■ 黃湘龍 尹鳳 王文凱 趙思波/中國航發(fā)動研所

動靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸是一種獨立單元體結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，本文對自主設(shè)計的動靜軸結(jié)構(gòu)開展了載荷分配系數(shù)關(guān)鍵特性研究，利用有限元軟件建模計算分析和開展多通道加載試驗驗證，動靜軸結(jié)構(gòu)綜合載荷分配系數(shù)不低于95%，為動靜軸結(jié)構(gòu)旋翼軸的工程應(yīng)用提供了參考。

旋翼軸是驅(qū)動直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵零件。現(xiàn)有旋翼軸大多為單軸懸臂梁結(jié)構(gòu)，受載復(fù)雜，質(zhì)量和疲勞壽命難以滿足設(shè)計要求，同時旋翼軸暴露在機(jī)體外部，戰(zhàn)斗中被子彈擊中損壞的概率大。動靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸是一種獨立單元體結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，如圖1所示，由一根裝在內(nèi)部的動軸和一根裝在外部的靜軸組合而成。理想條件下，動軸傳遞扭矩，靜軸傳遞旋翼升力和彎矩，實現(xiàn)載荷分配傳遞，簡化了傳動鏈上零件的受載，降低了零件的設(shè)計難度，減輕質(zhì)量并減少變形，使零件容易滿足疲勞壽命，提高了可靠性。另外，內(nèi)部的動軸有了外部的靜軸保護(hù)，降低了戰(zhàn)斗中被損壞的概率，能有效提高旋翼軸抗彈擊性能。目前，“阿帕奇”直升機(jī)和西科斯基的先進(jìn)旋翼傳動系統(tǒng)研究（ART）計劃的傳動系統(tǒng)方案中均采用了動靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸。

動靜軸結(jié)構(gòu)介紹

在動靜軸結(jié)構(gòu)中，靜軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與直升機(jī)機(jī)體平臺連接；動軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與主減速器輸出軸連接。理論上，直升機(jī)旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的升力載荷不經(jīng)過主減速器而直接傳遞至機(jī)身，主減速器主要承受旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩，旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生的載荷在動靜軸組件中分開傳遞，使主減速器的受載情況得到簡化。動靜旋翼軸作為槳轂、主減速器和機(jī)身的動力連接樞紐[1]。實際工作中，靜軸（外軸）在承受旋翼升力載荷（拉力和彎矩）后，由于存在受載變形將導(dǎo)致部分升力載荷傳遞到動軸，使得載荷分離不徹底，易導(dǎo)致配合花鍵偏載、嚴(yán)重磨損及動軸疲勞壽命低等故障的發(fā)生。

圖1 動靜軸結(jié)構(gòu)示意圖

筆者以國內(nèi)一款直升機(jī)的主旋翼軸尺寸、轉(zhuǎn)速、限制載荷為參考對象（見表1），根據(jù)動靜軸結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計了一種動靜軸結(jié)構(gòu)的旋翼軸。為了評估該結(jié)構(gòu)中動軸和靜軸的載荷分配效果，開展了載荷分配效果的有限元建模仿真分析和多通道加載試驗驗證研究。

表1 主旋翼軸限制載荷

載荷分配效果的建模仿真分析

建立仿真分析模型

采用ANSYS Workbench[2]進(jìn)行有限元前、后處理以及非線性接觸分析，建立了考慮真實模擬軸承剛度、花鍵接觸等邊界條件的動靜旋翼軸結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。計算模型中的三維實體均采用10節(jié)點四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分979313個節(jié)點、566646個單元；上、下軸承采用彈簧單元進(jìn)行模擬，彈簧的剛度（見表2）利用Romax Designer 14.5軟件[3]計算獲得軸承的剛度值；動軸上、下花鍵處采用摩擦系數(shù)為0.1的摩擦接觸，其余連接處采用綁定接觸。

計算載荷分配系數(shù)

通過仿真計算獲得了動靜軸結(jié)構(gòu)分析模型當(dāng)量應(yīng)力和變形分布，如圖3和圖4所示。

表2 軸承剛度值

表3 動靜軸結(jié)構(gòu)模型中支反力結(jié)果

圖2 動靜軸結(jié)構(gòu)分析模型

圖3 靜軸當(dāng)量應(yīng)力分布（MPa）

圖4 綜合變形分布

在動靜軸結(jié)構(gòu)分析模型中，提取約束位置的支反力和支反力矩，詳細(xì)結(jié)果如表3所示。

表3中Mx和My需要剔除由于剪切力產(chǎn)生的彎矩后再計算彎矩分配比例，如表4所示。

計算結(jié)果表明：由于剪切力與彎矩存在相互影響，若不考慮剪切力的影響，動靜旋翼軸結(jié)構(gòu)中的彎矩（剪切力）主要由靜軸承受，約占總載荷的95%，動軸承受少部分殘余剪切力（彎矩）載荷，約占總載荷的5%；扭矩100%完全通過動軸傳遞，動軸承受了100%的扭矩；拉力主要通過靜軸傳遞，靜軸承受約97.5%的

表4 動靜軸結(jié)構(gòu)模型中承載比

開展載荷分配驗證試驗研究

軸向力，動軸承受約2.5%的拉力；計算綜合載荷分配系數(shù)不小于95%。

零件加工完成后，進(jìn)一步開展動靜軸結(jié)構(gòu)載荷分配試驗，來驗證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗在驗收合格并且處于正常工作狀態(tài)具有多通道加載功能的專用結(jié)構(gòu)試驗器上進(jìn)行，如圖5所示，通過對動軸和靜軸粘貼應(yīng)變片，對試驗件采用8通道手動加載試驗方法[4]（由F1～F4實現(xiàn)軸向力FZ、MX和MY施加，由F5實現(xiàn)剪切力FX的施加，由F6實現(xiàn)剪切力FY的施加，由等大反向的F7、F8合成實現(xiàn)扭矩MZ的施加），按表1中的試驗載荷（因試驗件為縮比件，加載載荷取表1的1/8）進(jìn)行加載，加載試驗如圖6所示。

表5 動靜軸結(jié)構(gòu)載荷分配驗證試驗結(jié)果

圖5 載荷分配驗證試驗加載方案

圖6 載荷分配驗證試驗現(xiàn)場照片

分析試驗后動軸與靜軸的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到試驗結(jié)果如表5所示。

通過本輪載荷分配試驗，可初步獲得試驗件載荷分布規(guī)律如下：

● 試驗件的剪切力主要由靜軸承受，占總載荷的95.5%～97.3%，動軸承受少部分殘余剪切力載荷，占總載荷的2.7%～4.5%，剪切力載荷分配系數(shù)在95.5%以上；

● 試驗件的拉力（軸向力）主要由靜軸承受，占總載荷的95.1%～98.2%,動軸承受少部分殘余剪切力（軸向力）載荷，占總載荷的1.8%～4.9%，彎矩載荷分配系數(shù)在95.1%以上，考慮實際運轉(zhuǎn)情況下花鍵連接處有潤滑油或潤滑脂，摩擦系數(shù)更低。因此，實際工況下動靜軸的軸向力載荷分配系數(shù)將比試驗結(jié)果更高；

● 試驗件的彎矩主要由靜軸承受，占總載荷的97.1%～99.8%，動軸承受少部分殘余彎矩載荷，占總載荷的0.2%～2.9%，剪切力載荷分配系數(shù)在97.1%以上；

● 試驗件的扭矩幾乎完全由動軸承受，扭矩載荷分配系數(shù)在99.5%以上；

● 綜合前述結(jié)果，試驗件綜合載荷分配系數(shù)為95.1%（取各項載荷分配系數(shù)的最小值）。

結(jié)束語

結(jié)合國內(nèi)一款直升機(jī)主旋翼軸的尺寸參數(shù)和限制載荷，本文設(shè)計了一種動靜軸結(jié)構(gòu)的新型旋翼軸構(gòu)型，通過開展動靜軸結(jié)構(gòu)的有限元建模仿真分析和載荷分配驗證試驗，獲得了動靜軸結(jié)構(gòu)的實際載荷分配系數(shù)不低于95%的試驗數(shù)據(jù)，為下一步開展1∶1全尺寸的直升機(jī)傳動系統(tǒng)動靜旋翼軸的工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

（黃湘龍，中國航發(fā)動研所，工程師，主要從事直升機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計工作）