直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器關(guān)鍵技術(shù)探討

直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器是利用航空潤(rùn)滑脂替代傳統(tǒng)航空潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑方式，確保減速器在不降低可靠性的前提下適當(dāng)減輕質(zhì)量，并提升直升機(jī)的生存能力，現(xiàn)已成為相關(guān)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的方向之一。

傳動(dòng)系統(tǒng)作為直升機(jī)三大關(guān)鍵動(dòng)部件（傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、旋翼）之一，其主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速通過(guò)一定比例傳遞給主旋翼和尾槳，并承受主旋翼和尾槳的氣動(dòng)載荷。傳動(dòng)系統(tǒng)由主減速器、中間減速器、尾減速器及傳動(dòng)軸系組成。其中，減速器的潤(rùn)滑方式通常為壓力噴油潤(rùn)滑和飛濺油潤(rùn)滑，以上兩種潤(rùn)滑方式對(duì)減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，油池底部的潤(rùn)滑油增加了減速器的質(zhì)量，若減速器采用脂潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，能確保在不降低可靠性的前提下適當(dāng)減輕質(zhì)量，且顯著提升傳動(dòng)系統(tǒng)的抗彈擊性能力和直升機(jī)的生存能力。開展脂潤(rùn)滑減速器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，有助于快速提升我國(guó)在脂潤(rùn)滑減速器核心技術(shù)與自主創(chuàng)新能力方面的水平，進(jìn)一步提升直升機(jī)生存力。

脂潤(rùn)滑減速器發(fā)展現(xiàn)狀

由于脂潤(rùn)滑減速器抗彈擊能力強(qiáng)，已在AH-64“阿帕奇”、A-129“貓鼬”等成熟機(jī)型上得到應(yīng)用。

應(yīng)用脂潤(rùn)滑減速器的AH-64直升機(jī)

AH-64直升機(jī)具備較強(qiáng)的攻擊能力、抗彈擊能力及生存力，該機(jī)型配裝一套較為先進(jìn)的單旋翼傳動(dòng) 系 統(tǒng)，12.7mm或23mm子 彈 擊中該系統(tǒng)關(guān)鍵動(dòng)部件后仍能繼續(xù)工作1h，這主要得益于AH-64直升機(jī)的中間減速器、尾減速器均采用脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，選用MCG-68-83（MIL-G-83363（USAF））潤(rùn)滑脂。其中，中間減速器安裝在尾水平梁底座上，將水平軸的功率傳遞到尾斜軸，輸入端布置一個(gè)冷卻風(fēng)扇以利于中間減速器、尾減速器散熱，輸出端通過(guò)柔性聯(lián)軸片與尾斜軸連接；尾減速器安裝在尾斜梁底座上，將尾斜軸的功率傳遞到尾槳。中間減速器、尾減速器均配裝溫度傳感器、速度傳感器，分別用以監(jiān)控減速器內(nèi)部溫度及振動(dòng)限制值，因無(wú)須滑油供應(yīng)系統(tǒng)，脂潤(rùn)滑減速器有效地降低了成本和減輕了質(zhì)量，提高了可靠性。

AH-64直升機(jī)使用的脂潤(rùn)滑尾減速器

AH-64直升機(jī)使用的脂潤(rùn)滑中間減速器

美國(guó)南卡羅來(lái)納州大學(xué)以AH-64直升機(jī)的脂潤(rùn)滑減速器為平臺(tái)，針對(duì)中間減速器產(chǎn)生無(wú)法解釋的過(guò)熱、尾減速器輸出密封泄漏、中間減速器通氣孔噴脂等現(xiàn)象，開展了一系列探索性研究試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：潤(rùn)滑脂在工作過(guò)程中不能始終保持半固體黏度，會(huì)分離為固體、液體兩種狀態(tài)；減速器的振動(dòng)與其內(nèi)部溫度息息相關(guān)，而溫度對(duì)潤(rùn)滑脂的黏度有一定影響，因此潤(rùn)滑脂黏度的改變將直接影響減速器振動(dòng)信號(hào)；通過(guò)開展兩項(xiàng)試驗(yàn)探索通氣孔噴脂的特征及原因，因油脂特性迅速改變，導(dǎo)致氣穴和泡沫的產(chǎn)生改變了動(dòng)態(tài)特性而造成油脂黏度減少。

意大利萊奧納多公司研制的一種全天候輕型反坦克武裝直升機(jī)A-129，是歐洲第一型武裝直升機(jī)，具有抗彈擊、抗墜毀、紅外抑制等戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。中間減速器、尾減速器均采用脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，選用SYN Fech NS-44 05-FG綿蘭脂，減速器上各關(guān)鍵潤(rùn)滑點(diǎn)均設(shè)計(jì)有供潤(rùn)滑脂進(jìn)入和儲(chǔ)存的空間，以保證在機(jī)匣遭遇彈擊損傷時(shí)潤(rùn)滑脂不會(huì)完全漏光，通過(guò)試驗(yàn)證明減速器具備安全工作45min的能力。

國(guó)內(nèi)鮮見關(guān)于采掘、運(yùn)輸機(jī)械用低速傳動(dòng)脂潤(rùn)滑減速器的報(bào)道，主要是針對(duì)潤(rùn)滑脂的性能及開放式脂潤(rùn)滑齒輪、軸承、花鍵的研究。例如，中國(guó)石油化工有限公司王丹等對(duì)開式齒輪潤(rùn)滑脂相關(guān)設(shè)計(jì)因素、主要性能評(píng)價(jià)方法等方面開展研究，得出了一套根據(jù)不同工況、潤(rùn)滑方式的開式齒輪潤(rùn)滑脂選取方法[1]；太原理工大學(xué)李新東等對(duì)工作環(huán)境較惡劣條件下的半流體潤(rùn)滑脂減速器開展了研究，該類減速器的齒輪副多數(shù)屬于低速重載傳動(dòng)，工作中起動(dòng)頻繁，減速器的潤(rùn)滑油泄漏比較嚴(yán)重，引起運(yùn)動(dòng)副潤(rùn)滑不良，致使減速器損壞[2]。

直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器與其他領(lǐng)域的小型低速脂潤(rùn)滑減速器在技術(shù)上有一定的通用性，二者所面臨的挑戰(zhàn)和困難也類似，但直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器由于使用工況及技術(shù)要求更高，導(dǎo)致發(fā)展速度更為緩慢。目前，脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)上主要應(yīng)用于軸承支座，并對(duì)中間減速器、尾減速器內(nèi)部的脂潤(rùn)滑軸承和花鍵進(jìn)行了設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，而脂潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的中間減速器、尾減速器研究仍停留在概念探索階段。

直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的直升機(jī)油潤(rùn)滑減速器相比，脂潤(rùn)滑減速器具有以下幾種技術(shù)特點(diǎn)。

一是抗彈擊能力強(qiáng)。傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑減速器在受到彈擊后滑油易流失，潤(rùn)滑脂由于其半固半液的膏體狀態(tài)而具有使用方便、易于保持在滑動(dòng)表面上、不易流失與泄漏、溫度范圍比油潤(rùn)滑廣、能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定潤(rùn)滑的特性，可大幅提升減速器的抗彈擊能力。

二是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。為有效潤(rùn)滑齒輪、軸承等零件，油潤(rùn)滑減速器的機(jī)匣、端蓋等殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)有復(fù)雜的油路、油兜等集油結(jié)構(gòu)。脂潤(rùn)滑減速器因潤(rùn)滑脂易于附著，在常溫下可附著于垂直表面不流失，因此內(nèi)部無(wú)須設(shè)計(jì)復(fù)雜的通油、集油結(jié)構(gòu)。

三是有利于減輕質(zhì)量。油潤(rùn)滑減速器為儲(chǔ)油其機(jī)匣底部設(shè)置了大油池，工作時(shí)要加入定量的滑油，尤其對(duì)于壓力噴油潤(rùn)滑減速器另需安裝一套獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)，大大增加了減速器的質(zhì)量。潤(rùn)滑脂因具有潤(rùn)滑油所不可替代的黏附性、剪切和離心穩(wěn)定性、抗磨損性等特點(diǎn)，相比于滑油可減少用量以達(dá)到潤(rùn)滑效果，且機(jī)匣底部無(wú)須設(shè)計(jì)大油池以減輕質(zhì)量。

四是密封性強(qiáng)。脂潤(rùn)滑減速器的潤(rùn)滑方式與密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效封住污染物和灰塵，防銹性能與熱氧化安定性能優(yōu)良。

直升機(jī)脂潤(rùn)滑減速器關(guān)鍵技術(shù)

脂潤(rùn)滑減速器雖具備一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但存在潤(rùn)滑脂不易更換、流變特性及摩擦力矩較潤(rùn)滑油大等特點(diǎn)，導(dǎo)致脂潤(rùn)滑減速器研制中存在維護(hù)性較差、散熱能力較弱等技術(shù)難點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)脂潤(rùn)滑減速器在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用，需著力對(duì)以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

摩擦性能及流變特性分析技術(shù)

潤(rùn)滑脂是由一種或多種稠化劑分散在一種或多種液體潤(rùn)滑劑中得到的介于半流體到固體之間的具有非牛頓流體特征的一類潤(rùn)滑劑。與傳統(tǒng)油潤(rùn)滑減速器相比，潤(rùn)滑脂運(yùn)動(dòng)的特性復(fù)雜，散熱能力低。不同的溫度、轉(zhuǎn)速、載荷以及流變模型的選擇，對(duì)潤(rùn)滑脂摩擦性能及流變特性有影響。溫度升高將導(dǎo)致潤(rùn)滑脂的油膜穩(wěn)定性降低，進(jìn)而導(dǎo)致表觀黏度下降，摩擦表面更加粗糙，摩擦系數(shù)增大；轉(zhuǎn)速增大，油脂表觀黏度減小，承載能力變?nèi)?，油膜厚度變薄，摩擦磨損能力變?nèi)醯?。因此，?rùn)滑脂流變模型的選擇、轉(zhuǎn)速因素分析、溫度因素分析、載荷因素分析，是開展?jié)櫥Σ列阅芗傲髯冃阅芊治龅闹匾芯績(jī)?nèi)容。

齒輪及軸承熱平衡分析技術(shù)

直升機(jī)減速器是一個(gè)在重載荷條件下高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪箱里齒輪帶動(dòng)潤(rùn)滑油/潤(rùn)滑脂的流動(dòng)屬于固定運(yùn)動(dòng)剛體與流體的相互作用問(wèn)題，在減速器熱平衡問(wèn)題中，潤(rùn)滑脂和空氣是實(shí)現(xiàn)齒輪、軸承發(fā)熱量傳導(dǎo)并散發(fā)的核心介質(zhì)。減速器溫度場(chǎng)的熱平衡分析涉及到了摩擦學(xué)、傳熱學(xué)（流體傳熱、固體傳熱）、非線性流體力學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域，是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的研究問(wèn)題。與傳統(tǒng)油潤(rùn)滑減速器相比，脂潤(rùn)滑減速器由于齒輪和軸承承載較大、發(fā)熱量大，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中減速器內(nèi)部溫度高于潤(rùn)滑脂工作溫度限制值，導(dǎo)致減速器內(nèi)部熱膨脹而出現(xiàn)通氣孔噴脂、輸出密封漏脂等現(xiàn)象。

基于潤(rùn)滑脂摩擦性能及流變特性，進(jìn)行脂潤(rùn)滑齒輪和軸承發(fā)熱量和熱平衡分析、減速器潤(rùn)滑脂的非線性動(dòng)力學(xué)建模與分析、計(jì)算流體力學(xué)的熱平衡建模與分析，以獲得在不同工況下脂潤(rùn)滑齒輪和軸承表面的溫度場(chǎng)，是脂潤(rùn)滑齒輪及軸承熱平衡分析的重要目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

脂潤(rùn)滑減速器比傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑減速器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面較為簡(jiǎn)單，體現(xiàn)在機(jī)匣和端蓋上無(wú)須過(guò)多地考慮油路、油兜設(shè)計(jì)。但由于直升機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)及減速器結(jié)構(gòu)限制的特殊性，對(duì)減速器的潤(rùn)滑要求高，潤(rùn)滑方案及機(jī)匣設(shè)計(jì)存在一定難度。需根據(jù)減速器熱平衡仿真分析結(jié)果，考慮脂潤(rùn)滑的特點(diǎn)及潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的特殊性，開展脂潤(rùn)滑減速器散熱結(jié)構(gòu)、監(jiān)控結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)與維護(hù)方案設(shè)計(jì)；結(jié)合減速器內(nèi)部齒輪齒面運(yùn)動(dòng)及接觸應(yīng)力分析，開展脂潤(rùn)滑齒輪的齒面設(shè)計(jì)；考慮軸承載荷、轉(zhuǎn)速等工況要求，開展基于脂潤(rùn)滑的軸承磨擦功耗計(jì)算分析技術(shù)、軸承材料匹配設(shè)計(jì)；開展密封的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱特性分析及動(dòng)態(tài)特性分析。

可靠性與維護(hù)性設(shè)計(jì)技術(shù)

直升機(jī)油潤(rùn)滑減速器通常在油池底部安裝有金屬屑磁性探測(cè)器，可在飛行過(guò)程中探測(cè)因減速器內(nèi)的損壞或過(guò)度磨損所造成的鐵磁顆粒出現(xiàn)，并及時(shí)發(fā)出信號(hào)?？紤]到潤(rùn)滑脂黏度大，不易使鐵磁顆粒流動(dòng)等因素，脂潤(rùn)滑減速器不適合安裝金屬屑磁性探測(cè)器，減速器內(nèi)部若出現(xiàn)齒輪及軸承的剝落、斷裂等故障將無(wú)法監(jiān)控?，F(xiàn)有脂潤(rùn)滑減速器是通過(guò)安裝溫度及振動(dòng)傳感器或選用一套故障檢測(cè)系統(tǒng)以解決此類問(wèn)題。因此，如何解決對(duì)減速器內(nèi)部零件的監(jiān)控是提升減速器可靠性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。此外，油潤(rùn)滑減速器安裝有泄油口，考慮到潤(rùn)滑脂的流動(dòng)特性，在脂潤(rùn)滑減速機(jī)匣上應(yīng)合理地布置排脂口，并逐步延長(zhǎng)注脂周期。開展減速器振動(dòng)和溫度關(guān)系分析、脂潤(rùn)滑齒輪及軸承等故障評(píng)估、排脂口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、注脂周期設(shè)計(jì)等是實(shí)現(xiàn)提升脂潤(rùn)滑減速器維護(hù)性、可靠性的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

從提高直升機(jī)減速器抗彈擊能力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性、可靠性及維護(hù)性等方面綜合考慮，采用脂潤(rùn)滑減速器結(jié)構(gòu)應(yīng)是提升直升機(jī)生存力的優(yōu)選構(gòu)型。目前，國(guó)內(nèi)脂潤(rùn)滑減速器技術(shù)成熟度較低，急需加大脂潤(rùn)滑減速器關(guān)鍵技術(shù)的研究力度，盡快將脂潤(rùn)滑減速器應(yīng)用在直升機(jī)上。