王清龍,劉正勝

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.中國人民解放軍32382部隊(duì)，北京 100072)

0 引言

彈性軸承是通過硫化粘接將橡膠和金屬隔片組成交替排列形式的一類結(jié)構(gòu)件。它不僅能滿足復(fù)雜工況下減振性能的要求，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單、無需潤滑、裝拆維修方便、使用壽命命長、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、公路橋梁、建筑等諸多領(lǐng)域[1]。最早的彈性軸承是20世紀(jì)70年代初由美國海軍航空兵司令部(Navy Air System Command)委托Lord Manufacturing公司為直升機(jī)旋翼系統(tǒng)研制生產(chǎn)的，隨后國內(nèi)外在彈性軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2-3]、橡膠材料對(duì)彈性軸承力學(xué)性能的影響等方面進(jìn)行了大量的研究[4]。

應(yīng)用于直升機(jī)旋翼的彈性軸承種類較多，有球面彈性軸承、扇形彈性軸承、平面彈性軸承、柱形彈性軸承、錐形彈性軸承等。目前國內(nèi)直升機(jī)主要采用星形柔性和球柔性兩種構(gòu)型旋翼[5]，分別為第二代、第三代旋翼，均采用球面彈性軸承實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振、變距功能。新型無鉸旋翼屬于第四代旋翼(圖1)，具有操縱功效高、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、重量輕、維護(hù)簡單、阻力低等優(yōu)點(diǎn)；與球柔性旋翼槳轂相比，其零件數(shù)量減少20%，重量減輕10%以上。柱形彈性軸承和錐形彈性軸承通常是配套使用在新型無鉸旋翼上，兩個(gè)彈性軸承共同構(gòu)成了槳轂的彈性變距鉸，是新型無鉸旋翼的兩個(gè)關(guān)鍵的元件。

圖1 新型無鉸模型旋翼結(jié)構(gòu)示意圖

本文針對(duì)應(yīng)用于新型無鉸模型旋翼的柱形彈性軸承和錐形彈性軸承，建立了一套較為完整和實(shí)用的剛度計(jì)算方法，利用理論計(jì)算、迭代設(shè)計(jì)的方法完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，完成了兩種彈性軸承金屬隔片制造，硫化模具設(shè)計(jì)及制造，硫化工藝方法摸索及確定，并最終完成了試驗(yàn)件制造；通過試驗(yàn)件的剛度試驗(yàn)驗(yàn)證了剛度計(jì)算方法的合理性。通過這一系列的工作，解決了由于模型旋翼槳轂尺寸小而帶來的柱形和錐形彈性軸承結(jié)構(gòu)布置及疊層設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)問題。

1 模型旋翼柱形彈性軸承設(shè)計(jì)

模型旋翼柱形彈性軸承由外筒、內(nèi)筒和金屬柱形隔片/橡膠疊層組成。這種軸承是由橡膠隔開的同心圓筒形隔片組成的，在徑向能夠通過橡膠的壓縮承受高載荷，同時(shí)能通過剪切承受扭轉(zhuǎn)/軸向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷。

1.1 建立剛度計(jì)算方法

基本假設(shè)：

1) 柱形彈性軸承受扭時(shí)，金屬隔片不變形，保持柱面，橡膠片亦保持柱面；

2) 柱形彈性軸承扭轉(zhuǎn)時(shí)，膠層的厚度和承載面積的變化甚微，可以忽略不計(jì)；

3) 橡膠的變形在彈性限度范圍內(nèi)，符合虎克定律；

4) 相對(duì)于柱形彈性軸承中心線半徑相同部位各膠層的剪應(yīng)力沿厚度各自均勻分布，同一膠層半徑相同的部位剪應(yīng)力相同；

5) 不考慮邊緣的應(yīng)力集中；

6) 彈性體均勻無空隙，各向同性[6]。

形狀系數(shù)：

形狀系數(shù)定義為橡膠層受壓面積與其自由膨脹面面積之比，形狀系數(shù)越大，橡膠層的承載能力越大。本次模型旋翼柱形彈性軸承采用天然橡膠，其典型壓縮模量與形狀系數(shù)之間存在著如圖2所示的曲線關(guān)系[7]。模型旋翼柱形彈性軸承彈性體結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

(1)

(2)

形狀系數(shù)的計(jì)算公式：

(3)

得知SF后，再通過圖2可查得壓縮模量。

每層橡膠層徑向剛度

(4)

則n層結(jié)構(gòu)總的徑向剛度

(5)

每層橡膠層的軸向剛度

(6)

則n層結(jié)構(gòu)總的軸向剛度

(7)

扭轉(zhuǎn)剛度

(8)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)模型旋翼的頻率配置和氣彈穩(wěn)定性相關(guān)限制等要求，柱形彈性軸承的徑向剛度不小于0.9×107N/m，扭轉(zhuǎn)剛度不大于1.3N·m/°。

柱形彈性軸承安裝在模型旋翼槳轂中央件開孔內(nèi)。根據(jù)該孔的初步尺寸給出柱形彈性軸承的第一輪結(jié)構(gòu)外形及相關(guān)尺寸?？紤]到柱形彈性軸承結(jié)構(gòu)尺寸小會(huì)給金屬隔片加工及橡膠硫化帶來不利影響，故采取等厚度金屬隔片和等厚度橡膠層設(shè)計(jì)，以便提高試驗(yàn)件加工質(zhì)量。根據(jù)上述要求及限制，初步擬定金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，利用剛度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，通過多次迭代計(jì)算及設(shè)計(jì)調(diào)整，確定柱形彈性軸承金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，最終確定柱形彈性軸承的外形尺寸并適當(dāng)調(diào)整模型旋翼槳轂中央件開孔尺寸。

設(shè)計(jì)選取的天然橡膠的靜態(tài)剪切彈性模量為G=0.64 MPa，柱形彈性軸承的設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果如下：

橡膠層數(shù)量為4，厚度均為1.4mm，高度分別為18.75mm、20.25mm、21.75mm、23.25mm；

（1）觀賞型飄窗：此類飄窗的設(shè)計(jì)特點(diǎn)概括為全部窗臺(tái)與地面接觸（全落地），在進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)可將飄窗改成臥榻的形式。

金屬隔片的數(shù)量為3，厚度均為0.8mm，高度分別為19.5mm、21mm、22.5mm；

根據(jù)公式(5)、(8)可計(jì)算出模型旋翼柱形彈性軸承的徑向剛度為1.1×107N/m ，扭轉(zhuǎn)剛度為1.0N·m/°。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果完成了10件模型旋翼柱形彈性軸承的制造，其實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 模型旋翼柱形彈性軸承實(shí)物圖

2 模型旋翼錐形彈性軸承設(shè)計(jì)

模型旋翼錐形彈性軸承由大接頭、小接頭和金屬錐形隔片/橡膠疊層組成，能夠同時(shí)承受軸向和徑向的高載荷，且能實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸向和徑向的載荷是由橡膠體的壓縮-剪切來承受，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷由橡膠體的剪切來承受。其軸向剛度和徑向剛度一般能達(dá)很高，但扭轉(zhuǎn)剛度卻相對(duì)較低[8]。

2.1 建立剛度計(jì)算方法

基本假設(shè)：

1) 錐形彈性軸承受扭時(shí)，金屬隔片不變形，保持錐面，橡膠片亦保持錐面；

2) 扭轉(zhuǎn)時(shí)膠層的厚度和承載面積的變化甚微，可以忽略不計(jì)；

3) 橡膠的變形在彈性限度范圍內(nèi)，符合虎克定律；

5) 不考慮邊緣的應(yīng)力集中；

6) 彈性體均勻無空隙，各向同性[6]。

形狀系數(shù)：

不同的彈性軸承，其形狀系數(shù)的計(jì)算公式是有區(qū)別的，但可選用與模型旋翼柱形彈性軸承相同的天然橡膠，故可用圖2所示的曲線查找壓縮模量與形狀系數(shù)之間的關(guān)系。錐形彈性軸承橡膠層結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 錐形彈性軸承橡膠層結(jié)構(gòu)簡圖

對(duì)于錐形彈性軸承，設(shè)定單層橡膠錐面長度為L，錐底半徑為RA，外徑為RB，錐度角為φ，厚度為tR，橡膠剪切模量為G。

其受壓面積LA=π(RA+RB)L

(9)

自由面面積BA=2π(RA+RB)tR

(10)

形狀系數(shù)的計(jì)算公式：

(11)

得知形狀系數(shù)SF后，再通過圖2可查得壓縮模量EC。

(12)

每層橡膠層面積LA=π(RA+RB)L

(13)

每層軸向剛度KAi=KCi(sinφ)2

(14)

則n層結(jié)構(gòu)總的軸向剛度

(15)

每層扭轉(zhuǎn)剛度

(16)

則n層結(jié)構(gòu)總的扭轉(zhuǎn)剛度

(17)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)模型旋翼的頻率配置和氣彈穩(wěn)定性相關(guān)限制等要求，錐形彈性軸承的軸向剛度不小于1.4×107N/m，扭轉(zhuǎn)剛度不大于0.55N·m/°。

錐形彈性軸承安裝在模型旋翼槳葉根部開孔內(nèi)。根據(jù)該孔的初步尺寸給出錐形彈性軸承的第一輪結(jié)構(gòu)外形及相關(guān)尺寸?？紤]到錐形彈性軸承結(jié)構(gòu)尺寸小，金屬隔片加工及橡膠硫化工藝實(shí)施困難，故采取等厚度金屬隔片和等厚度橡膠層設(shè)計(jì)，以便提高試驗(yàn)件加工質(zhì)量。根據(jù)上述要求及限制初步擬定金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，利用剛度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，通過多次迭代計(jì)算及設(shè)計(jì)調(diào)整，確定錐形彈性軸承金屬隔片和橡膠層的數(shù)量及幾何尺寸，最終確定錐形彈性軸承的外形尺寸并適當(dāng)調(diào)整模型旋翼槳葉根部開孔結(jié)構(gòu)及尺寸。

設(shè)計(jì)選取的天然橡膠的靜態(tài)剪切彈性模量為G=0.64 MPa，模型旋翼錐形彈性軸承的設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果如下：

橡膠層數(shù)量為12，厚度均為1.2mm，錐度角均為76°，錐面長度均為21.6mm。

金屬隔片的數(shù)量為11，厚度均為0.7mm，錐度角均為76°，錐面長度均為21.6mm。

根據(jù)公式(15)、(17)可計(jì)算出模型旋翼錐形彈性軸承的軸向剛度為1.72×107N/m，扭轉(zhuǎn)剛度為0.45N·m/°。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果完成了8件模型旋翼錐形彈性軸承的制造，其實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 模型旋翼錐形彈性軸承實(shí)物圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模型旋翼柱形彈性軸承試驗(yàn)

共完成10件模型旋翼柱形彈性軸承的徑向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度測試，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 模型旋翼柱形彈性軸承徑向剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值

圖8 模型旋翼柱形彈性軸承扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值

3.2 模型旋翼錐形彈性軸承試驗(yàn)

共完成8件模型旋翼錐形彈性軸承的軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度測試，測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 模型旋翼錐形彈性軸承軸向剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值

圖10 模型旋翼錐形彈性軸承扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值

4 設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

1) 由圖7、圖8可以看出，10件模型旋翼柱形彈性軸承徑向剛度試驗(yàn)值平均為1.01×107N/m，比計(jì)算值低8.2%；扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)值平均為1.06 N·m/°，比計(jì)算值高6.0%。

2) 由圖9、圖10可以看出，8件模型旋翼錐形彈性軸承軸向剛度試驗(yàn)值平均為1.82×107N/m，比計(jì)算剛度高5.8%；扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)值平均為0.42 N·m/°，比計(jì)算剛度低6.7%。

3) 模型旋翼柱形彈性軸承和錐形彈性軸承剛度計(jì)算值與試驗(yàn)值差異較小，說明了計(jì)算方法的合理性。計(jì)算值與試驗(yàn)值存在差異可能是由于金屬隔片的制造誤差以及橡膠層不均勻等原因造成的。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，可進(jìn)一步提高金屬隔片的制造精度及橡膠硫化過程中工藝的穩(wěn)定性以控制彈性軸承的制造質(zhì)量；或者在剛度計(jì)算過程中，考慮金屬隔片的制造精度和橡膠硫化過程中的工藝不穩(wěn)定性等實(shí)際因素，根據(jù)前期積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的修正，使計(jì)算結(jié)果更精確地反映彈性軸承的真實(shí)剛度。

5 結(jié)論

新型無鉸旋翼具有操縱功效高、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、重量輕、維護(hù)簡單、阻力低等優(yōu)點(diǎn)，屬于第四代旋翼。柱形彈性軸承和錐形彈性軸承是新型無鉸旋翼兩個(gè)關(guān)鍵的元件，對(duì)新型無鉸旋翼的整體性能有著重要的影響。通過對(duì)模型旋翼柱形彈性軸承和錐形彈性軸承的設(shè)計(jì)與分析研究，建立了一套較為完整和實(shí)用的模型旋翼柱形彈性軸承、錐形彈性軸承的設(shè)計(jì)與剛度計(jì)算分析方法，同時(shí)解決了由于模型旋翼槳轂尺寸小帶來的柱形和錐形彈性軸承結(jié)構(gòu)布置及疊層設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)問題，并積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，能為我國未來發(fā)展新型無鉸旋翼提供一定的技術(shù)支撐。