無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究

韓小溪 戴日輝 李晨曦

引言

無(wú)人直升機(jī)是指由無(wú)線電地面遙控飛行或自主控制飛行的可垂直起降不載人飛行器。無(wú)人直升機(jī)與有人直升機(jī)相比，具有體積小、戰(zhàn)場(chǎng)生存力強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向通過(guò)動(dòng)力軸傳向旋翼和尾槳。旋翼和尾槳是衡量直升機(jī)性能的重要結(jié)構(gòu)，所以作為傳遞部件的傳動(dòng)系統(tǒng)十分重要，具有較高的可靠性要求[2]。無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)流程如圖1所示[3]。

通過(guò)本文開展可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化研究并形成工程適用的程序與方法，可以將可靠性設(shè)計(jì)與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)，使設(shè)計(jì)過(guò)程考慮可靠性要求的實(shí)現(xiàn)，改善傳統(tǒng)的安全系數(shù)法犧牲一定性能的缺陷，使設(shè)計(jì)得到最優(yōu)的結(jié)果，支持在零部件設(shè)計(jì)階段進(jìn)行最優(yōu)關(guān)鍵幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)，得到的關(guān)鍵幾何參數(shù)可以使傳動(dòng)系統(tǒng)體積達(dá)到最小，滿足規(guī)定的可靠性要求。

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)（reliability-based design optimization，RBDO）是指將可靠性作為目標(biāo)函數(shù)或者約束條件考慮到設(shè)計(jì)中去的一種設(shè)計(jì)方法，基于數(shù)學(xué)規(guī)劃方法得到最優(yōu)的在設(shè)計(jì)中要確定的參數(shù)[4]。

機(jī)械產(chǎn)品可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)理論相關(guān)研究在國(guó)內(nèi)一直在不斷開展，主要研究?jī)?nèi)容集中于兩個(gè)方面：一是可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型建立的研究；二是模型求解算法的研究。在模型建立的相關(guān)研究中，秦勤[5]以汽車變速器為對(duì)象提出了一種以減少傳動(dòng)量為目的的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。王蒼勁[6]建立了液壓支架的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，使可靠性得以提升。李明昊[7]等人以行星盤為研究對(duì)象，得到行星盤設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解。雷婧宇[8]對(duì)渦輪葉片建立了可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型?？梢钥闯?，現(xiàn)階段將可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于零件級(jí)別的機(jī)械產(chǎn)品較有效，但對(duì)于無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)缺乏合適的應(yīng)用模型。

綜上所述，本文為了在可靠性指標(biāo)和性能指標(biāo)同時(shí)達(dá)到要求的條件下確定設(shè)計(jì)幾何參數(shù)，研究傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件之間的關(guān)系，建立傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，建立基于可靠性的適用于無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型建立

無(wú)人機(jī)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同類型的直升機(jī)其主減速器和尾減速器的構(gòu)型也不相同，以典型傳動(dòng)系統(tǒng)為例展開分析，該型傳動(dòng)系統(tǒng)的主減速器為同時(shí)換向并車型，有兩級(jí)減速齒輪副，和尾減速器通過(guò)連接軸連接，采用螺旋錐齒輪副進(jìn)行減速，使尾槳達(dá)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。依據(jù)結(jié)構(gòu)原理圖可以看出，傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際上是主要有行星輪系、螺旋錐齒輪副和傳動(dòng)軸串聯(lián)而成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，要想求得傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，最重要的是確定行星輪系、螺旋錐齒輪副和傳動(dòng)軸的關(guān)鍵參數(shù)。

無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析

傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵幾何參數(shù)的確定分為如下四個(gè)部分，其流程如圖3所示。

由于對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)求解關(guān)鍵參數(shù)較為困難，所以將傳動(dòng)系統(tǒng)分解為可以進(jìn)行設(shè)計(jì)的單元，對(duì)其分別可靠性分析、可靠性分配、建立可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，各單元達(dá)到最優(yōu)后，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)也達(dá)到最優(yōu)，即達(dá)到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)的目的。本方法適用于各分系統(tǒng)及整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用驗(yàn)證

無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，若針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)為對(duì)象開展優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用驗(yàn)證所需數(shù)據(jù)量及相關(guān)建模計(jì)算等工作量較大，不易實(shí)施。因此，本文在應(yīng)用驗(yàn)證時(shí)采用了各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)方法同樣適用于整機(jī)的結(jié)論，所以選取傳動(dòng)系統(tǒng)中尾減速器為例進(jìn)行分析驗(yàn)證。

該型傳動(dòng)系統(tǒng)的材料使用的是滲碳鋼18CrNi4A/E，其輸入轉(zhuǎn)速為6511r/min，輸出轉(zhuǎn)速為2121r/min，得到傳動(dòng)比為3.07，尾槳的最大功率為300kW，小齒輪的工作扭矩為685N·m，軸夾角為90°，壓力角為20°，標(biāo)準(zhǔn)的等頂隙收縮齒的螺旋角為35°。

通過(guò)對(duì)比分析優(yōu)化前后的體積，優(yōu)化后體積總體優(yōu)化了2.24%，且?guī)肷鲜鰠?shù)，得到尾減速器優(yōu)化后的可靠度水平接近1，符合可靠度約束，說(shuō)明該優(yōu)化方法有一定的效果。并且通過(guò)計(jì)算得到在優(yōu)化前尾減速器接觸疲勞可靠度為0.87，且整體可靠度為0.8687，未達(dá)到分配給尾減速器的可靠性指標(biāo)要求，說(shuō)明在以往的設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮到可靠性的要求，使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品可靠度未達(dá)到指標(biāo)要求，存在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的可能性，從側(cè)面說(shuō)明了本方法的必要性和有效性。

結(jié)束語(yǔ)

本文研究形成典型無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪和傳動(dòng)軸進(jìn)行可靠性分析，使其作為可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型中的約束。并基于此建立了傳動(dòng)系統(tǒng)螺旋錐齒輪、行星齒輪、傳動(dòng)軸的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，用以確定傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵幾何參數(shù)，以支持滿足可靠性要求、同時(shí)體積最小的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用本文建立的方法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)尾減速器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該應(yīng)用驗(yàn)證證明了本文建立方法的可行性，一定程度上說(shuō)明了本方法的有效性。本文所考慮的是簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)后的無(wú)人直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，后期應(yīng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善補(bǔ)充，盡可能考慮所有的關(guān)重件以確定整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)重件的設(shè)計(jì)參數(shù)，使優(yōu)化設(shè)計(jì)方法更加完善。

參 考 文 獻(xiàn)

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[8]雷婧宇，呂震宙，賈貝熙.含氣膜孔渦輪葉片壽命可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化中的網(wǎng)格參數(shù)化方法[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（02）：55-63.