孫愛東，王德鑫，吳開春

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

某型無人直升機(jī)變距滑塊的改進(jìn)與分析

孫愛東，王德鑫，吳開春

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

以某型無人直升機(jī)變距系統(tǒng)為研究對象，分析其變距滑塊工作原理，采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析，得出其磨損原因，繼而對滑塊部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析對比。結(jié)果表明其應(yīng)變明顯減小，應(yīng)力分布也更加均勻。實(shí)際使用試驗(yàn)也表明，滑塊應(yīng)變間隙明顯減小，使用壽命大大提高。

變距滑塊；磨損；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

變距系統(tǒng)是直升機(jī)上的操縱部件，用來操縱直升機(jī)的飛行。對有人直升機(jī)而言整個(gè)變距操縱系統(tǒng)復(fù)雜而又繁瑣，反觀某型無人直升機(jī)的變距系統(tǒng)就比較簡單，整個(gè)系統(tǒng)通過變距拉桿下端連接直線型舵機(jī)組件，上端連接槳轂小拉桿。這樣飛控就可以通過控制舵機(jī)來改變槳距，從而來實(shí)現(xiàn)對無人直升機(jī)的控制。

1 問題描述

某型無人直升機(jī)原先的變距滑塊是用尼龍加工而成的，整個(gè)尼龍滑塊鑲嵌在主軸滑槽里，用來對變距系統(tǒng)進(jìn)行限位，確保其只有上下方向一個(gè)自由度來操作直升機(jī)的飛行，如圖1所示。變距滑塊在直升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力比較復(fù)雜，它受到直升機(jī)周期變距時(shí)主軸滑槽對滑塊的側(cè)向力和摩擦力，受到直升機(jī)啟動時(shí)主軸滑槽對滑塊的側(cè)向力，還受到主軸對滑槽的徑向力來保證變距系統(tǒng)穩(wěn)定地固定在主軸上。

圖1 舊變距系統(tǒng)

原有的變距滑塊在如此惡劣的工況下，很容易產(chǎn)生磨損間隙和應(yīng)變間隙。此處間隙稍有增加，就會激發(fā)該直升機(jī)主旋翼一倍頻率響應(yīng)值，嚴(yán)重危害該直升機(jī)的飛行安全。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前面對變距系統(tǒng)工作原理和工況的分析。在滿足原先工作條件的基礎(chǔ)上，新變距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化了變距滑塊的受力情形，并進(jìn)一步對變距滑塊的材料進(jìn)行了重新選擇。舊變距系統(tǒng)是通過變距滑塊來限位變距系統(tǒng)的運(yùn)動方向，使它只能在上下方向自由滑動；新變距系統(tǒng)增加了一個(gè)尼龍組件來限位變距系統(tǒng)的運(yùn)動方向，使它只能在上下方向自由滑動，這樣大大減輕了變距滑塊的受力工況。原先易磨損的尼龍變距滑塊也改成了耐磨且具有自潤滑效果的銅滑塊。這是新變距系統(tǒng)最主要的兩點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

其中F舵機(jī)為單個(gè)舵機(jī)對變距拉桿施加的最大載荷16kg，θ為槳轂小拉桿與主軸的角度17°。

由于主旋翼下方氣流比較復(fù)雜，整個(gè)變距系統(tǒng)空氣阻力接觸面較小且旋轉(zhuǎn)半徑也很小，因此，在這里F測3作近似于0考慮。

式中：μ為鋼對尼龍的摩擦系數(shù)。

表1 摩擦系數(shù)值

新變距組件設(shè)計(jì)增加一個(gè)尼龍組件，該尼龍組件跟旋翼主軸內(nèi)徑配合安裝來保證整個(gè)變距組件穩(wěn)定地固定在主軸上，不再依靠變距滑塊限位固定。這樣變距滑塊只受到側(cè)向力和摩擦力。在這種受力環(huán)境下，變距滑塊選用了更耐磨、同樣應(yīng)力情況下應(yīng)變較小的銅材料。查表1可知：鋼與銅（帶潤滑）的摩擦系數(shù)為0.07，且則此時(shí)變距滑塊周期變距受到的摩擦力為：

f銅=（其中μ為鋼對銅的摩擦系數(shù)）。

通過以上計(jì)算和理論分析可知：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新變距組件周期變距受到的摩擦力大大減小，該無人直升機(jī)操作性能也得到了相應(yīng)的提高。原先磨損較嚴(yán)重的尼龍變距滑塊，換成了銅材料變得更加耐磨，使用壽命和安全性也大大提高。

3 有限元結(jié)果分析對比

為了更加直觀地比較新舊變距系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，本文對兩種變距系統(tǒng)受力比較復(fù)雜的變距滑塊進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，分析優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新變距系統(tǒng)是否位移變距變小了，是否避免了原先滑塊受力較大時(shí)就會產(chǎn)生局部間隙。根據(jù)上面的計(jì)算變距滑塊在周期變距時(shí)受到的最大側(cè)向力約為98N,在這里進(jìn)行有限元分析對比。

表2 有限元計(jì)算數(shù)據(jù)對比

由表2數(shù)據(jù)可知：舊變距滑塊在受98N側(cè)向力時(shí)，最大應(yīng)力為23.2MPa，位移云圖為0.11mm。表2里尼龍材料的抗壓屈服強(qiáng)度跟最大應(yīng)力之比為3.4，基本滿足3倍的安全系數(shù)使用要求。但長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)肯定會產(chǎn)生磨損、疲勞。在該力作用下的最大間隙達(dá)到了0.11mm，在這種間隙下該無人直升機(jī)操作精度得不到保證，而且該直升機(jī)的主旋翼一倍頻率響應(yīng)值也大幅提高，是一個(gè)安全隱患。新變距滑塊在受98N側(cè)向力時(shí)，最大應(yīng)力為18.3MPa，位移云圖為0.003mm。表2里銅屈服強(qiáng)度跟最大應(yīng)力之比為18.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3倍的安全系數(shù)使用要求。在該力作用下的最大間隙為0.003mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于尼龍滑塊產(chǎn)生的間隙，直升機(jī)的操縱精度、振動值得到了有效保證。銅對鋼的摩擦系數(shù)較小，新變距系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)變距滑塊磨損和疲勞值都會很小。所以，新舊變距系統(tǒng)的有限元分析對比，有力地證明了新變距系統(tǒng)的優(yōu)化性，合理性。

新變距系統(tǒng)裝配到直升機(jī)之后，對其進(jìn)行了各種工況下的飛行試驗(yàn)，在經(jīng)過100h的飛行試驗(yàn)后，對整個(gè)變距系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)尼龍組件和主軸內(nèi)徑?jīng)]有產(chǎn)生間隙、磨損很輕微；變距滑塊和主軸滑槽沒有產(chǎn)生間隙，幾乎沒有磨損。由此，新設(shè)計(jì)的變距系統(tǒng)有效地解決了變距滑塊的磨損問題，增加了其使用壽命，能夠很好地應(yīng)用到某型無人直升機(jī)，從而提高直升機(jī)的飛行安全性。

4 結(jié)語

（1）舊變距系統(tǒng)中變距滑塊受力復(fù)雜，短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后易摩損產(chǎn)生局部間隙，不利于直升機(jī)的安全飛行。有限元分析和實(shí)際試驗(yàn)都證實(shí)了這點(diǎn)。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的新變距系統(tǒng)通過增加了一個(gè)尼龍組件，分解了變距滑塊的受力情況，使其不再受到主軸徑向的力，從而變距滑塊可以改成更耐磨的銅材料。整個(gè)變距系統(tǒng)的使用壽命和直升機(jī)的安全性得到了提高。

（3）新變距系統(tǒng)的裝配更加簡單、易操作，且增加的尼龍組件上端面提供了一個(gè)很好的任務(wù)安裝平臺。

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V279；V275.1

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1671-0711（2017）12（上）-0075-02