題進行設計改進。雖然齒輪試驗能更真實地反映實際工況，但因齒輪試驗的高成本和高時間消耗促使更多的學者選擇了更簡單更快捷的雙盤試驗來進行相關的試驗研究，雙盤試驗裝置已被廣泛應用于齒輪相關問題的研究。

H?hn 等[63]通過雙盤試驗和齒輪試驗，對比研究了 19種合成潤滑劑的摩擦特性，比較了雙盤接觸區(qū)和齒輪嚙合區(qū)的平均摩擦因數(shù)，得出了一種計算方法，可通過相對簡單和廉價的雙盤試驗結(jié)果預測齒輪嚙合過程中的摩擦和功率損失。隨后，H?hn 等[64]利用 FZG 雙盤試驗裝置，系統(tǒng)地研究了表面粗糙度和表面織構對載荷和速度的影響，研究了 Hertz 接觸區(qū)域的平均油膜厚度和壓力分布。Meheux 等[65]在雙盤試驗機上進行了滾動接觸疲勞試驗，在不同潤滑劑條件下進行了純滾動和滑滾比為6.7%的雙盤試驗，比較了疲勞壽命和表面剝落形態(tài)，討論了添加劑在提高材料滾動接觸疲勞性能中的作用，研究表明，純滾動條件下含有洗滌劑和抗泡沫的潤滑劑降低了試件的疲勞壽命。Ahlroos 等[66]采用雙盤試驗（圖5）研究了表面粗糙度、潤滑劑類型和表面處理對齒輪抗微點蝕性能的影響，結(jié)果表明，表面粗糙度對微點蝕的形成有較大的影響，此外， DLC 涂層以及碳氮共滲的表面處理有效減少了微點蝕現(xiàn)象的發(fā)生。Oila 等[67]通過雙盤試驗，研究了材料、表面粗糙度、載荷等7個因素對齒輪微點蝕的產(chǎn)生和擴展機理，結(jié)果表明，微點蝕的產(chǎn)生主要受接觸載荷的控制，而速度則顯著影響了微點蝕的擴展。Terrin 等[68]采用雙盤試驗裝置對噴丸和未噴丸的17NiCrMo6-4硬化鋼進行了滾動接觸疲勞試驗，試驗未觀察到噴丸導致接觸疲勞壽命顯著提高，表明噴丸強化過程中引入的殘余應力對防止剪切載荷條件下的接觸疲勞損傷未起到積極作用。Savolainen 等[69]使用雙盤試驗裝置在不同負載條件下研究了一系列表面硬化處理的測試盤疲勞損傷現(xiàn)象，采用破壞性試驗的方式，在大量的負載循環(huán)試驗后觀察表面下方的裂痕，找出產(chǎn)生裂痕的關鍵位置;建立了考慮硬度和殘余應力影響的有限元模型，計算得到的關鍵位置與試驗結(jié)果相一致。Prajapati 等[70]通過雙盤試驗機進行了滾動接觸疲勞試驗，研究了表面損傷和形貌參數(shù)之間的相關性;研究發(fā)現(xiàn)，表面形貌參數(shù)很大程度上影響了表面損傷，且在600萬次循環(huán)的疲勞試驗中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微點蝕現(xiàn)象逐漸嚴重;微點蝕現(xiàn)象的嚴重程度隨著滑滾比的增加而增加。Rabaso 等[71]利用雙盤試驗研究了各種參數(shù)對鋼盤抗微點蝕能力的影響，研究表明，滑滾現(xiàn)象很大程度上導致了表面點蝕現(xiàn)象的發(fā)生，在較低滑動速度下同樣會發(fā)生微點蝕現(xiàn)象;對試件施加載荷后，發(fā)現(xiàn)接觸壓力在1.5～2.5 GPa 范圍內(nèi)不會影響材料抵抗?jié)L動接觸疲勞的性能;最后，研究了表面處理對鋼盤抗微點蝕能力的影響，發(fā)現(xiàn)在大氣壓下進行熱處理會導致氧化物的形成，削弱材料抗微點蝕性能，相比而言，低壓熱處理則消除了材料中的氧化物，具備較好的優(yōu)越性。

目前，采用雙盤試驗來模擬真實的齒輪接觸被大多數(shù)學者所接受。雙盤試驗試件制作簡單，可以提供更多的關于摩擦因數(shù)、潤滑條件等局部信息，方便學者更好地理解齒輪失效的機理，已被廣泛應用于齒輪相關問題的研究[72]。

4 結(jié)語

提高直升機齒輪傳動系統(tǒng)的干運轉(zhuǎn)能力是一個復雜的系統(tǒng)工程。主減速器干運轉(zhuǎn)工況的發(fā)生主要是由于潤滑系統(tǒng)的失效所導致，因此，可以從避免潤滑油損失、增強主減速器零部件耐磨性能、提高主減速器耐高溫能力、增加應急潤滑系統(tǒng)或儲油裝置等方面入手，進行直升機齒輪傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計。由于主減速器傳動系統(tǒng)復雜的結(jié)構，以上每種方法均存在自己的局限性，單純依靠一種方法的改進難以起到較為明顯的改善。如增加齒輪的齒側(cè)間隙，將使減速器正常運轉(zhuǎn)受到長期影響，得不償失。為保證正常運轉(zhuǎn)，可以制備低熱膨脹系數(shù)的新型鐵基材料，并基于該新材料的齒輪進行表面改性、添加涂層或表面結(jié)構處理，達到降低摩擦熱和熱膨脹變形的目的，從而提升直升機齒輪傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)能力。在以后的研究中，可以結(jié)合本文中所述方法中的兩種或者多種來探求其協(xié)同效應，通過對其潤滑機理的分析以及大量的試驗研究來得到最優(yōu)的組合。

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收稿日期：2021-06-23 修回日期：2021-07-28

基金項目：國家自然科學基金（52075444，51675429）

國家自然科學基金重點項目（51535009）

作者簡介：佟瑞庭（1981—），男，河北唐山人，博士，副教授;研究方向為摩擦學、基于模型的系統(tǒng)工程、機械設計等。