衛(wèi)大興

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引 言

國(guó)內(nèi)某直升機(jī)主旋翼離心上限動(dòng)器在旋翼檢查中發(fā)現(xiàn)損傷問(wèn)題，離心擺拆卸困難、損傷變形，離心限動(dòng)塊尖角部位有磕痕，上限動(dòng)塊上邊緣有擦傷。而離心上限動(dòng)器的功能為限制直升機(jī)主槳葉在突風(fēng)環(huán)境下的過(guò)度揮舞。因此，分析研究上限動(dòng)塊損傷出現(xiàn)的原因和機(jī)理并提出改進(jìn)措施，對(duì)促進(jìn)直升機(jī)技術(shù)發(fā)展，以及保障直升機(jī)的安全飛行具有重要意義。

筆者通過(guò)對(duì)離心限動(dòng)器結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行機(jī)理分析、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析，確定了離心限動(dòng)器結(jié)構(gòu)損傷原因及工況，制定了改進(jìn)措施并通過(guò)試飛使用驗(yàn)證，解決了離心限動(dòng)器結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題。

1 離心上限動(dòng)器說(shuō)明

直升機(jī)旋翼作為直升機(jī)的三大動(dòng)部件之一，一直為引導(dǎo)直升機(jī)發(fā)展、技術(shù)革新的主導(dǎo)技術(shù)。直升機(jī)旋翼由槳葉、槳轂以及自動(dòng)傾斜器等組成，按槳轂構(gòu)型不同可分為全鉸接式、半鉸接式以及無(wú)軸承等類別[1]。全鉸接式旋翼通過(guò)揮舞鉸、擺振鉸、變距鉸三鉸或三鉸合一的彈性軸承來(lái)是實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)。

其中揮舞運(yùn)動(dòng)主要為消除旋翼兩側(cè)升力的不平衡，控制直升機(jī)姿態(tài)。但槳葉的過(guò)度揮舞可能會(huì)造成槳葉甚至是槳轂的結(jié)構(gòu)損傷，影響飛行安全。直升機(jī)主旋翼系統(tǒng)通常采用離心上限動(dòng)器結(jié)構(gòu)來(lái)限制主槳葉向上過(guò)度揮舞,避免直升機(jī)在強(qiáng)風(fēng)條件下起動(dòng)和停車時(shí)主槳葉過(guò)度揮舞造成結(jié)構(gòu)損傷[2]。

主旋翼離心上限動(dòng)器包括離心擺、離心限動(dòng)塊彈簧、離心限動(dòng)塊、上限動(dòng)塊和固定限動(dòng)塊等零件，如圖1所示。當(dāng)旋翼停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速較低時(shí)，離心擺的離心力不足以克服離心限動(dòng)塊彈簧的拉力，上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊撞擊，限制槳葉向上揮舞，限動(dòng)角度較小。當(dāng)旋翼達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，離心擺的離心力克服離心限動(dòng)塊彈簧的拉力，離心擺帶動(dòng)離心限動(dòng)塊打開，上限動(dòng)塊與固定限動(dòng)塊撞擊，固定限動(dòng)塊起限動(dòng)作用，限制向上揮舞角度增大[3]。

圖1 離心上限動(dòng)器結(jié)構(gòu)組成

2 損傷情況說(shuō)明及機(jī)理分析

2.1 損傷情況說(shuō)明

某直升機(jī)在旋翼系統(tǒng)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)離心上限動(dòng)器存在損傷:一個(gè)離心擺拆卸困難，桿端存在輕微變形，對(duì)應(yīng)的離心限動(dòng)塊尖角部位有明顯的磕痕，揮舞支臂的上限動(dòng)塊上邊緣有明顯擦傷。損傷情況見圖2。

圖2 離心擺、離心限動(dòng)塊、上限動(dòng)塊損傷情況

2.2 機(jī)理分析

在正常工作模式下，離心限動(dòng)塊與揮舞支臂上限動(dòng)塊的撞擊點(diǎn)在上限動(dòng)塊平面內(nèi)，受力方向垂直于撞擊面，受力示意圖如圖3所示。由于離心擺與上限動(dòng)器支撐件之間的間隙大于離心限動(dòng)塊與上限動(dòng)器支撐件的間隙，撞擊力直接由離心限動(dòng)塊傳遞至上限動(dòng)器支撐件，此過(guò)程中離心擺不受力。

圖3 承受垂向撞擊力示意圖 圖4 承受彎矩力示意圖

陣風(fēng)較大時(shí)飛行，在離心擺打開、閉合過(guò)程中，突風(fēng)引起槳葉向上過(guò)度揮舞。若上限動(dòng)塊高度偏低，會(huì)使得上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊的撞擊點(diǎn)位于上限動(dòng)塊的上邊緣，不在上限動(dòng)塊平面內(nèi)。因此受力形式改變，如圖4所示。

上限動(dòng)塊的上表面邊緣撞擊離心限動(dòng)塊的下表面形成缺口，同時(shí)上限動(dòng)塊擠壓離心限動(dòng)塊的下表面，使得離心限動(dòng)塊承受向上的載荷分量，以彎矩的形式傳遞至離心擺下端，導(dǎo)致離心擺變形[4]。

通過(guò)對(duì)離心上限動(dòng)器進(jìn)行對(duì)比機(jī)理分析，初步判定損傷原因?yàn)樯舷迍?dòng)塊與離心限動(dòng)塊撞擊位置存在偏差。撞擊力以彎矩的形式傳遞至離心擺桿端，造成其變形損傷，無(wú)法正常拆卸。

同時(shí)非正常撞擊使得上限動(dòng)塊和離心限動(dòng)塊邊角存在磕傷。

2.3 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析

為進(jìn)一步證實(shí)離心上限動(dòng)器損傷原因，確定可能造成離心上限動(dòng)器損傷的飛行狀態(tài)。對(duì)地面停機(jī)、地面開車、空中飛行和地面關(guān)車四個(gè)狀態(tài)下的離心上限動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析。

(1)地面停機(jī)

在地面停機(jī)狀態(tài)，突風(fēng)導(dǎo)致槳葉向上揮舞至極限位置，上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊撞擊。撞擊位置如圖5所示。撞擊位置位于上限動(dòng)塊平面內(nèi)，不存在磕傷離心限動(dòng)塊尖角可能。同時(shí)撞擊力垂直作用于離心限動(dòng)塊，不存在向上傳遞的彎矩造成離心擺桿端變形。

圖5 地面停機(jī)狀態(tài)撞擊位 圖6 地面開車狀態(tài)撞擊位置

(2)地面開車

在地面開車狀態(tài)，旋翼轉(zhuǎn)速上升，離心擺離心力逐漸增大，帶動(dòng)離心限動(dòng)塊逐漸克服彈簧拉力，最終完全打開。在離心限動(dòng)塊打開過(guò)程中，若直升機(jī)遭遇突風(fēng)會(huì)導(dǎo)致槳葉向上過(guò)度揮舞，會(huì)使上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊發(fā)生撞擊。撞擊位置如圖6所示，可能會(huì)造成上限動(dòng)塊上邊緣與離心限動(dòng)塊邊角磕傷，同時(shí)離心限動(dòng)塊被擠壓，存在彎矩造成離心擺桿端變形。

(3)空中飛行

在空中飛行狀態(tài)，旋翼轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速，離心擺離心力完全克服彈簧拉力，離心限動(dòng)塊完全打開，不會(huì)和上限動(dòng)塊接觸。槳葉在揮舞極限并且伴隨突風(fēng)的情況下，會(huì)使得上限動(dòng)塊與固定限動(dòng)塊發(fā)生撞擊，撞擊位置如圖7所示。不存在離心限動(dòng)塊和離心擺損傷的可能。

圖7 空中飛行狀態(tài)撞擊位置 圖8 地面關(guān)車狀態(tài)撞擊位置

(4)地面關(guān)車

在地面關(guān)車狀態(tài)，旋翼轉(zhuǎn)速逐漸下降，離心擺離心力減小不足以克服彈簧的拉力，帶動(dòng)離心限動(dòng)塊逐漸關(guān)閉。在離心限動(dòng)塊關(guān)閉的過(guò)程中，遭遇突風(fēng)會(huì)導(dǎo)致槳葉向上過(guò)度揮舞，會(huì)使上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊發(fā)生撞擊。撞擊位置如圖8所示，可能會(huì)造成上限動(dòng)塊上邊緣與離心限動(dòng)塊邊角磕傷，同時(shí)離心限動(dòng)塊被擠壓，會(huì)存在彎矩造成離心擺桿端變形。

經(jīng)以上運(yùn)動(dòng)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，在直升機(jī)地面開車和關(guān)車狀態(tài)下，若遭遇突風(fēng)，槳葉向上過(guò)度揮舞，上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊撞擊。均可能出現(xiàn)上限動(dòng)塊上表面邊緣、離心限動(dòng)塊下表面損傷以及離心擺桿端變形的現(xiàn)象，損傷情況與實(shí)際一致。

3 改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

通過(guò)機(jī)理分析以及運(yùn)動(dòng)仿真協(xié)調(diào)分析，可以證實(shí)為上限動(dòng)塊與離心限動(dòng)塊撞擊位置存在偏差。在地面開車、關(guān)車狀態(tài)下，且直升機(jī)遭受突風(fēng)下，上限動(dòng)塊上邊緣可能與離心限動(dòng)塊邊角撞擊，同時(shí)造成離心擺桿端的受損變形。

為調(diào)整撞擊位置，可選擇增加上限動(dòng)塊高度或降低離心限動(dòng)塊安裝位置。從而增大撞擊接觸面積，保證撞擊點(diǎn)在上限動(dòng)塊平面內(nèi)，避免離心限動(dòng)塊承受向上的載荷分量從而導(dǎo)致離心擺受力變形。降低離心限動(dòng)塊安裝位置需改變上限動(dòng)器所有部件現(xiàn)有設(shè)計(jì)，更改量大、實(shí)施困難，而增加上限動(dòng)塊高度僅涉及上限動(dòng)塊單一零件，所以考慮改進(jìn)對(duì)旋翼系統(tǒng)乃至全機(jī)影響最小，最終改進(jìn)措施為增加上限動(dòng)塊高度。

具體上限動(dòng)塊改進(jìn)方法為：上限動(dòng)塊高度增大31%，寬度保持不變，頂端由圓弧邊更改為多邊形，整體面積增大了42%。改進(jìn)前后示意如圖9所示。

圖9 上限動(dòng)塊改進(jìn)前后對(duì)比圖

增加上限動(dòng)塊高度后，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真可確定在地面開車、關(guān)車狀態(tài)下，撞擊位置均在上限動(dòng)塊平面內(nèi)，避免了離心限動(dòng)塊的尖角損傷和離心擺的受力變形。改進(jìn)前后上限動(dòng)塊和離心限動(dòng)塊撞擊位置對(duì)比見圖10。同時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)后對(duì)槳葉的上揮限動(dòng)角度無(wú)影響。

圖10 改進(jìn)前后撞擊點(diǎn)位置對(duì)比圖

3.2 使用驗(yàn)證

改進(jìn)后的上限動(dòng)塊安裝在兩架機(jī)進(jìn)行飛行驗(yàn)證。飛行結(jié)束后拆卸上限動(dòng)器組件進(jìn)行了詳細(xì)檢查，離心擺未發(fā)現(xiàn)變形情況，離心限動(dòng)塊和上限動(dòng)塊的撞擊位置與預(yù)期一致，均在上限動(dòng)塊平面內(nèi)，驗(yàn)證有效。

4 結(jié) 論

文中針對(duì)上限動(dòng)器損傷問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真及機(jī)理分析，確定了損傷原因，制定了改進(jìn)措施，并通過(guò)了使用驗(yàn)證。

(1)損傷原因?yàn)橹鄙龣C(jī)飛行時(shí)遭遇突風(fēng)，離心擺在打開、閉合過(guò)程中，上限動(dòng)塊的上表面邊緣撞擊并擠壓離心限動(dòng)塊的下表面，使得離心限動(dòng)塊受向上的載荷分量，以彎矩的形式傳遞至離心擺下端，導(dǎo)致離心擺變形。

(2)采取改進(jìn)措施后的使用驗(yàn)證表明，增大上限動(dòng)塊高度后，有效改善撞擊位置，增大撞擊面積，保證了上限動(dòng)塊始終垂直撞擊于離心限動(dòng)塊。避免了離心限動(dòng)塊尖角損傷和離心擺的變形。