姜大成， 呂長生， 張新軍

（陸軍航空兵駐哈爾濱地區(qū)軍代表室，哈爾濱150066）

某型直升機側垂尾螺栓結構改進設計

姜大成， 呂長生， 張新軍

（陸軍航空兵駐哈爾濱地區(qū)軍代表室，哈爾濱150066）

某型直升機在使用過程中，發(fā)生過水平安定面?zhèn)却刮矀€別連接螺栓斷裂的故障現(xiàn)象，該故障若不及時發(fā)現(xiàn)將直接影響直升機的飛行安全。通過對螺栓斷裂原因分析，提出了在保證連接形式不變條件下，改進螺栓結構，經(jīng)設計軟件強度校核和空中試驗驗證，證明改進后的螺栓結構能夠滿足使用要求。

直升機；側垂尾；螺栓；方案設計

1 故障現(xiàn)象

側垂尾作為直升機關鍵部件之一，是用碳纖維復合材料制成，通過連接螺栓固定在水平安定面兩側。在直升機飛行過程中，主要作用是增加阻尼減小橫向擺動使涵道保持平穩(wěn)［1-2］。因此，連接螺栓松動或斷裂導致側垂尾無法實現(xiàn)其功能時，將給直升機帶來災難性事故。在航后檢查時，該型直升機曾發(fā)現(xiàn)過連接螺栓出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，由于發(fā)現(xiàn)及時，尚未影響直升機的飛行安全。

本文詳細敘述了某型直升機側垂尾連接螺栓故障的檢查、分析和處理的全過程，并提出了合理的結構改進方案。圖1所示為水平安定面斷裂螺栓故障圖。

圖1 側垂尾螺斷裂故障圖

2 故障原因分析

直升機側垂尾連接螺栓斷裂原因分析，主要從螺栓生產(chǎn)過程、材料理化性能和機型改進等幾方面進行分析。

2.1 螺栓的生產(chǎn)過程檢查

螺栓制造過程的檢查。對同批次螺栓生產(chǎn)過程的制造指令、質量原始文件、檢驗記錄等進行檢查，原材料入廠復驗檢查、熱處理、機械加工、均質檢查、鈍化等生產(chǎn)過程均符合質控文件及圖紙技術條件要求，沒有出現(xiàn)任何偏離。

生產(chǎn)現(xiàn)場螺栓的安裝檢查。對尚未裝機的螺栓尺寸對照圖紙進行符合性檢查，沒有出現(xiàn)超差現(xiàn)象。并對螺栓熱處理、表面處理及材質情況進行了檢查，均符合圖紙要求。

2.2 螺栓斷口及理化分析

斷裂螺栓的斷口位置均在φ5.70處，即螺栓根部在加工過程中留有的退刀槽處。如圖2所示為故障螺栓結構圖。

圖2 故障連接螺栓結構圖

對螺栓進行了機械性能測試、化學光譜分析、金相分析。經(jīng)檢查硬度、強度符合圖紙要求；材料符合1Cr17Ni3；斷口上可見疲勞擴展條紋。螺栓斷面平坦，瞬時斷裂區(qū)所占面積很小，表明螺栓在使用過程中所承受的應力不是很大；斷源處未見冶金缺陷，不存在因原材料冶金缺陷引起的疲勞斷裂；材料化學成分、性能檢測符合技術要求；螺栓表面無腐蝕，不存在因腐蝕引起的疲勞；斷口磨損較多，說明部分螺栓已斷裂很長時間。

2.3 機型改進的影響

該型直升機是在某原型機的基礎上改型研制，改進主要是集中在發(fā)動機和武器系統(tǒng)方面，而側垂尾固定螺栓還是采用原型機設計，未進行充分的驗證。通過對現(xiàn)役該型直升機側垂尾固定螺栓進行檢查，發(fā)現(xiàn)多架機螺栓存在裂紋和斷裂現(xiàn)象，而發(fā)現(xiàn)問題的直升機均具有較長的飛行時間和多次發(fā)射炮彈的共同特點。進一步對原型機檢查，未發(fā)現(xiàn)連接螺栓異常。

綜合分析后得出結論：螺栓為低應力作用下的彎曲疲勞斷裂。

3 結構設計改進

經(jīng)過對檢查的情況進行討論、分析，認為連接螺栓生產(chǎn)過程符合圖紙及工藝文件的要求。結合使用過程中曾出現(xiàn)過同類故障，認為對于螺栓的結構應重新設計改進。主要是對螺栓退刀槽的位置進行改進設計。因為如將螺栓材料由1Cr17Ni3換成30CrMnSi，從理論上來說材料的抗拉強度σs值沒有明顯提高，其中1Cr17Ni3的σs= 880 MPa，30CrMnSi的σs=1 080 MPa；如加大螺栓直徑尺寸，從裝配來說已經(jīng)沒有空間，而且如果加大螺栓直徑尺寸現(xiàn)役直升機的螺栓將無法實施更換。所以，在加工工藝、材料等不變的情況下對螺栓退刀槽進行結構改進，由原來內凹R0.6改為凸出R1。如圖3所示為改進后固定螺栓結構圖。

圖3 改進后固定螺栓結構圖

根據(jù)現(xiàn)役原型機使用情況可以進行正常飛行。為保證飛行安全，建議對執(zhí)行飛行訓練任務的直升機在每飛行一定小時后，對側垂尾連接螺栓進行檢查。該型機統(tǒng)一更換改進后的連接螺栓。

4 強度校核

在計算機輔助設計軟件Pro/E環(huán)境下，繪制連接螺栓的三維實體零件圖，并生成螺栓的輸入文件，可以直接導入MSC.Patran有限元分析軟件中進行強度校核［3-4］。在MSC.Patran軟件中進行三維模型劃分有限元網(wǎng)格、施加邊界條件、設置材料特性、定義單元屬性、提交MSC. Nastran運算分析、處理運算結果等。

設連接螺栓的作用力F＝1 000 N。進行外力施加載荷，固定螺栓材料選擇1Cr17Ni3材料，其材料特性如表1所示。

表1 材料特性

MSC.Patran中有限元強度校核。連接螺栓改進前的計算結果如圖4所示，加載后連接螺栓在φ5.70處的最大變形為9.17×10-7m，其最大應力σ=88.9 MPa；同樣計算出改進后螺栓相同位置的計算結果如圖5所示，最大變形為6.99×10-7m，其最大應力σ=58.1 MPa。從計算結果中可以得出，在同等外力作用下，改進后螺栓結構的變形量比改進前減小23.4%，強度增加34.6%。同時，最大應力小于材料的屈服應力880 MPa，從而滿足強度要求。

圖4 改進前強度分析圖

圖5 改進后強度分析圖

5 結論

本文通過理論分析和試驗驗證，找出了側垂尾連接螺栓故障原因，提出了改變螺栓結構的解決方案。設計更改已在裝機件和后續(xù)產(chǎn)品中得到貫徹實施，并在試飛、使用過程中得到了驗證。

［1］ 孔衛(wèi)紅，陳仁良.旋翼/涵道/風扇升力系統(tǒng)的前飛氣動特性［J］.南京航空航天大學學報，2008（5）：571-576.

［2］ 祝凌云，李斌.運動仿真和有限元分析［M］.北京:北京人民郵電出版社，2004.

［3］ 黃國寧，陳海，霍應元.MSC Nastran優(yōu)化功能在結構強度設計中的應用［J］.計算機輔助工程，2006（12）：50-52.

（編輯：啟 迪）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0119－02

姜大成（1975—），男，高級工程師，碩士研究生，研究方向為航空機械。

2014-01-19