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

0.引言

自動(dòng)傾斜器是指在直升機(jī)中改變旋翼傾斜方向和槳葉傾角的專用裝置。直升機(jī)駕駛員可以通過自動(dòng)傾斜器將操縱指令從不旋轉(zhuǎn)的機(jī)身傳遞到旋轉(zhuǎn)的槳葉，拉動(dòng)槳葉周期性的改變槳距，使旋翼旋轉(zhuǎn)平面發(fā)生傾斜，從而使直升機(jī)沿著旋翼拉力水平分量的方向飛行，達(dá)到控制直升機(jī)飛行方向的目的[1]。防扭臂組件是直升機(jī)自動(dòng)傾斜器中一個(gè)不可或缺的關(guān)鍵部件，防扭臂組件兩端分別連接不動(dòng)環(huán)和主減速器殼體以防止不動(dòng)環(huán)隨動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。直升機(jī)在不同的周期操縱情況下，防扭臂組件中的方形臂和三角臂、方形臂和支座之間會(huì)存在高速的周期性擺動(dòng)。與此同時(shí)，防扭臂組件在工作中還要承受來自變距拉桿沿動(dòng)環(huán)或阻力器沿不動(dòng)環(huán)的周向不平衡力。因此，防扭臂組件疲勞壽命的長短將直接影響自動(dòng)傾斜器的使用壽命和直升機(jī)的飛行性能。本文從試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)加載方式、疲勞壽命評(píng)估等方面對(duì)直升機(jī)自動(dòng)傾斜器防扭臂組件疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了闡述。

1.防扭臂組件結(jié)構(gòu)及安裝加載方式

1.1 防扭臂組件結(jié)構(gòu)

防扭臂組件主要由三角臂和方形臂構(gòu)成。三角臂與方形臂、方形臂與試驗(yàn)安裝支座均通過防扭臂螺栓、WC墊圈和WC直襯套等零部件相連。防扭臂螺栓安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，WC墊圈和WC直襯套分別置于防扭臂螺栓兩側(cè)穿入方形臂。在試驗(yàn)過程中保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm。

圖1 防扭臂螺栓安裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 防扭臂組件安裝加載方式

按疲勞鑒定試驗(yàn)要求對(duì)直升機(jī)防扭臂組件進(jìn)行安裝和邊界條件模擬。防扭臂組件安裝在自行設(shè)計(jì)的配套裝置上，同實(shí)際裝機(jī)情況一致。防扭臂方形臂和支架連接的一端與方形臂安裝支座相連，防扭臂三角臂的一端與載荷加載機(jī)構(gòu)連接。在試驗(yàn)過程中，防扭臂組件的方形臂和三角臂的夾角要保持在117.3°，試驗(yàn)安裝如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，通過載荷加載機(jī)構(gòu)對(duì)防扭臂組件施加一個(gè)與旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同的載荷，試驗(yàn)過程中采用正弦波波形加載。

圖2 防扭臂組件試驗(yàn)安裝示意圖

2.試驗(yàn)問題分析與解決方案

2.1 試驗(yàn)問題分析

從多次的自動(dòng)傾斜器防扭臂組件疲勞試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙經(jīng)常出現(xiàn)異常，即不符合“試驗(yàn)過程中保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm”的試驗(yàn)安裝要求。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常的原因有很多。比如當(dāng)防扭臂螺栓的擰緊力矩丟失時(shí)，防扭臂螺栓發(fā)生松動(dòng)而使WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙增大，大于試驗(yàn)要求的0.3mm～1mm，這會(huì)導(dǎo)致防扭臂螺栓在試驗(yàn)過程中的“竄動(dòng)”幅度變大，使得防扭臂螺栓的受力與真實(shí)裝機(jī)狀態(tài)不符，可能引起防扭臂螺栓的提前失效。試驗(yàn)過程中，WC直襯套比較容易發(fā)生磨損或者破裂現(xiàn)象，這也會(huì)導(dǎo)致防扭臂螺栓與方形臂凸肩襯套的工作狀態(tài)發(fā)生變化，使WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙減小，加快了防扭臂螺栓光桿部位的磨損速度，在螺栓的光桿部位形成了一個(gè)個(gè)小臺(tái)階，導(dǎo)致防扭臂螺栓不能沿著其軸線方向正常的游隙，發(fā)生“卡滯”現(xiàn)象。三角臂在疲勞試驗(yàn)過程中持續(xù)受到沿X方向的切向載荷F的作用，如果WC墊圈與方形臂凸肩襯套間的間隙過小，無法平衡方形臂所受到的切向力，將會(huì)導(dǎo)致防扭臂螺栓的兩端受到額外的彎矩作用[2]。在周而復(fù)始的額外彎矩作用下，防扭臂螺栓的疲勞壽命將會(huì)受到較大影響。此外，方形臂凸肩襯套的脫膠或破裂也是造成試驗(yàn)過程中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常的常見原因?？偠灾琖C墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常將會(huì)導(dǎo)致防扭臂螺栓與方形臂間的工作狀態(tài)發(fā)生改變，不僅對(duì)防扭臂螺栓造成損傷，異常的工作狀態(tài)有時(shí)也會(huì)對(duì)三角臂和方形臂產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致三角臂和方形臂的提前破壞。每當(dāng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)WC直襯套磨損嚴(yán)重或破裂、方形臂凸肩襯套脫膠等情況時(shí)，試驗(yàn)件都需要進(jìn)行返廠修理。不僅大大延長了試驗(yàn)周期，有時(shí)甚至?xí)?duì)三角臂、方形臂等重要部件造成不可逆的損傷，使其疲勞壽命降低，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致防扭臂組件疲勞壽命不合格，影響該組件的批產(chǎn)交付工作。因此尋求合適的解決方案減少或避免這類情況的發(fā)生顯得尤為重要。

2.2 解決方案

針對(duì)上述對(duì)試驗(yàn)中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常問題的分析，可以從以下兩方面解決問題。

（1）載荷波形監(jiān)控工作間隙是否異常。試驗(yàn)過程中需保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm，有時(shí)卻難以確認(rèn)工作狀態(tài)下的防扭臂組件間隙是否異常，因此利用載荷波形監(jiān)控試驗(yàn)成為了一種選擇。在疲勞試驗(yàn)過程中，利用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，通過命令指令和反饋指令實(shí)時(shí)監(jiān)控施加在防扭臂組件上的載荷大小。當(dāng)WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙正常時(shí)，在采集的載荷波形圖中，反饋指令在過零點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)“小臺(tái)階”，如圖3所示。這是因?yàn)榉琅け勐菟ㄔ谑艿嚼瓑狠d荷，沿軸線方向正常游隙的過程中，防扭臂組件所受載荷為0，使得反饋指令在零點(diǎn)附近滯后于命令指令，從而在零點(diǎn)附近形成“小臺(tái)階”形狀的波形。WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙過大或者過小，都會(huì)導(dǎo)致“小臺(tái)階”形狀變大或者變小。因此我們可以在試驗(yàn)過程中，通過觀察“小臺(tái)階”的變化判斷防扭臂組件的工作狀態(tài)是否異常。當(dāng)發(fā)現(xiàn)間隙異常時(shí)，及時(shí)通過更換WC直襯套、防扭臂螺栓等方法避免防扭臂組件非正常工作狀態(tài)下對(duì)三角臂、方形臂等造成進(jìn)一步損傷。

圖3 防扭臂疲勞試驗(yàn)正常載荷波形圖

（2）定期更換WC直襯套及相關(guān)配套裝置。試驗(yàn)過程中WC直襯套容易發(fā)生磨損或者碎裂，導(dǎo)致WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙減小，防扭臂組件工作狀態(tài)異常。因此在試驗(yàn)周期中，定期更換WC直襯套可以有效解決這一問題。相比于返廠檢修，更換WC直襯套大大縮短了試驗(yàn)周期和防扭臂組件不必要的損傷。此外，由于WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間間隙的存在，防扭臂螺栓在試驗(yàn)過程中會(huì)有一定程度的“竄動(dòng)”，導(dǎo)致WC直襯套不斷撞擊方形臂安裝支座的端面，在端面上形成凹坑，如圖4所示。凹坑使得防扭臂螺栓不能沿著其軸線方向正常的游隙，發(fā)生“卡滯”現(xiàn)象，引起防扭臂螺栓與方形臂凸肩襯套的工作狀態(tài)發(fā)生變化。所以定期更換試驗(yàn)中的相關(guān)配套裝置也尤為重要。

圖4 試驗(yàn)前后方形臂支座端面照片

3.壽命評(píng)估分析

自動(dòng)傾斜器防扭臂組件批產(chǎn)抽檢試驗(yàn)完成1件有效件，試驗(yàn)件在完成第一級(jí)載荷50萬次后，進(jìn)行載荷升級(jí)，并在第二級(jí)載荷進(jìn)行至6萬多次時(shí)，由于方形臂破壞，試驗(yàn)終止。根據(jù)批產(chǎn)抽檢疲勞試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算各部件平均疲勞極限，見表1。

表1 自動(dòng)傾斜器防扭臂組件疲勞極限

小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的抽樣檢驗(yàn)判斷時(shí)，取統(tǒng)計(jì)變量：

式中：S∞0、σ為原產(chǎn)品疲勞極限對(duì)數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；S∞m、n為抽樣件疲勞極限對(duì)數(shù)平均值和抽樣件數(shù)。

假設(shè)統(tǒng)計(jì)變量U服從正態(tài)分布，因此對(duì)應(yīng)于顯著性水平α1=5%的警告線和α2=0.2%的不合格線的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量分別為UH=Uα1=-1.65和UL=Uα2=-2.90，即當(dāng)U＞UH時(shí)，說明產(chǎn)品合格，當(dāng)U＜UL時(shí)，則產(chǎn)品不合格，而當(dāng)UL＜U＜UH時(shí)，產(chǎn)品的合格性受到懷疑，應(yīng)查找原因，并增加抽檢數(shù)量，再重新進(jìn)行計(jì)算、判斷，直到得出合格或不合格的結(jié)論為止。

由直升機(jī)自動(dòng)傾斜器防扭臂組件疲勞壽命評(píng)定，可知鑒定試驗(yàn)中自動(dòng)傾斜器防扭臂組件的平均疲勞極限S∞0與標(biāo)準(zhǔn)差σ，抽檢試驗(yàn)件的平均疲勞極限S∞m取自表1，n取1，按照式（1）計(jì)算得到此批產(chǎn)抽檢疲勞試驗(yàn)的U值，見表2。

表2 自動(dòng)傾斜器防扭臂組件抽檢結(jié)果

計(jì)算得到此批產(chǎn)抽檢疲勞試驗(yàn)的各危險(xiǎn)部位U值均大于警告界限，該批產(chǎn)品抽檢樣件合格。

4.結(jié)語

本文介紹了防扭臂組件疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。并就試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的防扭臂組件狀態(tài)異常的問題進(jìn)行了探討分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。將文中所述的方案運(yùn)用到實(shí)際中，大大縮短了試驗(yàn)周期，為試驗(yàn)件批產(chǎn)交付工作提供了有力的保障。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與統(tǒng)計(jì)原理，得出該防扭臂組件合格的結(jié)論。