唐鈺婧，孟俊杰，夏富春

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引 言

花鍵聯(lián)接因具有導(dǎo)向性及對(duì)中性好、受力勻稱、多鍵齒接觸承載能力大、齒根應(yīng)力集中較小等優(yōu)點(diǎn)，在直升機(jī)減速器及液壓泵、交流電機(jī)等附件中得到廣泛應(yīng)用。由于直升機(jī)減速器與附件中多為浮動(dòng)花鍵，其軸向竄動(dòng)和偏心較大，潤(rùn)滑不充分，磨損顆粒易堆積，使得齒面磨損嚴(yán)重[1]。在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)型號(hào)研制及在役機(jī)型中因浮動(dòng)花鍵過(guò)度磨損導(dǎo)致零部件提前失效的問(wèn)題已發(fā)生多起，是制約直升機(jī)減速器壽命和可靠性提高的關(guān)鍵技術(shù)之一。

增加花鍵的耐磨性可通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：更換材料、改善表面處理工序、改善潤(rùn)滑條件、減少偏心量和浮動(dòng)量以及減小載荷等[2]。但對(duì)于直升機(jī)減速器浮動(dòng)花鍵，存在一定的限制：直升機(jī)減速器大量采用一體化設(shè)計(jì)，其花鍵的材料性能改善還需兼顧到齒輪等材料性能的影響，因此在花鍵材料的更換方面受到一定限制；直升機(jī)傳動(dòng)軸系在裝配過(guò)程中對(duì)于偏心的控制已經(jīng)非常嚴(yán)格，尾傳動(dòng)軸系的角度偏差一般控制在6分以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提升勢(shì)必會(huì)帶來(lái)安裝調(diào)整以及外場(chǎng)維護(hù)的工作量，因此在偏心控制方面提升有限；花鍵浮動(dòng)主要由于尾梁變形、軸系工況的影響所導(dǎo)致，針對(duì)花鍵本身難以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；所以直升機(jī)減速器花鍵耐磨性改善主要應(yīng)該通過(guò)改善潤(rùn)滑條件和表面處理工序來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

筆者建立直升機(jī)尾傳輸出浮動(dòng)花鍵模型，計(jì)算不同摩擦系數(shù)下浮動(dòng)花鍵副的齒面接觸應(yīng)力及齒面相對(duì)滑動(dòng)速度，從而得出不同潤(rùn)滑條件和表面處理工藝下浮動(dòng)花鍵副磨損情況，證明不同潤(rùn)滑條件和表面處理工藝對(duì)花鍵磨損有較大影響。

1 模型建立

本章建立了由連接主減部分、花鍵、尾傳軸、連接尾減部分以及膜片聯(lián)軸器等組成的浮動(dòng)花鍵副分析仿真模型，基于漸開(kāi)線浮動(dòng)花鍵副仿真分析模型，計(jì)算不同表面處理的浮動(dòng)花鍵副齒面接觸應(yīng)力以及齒面相對(duì)滑動(dòng)速度。

1.1 Archard磨損模型

Archard磨損模型是現(xiàn)在研究磨損計(jì)算量最常用的損耗計(jì)算模型，并由著名學(xué)者Archard在20世紀(jì)50年代提出，該模型最主要的應(yīng)用在于計(jì)算黏著磨損。模型的基本思路是利用屈服應(yīng)力和滑移的距離來(lái)表述試驗(yàn)件的體積磨損量，達(dá)到計(jì)算表面磨損體積的目的[4-5]。Archard磨損計(jì)算公式如下：

(1)

式中：V1是材料的表面磨損量；L是相對(duì)滑移長(zhǎng)度；N是法相接觸面壓力；K是無(wú)量綱單位。此模型給出了磨損量和相對(duì)滑移距離、載荷和材料的硬度的線性關(guān)系，磨損量隨著施加載荷和滑移量的增大而增大，與材料的硬度成反比。而相比于磨損體積，我們往往更想得到花鍵齒面的磨損深度，對(duì)式(1)各變量進(jìn)行如下等效變換：

(2)

(3)

N=PA

(4)

(5)

(6)

由式(6)可知，花鍵副的磨損深度與花鍵嚙合面的相對(duì)速度以及接觸應(yīng)力正相關(guān)。

1.2 仿真模型

為更真實(shí)的對(duì)直升機(jī)主減速器尾傳輸出浮動(dòng)花鍵開(kāi)展仿真分析，建立尾傳系統(tǒng)整體仿真模型，整體模型主要由主減部分、花鍵、尾減部分以及膜片聯(lián)軸器等組成，如圖1所示。

圖1 尾傳系統(tǒng)模型

將上述尾傳系統(tǒng)網(wǎng)格模型在有限元前處理軟件ANSYS中進(jìn)行有限元邊界條件的施加及設(shè)置，其中主減部分輸入轉(zhuǎn)速為313.16 rad/s；尾減部分轉(zhuǎn)矩為76.6 N·m,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示，對(duì)各軸承外圈進(jìn)行固定約束，最后得到尾傳系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖2 加載曲線

圖3 尾傳系統(tǒng)仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

采用已經(jīng)建立的尾傳系統(tǒng)仿真分析模型，計(jì)算不同潤(rùn)滑方式下浮動(dòng)花鍵副的齒面接觸應(yīng)力及齒面相對(duì)滑動(dòng)速度。

材料在干摩擦和充分油潤(rùn)滑條件下的抗磨特性相差極大，潤(rùn)滑油可在兩摩擦接觸表面生成一層油膜，油膜的產(chǎn)生可以避免摩擦副的直接接觸，也可以有效的降低接觸表面的磨損，因此探究不同潤(rùn)滑條件下花鍵副齒面磨損具有十分重要的意義[6]?；ㄦI副鍵齒的接觸屬于非線性問(wèn)題[7]，本節(jié)通過(guò)有限元仿真技術(shù)，將花鍵齒之間的接觸類型設(shè)置為面-面接觸模式，通過(guò)改變內(nèi)外花鍵副接觸齒面的動(dòng)摩擦因數(shù)來(lái)模擬不同潤(rùn)滑條件，動(dòng)摩擦因數(shù)越小說(shuō)明花鍵副所處花鍵潤(rùn)滑條件好摩擦力小[8]。此次研究三組不同摩擦因數(shù)下花鍵副齒面應(yīng)力的變化規(guī)律，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 花鍵副摩擦因數(shù)變化表(花鍵偏心值0°)

(1)摩擦因數(shù)0.01花鍵副受力分析

對(duì)花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦因數(shù)為0.01(偏心值0°)的花鍵仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出該因素下花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

提取花鍵副齒面最大接觸應(yīng)力的曲線及花鍵副齒面相對(duì)滑動(dòng)速度曲線，通過(guò)仿真分析可以得到，該花鍵模型在內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.01時(shí)，花鍵副齒面平均接觸應(yīng)力達(dá)到72 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對(duì)滑動(dòng)速度最大約為1.89 m/s。

圖4 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

(2)摩擦因數(shù)0.1花鍵副受力分析

對(duì)花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦系數(shù)為0.1(偏心值0°)的花鍵模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

提取花鍵副齒面接觸應(yīng)力最大位置處的接觸應(yīng)力曲線及齒面相對(duì)滑動(dòng)速度曲線，通過(guò)仿真分析可以得到，內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，花鍵副齒面間的平均接觸應(yīng)力達(dá)到92 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對(duì)滑動(dòng)速度最大約為1.54 m/s。

(3)摩擦因數(shù)0.5花鍵副受力分析

對(duì)花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦系數(shù)為0.5(偏心值0°)的花鍵模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖6所示，可以看出花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

提取花鍵副齒面接觸應(yīng)力最大位置處的接觸應(yīng)力曲線及齒面相對(duì)滑動(dòng)速度曲線，通過(guò)仿真分析可以得到，內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.5時(shí)，花鍵副齒面接觸應(yīng)力達(dá)到109 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對(duì)滑動(dòng)速度最大約為1.36 m/s。

通過(guò)對(duì)不同潤(rùn)滑條件下(摩擦因數(shù)不同)的花鍵副進(jìn)行仿真分析，可以得到不同摩擦因數(shù)下，花鍵齒面應(yīng)力分布較均勻，且隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增大，花鍵副接觸面間的摩擦力增大，齒面平均接觸應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大，花鍵副齒面相對(duì)滑動(dòng)速度隨著摩擦因數(shù)的增大而減小。但相對(duì)于齒面相對(duì)滑動(dòng)速度減小的速度，齒面接觸應(yīng)力增大的速度更大。根據(jù)磨損深度計(jì)算公式可知，隨著潤(rùn)滑條件逐漸變差，花鍵副齒面間的磨損將逐漸加劇。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)有限元仿真的方法研究了不同潤(rùn)滑方式及表面處理對(duì)直升機(jī)減速器花鍵副磨損的影響，仿真分析結(jié)果表明：不同摩擦因數(shù)下花鍵齒面應(yīng)力分布較均勻，且隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增大，花鍵副接觸面間的摩擦力增大，齒面平均接觸應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大，花鍵副齒面相對(duì)滑動(dòng)速度隨著摩擦因數(shù)的增大而減小。但相對(duì)于齒面相對(duì)滑動(dòng)速度減小的速度，齒面接觸應(yīng)力增大的速度更大。根據(jù)磨損深度計(jì)算公式可知，隨著潤(rùn)滑條件逐漸變差，花鍵副齒面間的磨損將逐漸加劇。研究結(jié)果表明，可以通過(guò)改善潤(rùn)滑條件以及提高表面處理的方法提高直升機(jī)減速器浮動(dòng)花鍵副的抗磨損能力。