■ 王俊 張濤 孫炫琪 劉李 傅旦 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

直升機(jī)主減速器一旦進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其主要轉(zhuǎn)動(dòng)零件的工作溫度便會(huì)急劇升高，可能引發(fā)災(zāi)難性事故，迫切需要一套成熟的方法對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

傳動(dòng)系統(tǒng)（見圖1）是直升機(jī)的三大關(guān)鍵動(dòng)部件之一，也是極易受損的部件之一，直接影響到直升機(jī)的生存能力。當(dāng)潤(rùn)滑系統(tǒng)不能正常供油時(shí)，整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)處于干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)齒輪表面溫度會(huì)急劇升高，進(jìn)入劇烈黏著磨損階段，輪齒溫度急劇升高后齒輪的材料強(qiáng)度會(huì)下降，同時(shí)會(huì)使齒輪摩擦副基體材料本身所受的應(yīng)力提高，加速齒輪表面損傷和破壞，使減速器在短時(shí)間內(nèi)遭到嚴(yán)重破壞，以致失去傳動(dòng)旋翼的功能，導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，提升減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，成為現(xiàn)代直升機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，開展直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等技術(shù)研究成為一個(gè)重要課題[1]。

圖1 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀

目前，許多國(guó)家和機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力開展了大量且系統(tǒng)的研究工作。鐵姆肯（Timken）公司研制了多種含油粉末冶金材料制造圓錐滾子軸承的保持架來改善其軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)工作能力。斯凱孚（SKF）公司對(duì)在貧油或邊界油膜區(qū)工作條件下的直升機(jī)主減速器單列球軸承和行星齒輪雙列圓柱滾子軸承失效開展了大量試驗(yàn)研究。卡門（Karman）公司通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)減速器及發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)的大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合理增大齒輪側(cè)隙，采用熱強(qiáng)度較高的材料加工齒輪，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)急潤(rùn)滑油箱，可將傳動(dòng)系統(tǒng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力提高到30min。

現(xiàn)有不少機(jī)型都采用了不同的應(yīng)急潤(rùn)滑措施。例如，AH-64阿帕奇直升機(jī)減速器高速齒輪的內(nèi)孔中設(shè)置了油芯，在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)借助離心力作用通過齒輪軸上的孔對(duì)齒輪和軸承提供一定程度的潤(rùn)滑；“海豚”直升機(jī)主減速器設(shè)置了應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)。

目前，米-17、AB139以及UH-60“黑鷹”等直升機(jī)主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力均不小于30min，EH101直升機(jī)主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力甚至達(dá)到了45min以上。由于提高傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力技術(shù)難度大，同時(shí)相關(guān)技術(shù)嚴(yán)格封鎖，因此解決傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力問題只能自主設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。

影響主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的主要因素

中國(guó)民用航空規(guī)章第29部（CCAR-29-R1）第29.927條（C）款潤(rùn)滑系統(tǒng)失效試驗(yàn)A類要求規(guī)定，直升機(jī)減速器應(yīng)具備30 min干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。影響主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的薄弱環(huán)節(jié)主要為齒輪、軸承、滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)件（如行星級(jí)墊片）等部件以及潤(rùn)滑油性能和整機(jī)工作性能。

齒輪、軸承對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響

干運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，減速器的齒輪、軸承等零件局部溫度高達(dá)500℃，因此其溫度場(chǎng)熱強(qiáng)度很大程度上影響了減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。尤其是減速器高速、重載的軸承和齒輪，由于載荷大、轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱多，在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下往往最早發(fā)生破壞。從直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)輸入小齒輪滾子軸承的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線（見圖2）可知，進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)后軸承溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致軸承在較短時(shí)間內(nèi)失效。

滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)件對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響

減速器中滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)是干運(yùn)轉(zhuǎn)薄弱環(huán)節(jié)之一，在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑不良而導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦部件損壞等故障。例如，作為典型滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)件的主減速器行星級(jí)下墊片，在使用過程中就曾出現(xiàn)由于潤(rùn)滑不良而發(fā)生粘連、斷裂以致主減速器卡滯的故障。

由于耐磨層材料具有自潤(rùn)滑能力，在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下磨損小、溫升慢，選用耐磨固體自潤(rùn)滑材料，可大幅度提高滑動(dòng)摩擦構(gòu)件的壽命、可靠性及干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

潤(rùn)滑油性能對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響

潤(rùn)滑油的蒸發(fā)率對(duì)減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)工作性能影響較大。在高溫工作條件下，潤(rùn)滑油容易蒸發(fā)，對(duì)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)不利。例如，MIL-L-7808標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑油的蒸發(fā)率比MIL-L-23699標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑油高許多（見圖3），采用MIL-L-23699標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑油可顯著延長(zhǎng)工作時(shí)間。因此，進(jìn)行潤(rùn)滑油性能對(duì)比研究和選擇合適的潤(rùn)滑油，在一定程度上可以延長(zhǎng)減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

行星系固定齒圈對(duì)干運(yùn)轉(zhuǎn)性能的影響

行星傳動(dòng)是主減速器在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下另一個(gè)容易出現(xiàn)故障的部位。由于齒輪滑動(dòng)速度高、離心力大，從而發(fā)熱量大、溫度高，在無潤(rùn)滑和冷卻時(shí)易造成損壞。圖4給出了直升機(jī)主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)固定齒圈溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。

減速器進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)時(shí)，輪齒接觸面因轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生高溫膨脹導(dǎo)致齒面膠合，齒隙消除會(huì)使齒輪副發(fā)生干涉，故合理設(shè)計(jì)輪齒側(cè)隙可提高減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。由于主減速器行星系固定齒圈一般尺寸較大，熱處理變形難以控制，因此采用合理的熱處理工藝和齒面硬度能提高固定齒圈的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

提高主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的途徑

提高齒輪的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力

在減速器構(gòu)型和結(jié)構(gòu)不進(jìn)行大改動(dòng)情況下，從工藝上采取措施來提升減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，具體可通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：提高齒輪材料的強(qiáng)度和硬度；提高齒輪的加工精度并且采用齒面、齒向的修形技術(shù)；降低齒輪副間的摩擦系數(shù)。

離子注入法[2]對(duì)金屬有固溶、位錯(cuò)、晶界以及彌散強(qiáng)化等作用，能夠改善金屬零件表面的硬度，減少摩擦系數(shù)，促進(jìn)金屬零件的抗磨損能力，因此可通過離子注入技術(shù)確定金屬零件合適的工藝加工參數(shù)達(dá)到提高輪齒干運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。對(duì)35Cr2Ni4MoA齒輪鋼進(jìn)行離子注入后，分別測(cè)量了8個(gè)有效試樣的硬度值（見表1）。結(jié)果表明：離子注入后，35Cr2Ni4MoA齒輪鋼試樣表面硬度均有顯著提高。

圖2 軸承溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖 3 滑油的蒸發(fā)率

圖 4 固定齒圈溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

提高軸承的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力

減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，軸承滾動(dòng)體以及保持架極易出現(xiàn)損壞。滾動(dòng)軸承游隙因熱膨脹而喪失，出現(xiàn)軸承抱軸、滾動(dòng)軸承保持架（如青銅保持架、尼龍保持架）因高溫而陷落甚至熔化、滾動(dòng)軸承滾道燒傷或剝落、滾子回火等現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承不能正常工作。因此，通過選取合適的軸承材料、合理的軸承參數(shù)以及先進(jìn)的軸承加工工藝方法，能夠大大改善軸承耐受干運(yùn)轉(zhuǎn)高溫特性，使減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力顯著提高。例如，保持架選用M-50鋼同時(shí)鍍銀使軸承能長(zhǎng)期在430℃溫度場(chǎng)下正常工作。

表1 試樣的顯微硬度結(jié)果[2]

表2 改性層的耐磨壽命[2]

提高滑動(dòng)摩擦構(gòu)件干運(yùn)轉(zhuǎn)能力

主減速器行星級(jí)下墊片和滑動(dòng)軸承是典型的滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)件，提高其干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，不僅能解決型號(hào)取證的迫切需要，更可為直升機(jī)其他滑動(dòng)摩擦結(jié)構(gòu)干運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)提供參考。通過選用合適材料以及合理的結(jié)構(gòu)，提高零件表面的自潤(rùn)滑能力，減小表面的摩擦系數(shù)，是提高滑動(dòng)摩擦件干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的主要途徑。

試驗(yàn)表明，以納米WS2作為核心潤(rùn)滑組元，以石墨、MoS2作為輔助協(xié)作潤(rùn)滑組元，以Ni、Sn等作為合金強(qiáng)化元素，采用粉末冶金燒結(jié)技術(shù)結(jié)合其他工藝制備整體式、雙金屬、三層復(fù)合結(jié)構(gòu)等材料，可以明顯提高滑動(dòng)摩擦構(gòu)件整體力學(xué)性能和減摩、耐磨性能。

采用離子注入和自潤(rùn)滑膜的表面改性相結(jié)合的工藝措施

離子注入和自潤(rùn)滑膜結(jié)合的表面改性方案有以下優(yōu)點(diǎn)：離子注入對(duì)基材的強(qiáng)化，可以提高基材的硬度，降低沉積在基材上固體潤(rùn)滑薄膜的摩擦系數(shù)，提高耐磨性能；離子注入可降低基材的摩擦系數(shù)，提高耐磨性能。因此，即使在高速運(yùn)轉(zhuǎn)階段，自潤(rùn)滑膜被完全磨損掉了，由于齒輪齒面已經(jīng)被強(qiáng)化，也能在一定的程度上提高齒輪的抗膠合能力。

采用35Cr2Ni4MoA齒輪鋼試樣進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果（見表2），表明膜層的耐磨壽命受基材硬度的影響，在35Cr2Ni4MoA試樣上注入N+Ti元素后，該試樣上沉積的膜層的耐磨壽命最長(zhǎng)。因?yàn)樵谀Σ吝^程中，承受載荷的主要是基材，基材的硬度越大，膜層的耐磨壽命越長(zhǎng)。

由以上試驗(yàn)結(jié)果分析顯示：通過離子注入和自潤(rùn)滑復(fù)合薄膜改性層，可有效提高齒輪鋼的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

設(shè)計(jì)輔助潤(rùn)滑系統(tǒng)

在減速器設(shè)計(jì)中，通?？紤]添加輔助潤(rùn)滑油系統(tǒng)或設(shè)計(jì)油兜結(jié)構(gòu)，來解決直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)抗干運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到傳動(dòng)系統(tǒng)處于潤(rùn)滑油貧油或邊界油膜區(qū)工作時(shí),輔助潤(rùn)滑系統(tǒng)便提供潤(rùn)滑油起到潤(rùn)滑傳動(dòng)系統(tǒng)的作用，達(dá)到使減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。貝爾公司通過采用應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)，將直升機(jī)減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)間提高到4h?？ㄩT公司通過采取高熱強(qiáng)度齒輪鋼，合理增大輪齒設(shè)計(jì)側(cè)隙以及提供應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)等技術(shù)手段，使減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力提高至30min[3]。

采用油霧潤(rùn)滑技術(shù)

油霧潤(rùn)滑是將霧化為小液體顆粒的潤(rùn)滑油連續(xù)輸送到金屬零件表面并形成潤(rùn)滑油膜的工程技術(shù)。油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)具有潤(rùn)滑耗油量少和降低金屬零件表面溫度的作用，在應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)中使用，可以有效提高減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

結(jié)束語

影響減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的因素較多，通常減速器中某一構(gòu)件干運(yùn)轉(zhuǎn)能力低，可能會(huì)影響整個(gè)減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)找準(zhǔn)干運(yùn)轉(zhuǎn)薄弱環(huán)節(jié)，并設(shè)法消除。同時(shí)，采用自潤(rùn)滑材料可以顯著提高摩擦構(gòu)件的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。