陳金，張川

(中國航發(fā)湖南動力機械研究所、直升機傳動技術(shù)重點實驗室，湖南 株洲 412002）

海上用直升機長期服役于惡劣的海洋氣候環(huán)境中，高溫、潮濕、鹽霧、太陽輻射和各種霉菌對直升機設(shè)備的侵蝕破壞將影響設(shè)備的使用可靠性和服役壽命。要實現(xiàn)全天候和可靠的穩(wěn)定工作，必然要求直升機具有適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的能力。為此防濕熱、防鹽霧和防霉菌的“三防”設(shè)計成為海用直升機研制過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)某型直升機的中減設(shè)計技術(shù)要求，“三防”適應(yīng)性設(shè)計按照以下原則開展：

（1）盡量通過增加可靠防護涂層、裝配件整體涂漆滿足海洋環(huán)境的“三防”要求；

（2）對海洋環(huán)境敏感、增加防護層仍難以滿足海洋環(huán)境的“三防”要求的，可以更換材料的方式。

除選材設(shè)計、鍍涂設(shè)計外，“三防”結(jié)構(gòu)設(shè)計也是“三防”設(shè)計的方法之一，且是“三防”設(shè)計的基礎(chǔ)。本文即針對某型傳動系統(tǒng)中減機匣結(jié)構(gòu)不利于“三防”要求的問題，在保證其接口控制不變的前提下，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計。

1 機匣結(jié)構(gòu)分析

某型中減位于直升機尾梁與尾斜梁的交匯處，通過一對螺旋錐齒輪在尾水平傳動軸和尾傳斜軸之間傳遞功率并進(jìn)行減速和換向。輸入法蘭盤與尾水平傳動軸相連，輸出法蘭盤與尾傳斜軸相連。減速器機匣采用鑄鎂合金，其中主機匣設(shè)有四條安裝腿，每條安裝腿由一個螺栓安裝凸臺和三塊筋板組成，分別通過螺栓與直升機尾梁相連，如圖1所示。目前，主機匣安裝腿結(jié)構(gòu)主要存在以下幾個問題：

（1）裝配工藝性。如圖1所示，安裝凸臺三側(cè)均設(shè)有筋板，只留一側(cè)用于安裝和拆卸。該結(jié)構(gòu)在安裝和拆卸過程中，極易因工裝活動空間狹窄導(dǎo)致碰傷和劃痕。腐蝕往往是從表面開始的，表面的碰傷和劃痕等表面完整性的破壞，在高溫、潮濕和鹽霧的工作環(huán)境中，很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂，加速腐蝕疲勞斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前失效。

圖1 主機匣安裝腿結(jié)構(gòu)

（2）凹槽結(jié)構(gòu)。金屬材料在特定的介質(zhì)環(huán)境中，承受拉應(yīng)力經(jīng)過一定時間后發(fā)生裂紋及斷裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。在腐蝕介質(zhì)中，有時即使在腐蝕性極弱的介質(zhì)中，在遠(yuǎn)低于材料屈服極限的應(yīng)力下，金屬也會引起脆性斷裂。

安裝腿為機匣的承重部位，結(jié)構(gòu)形狀和尺寸變化大導(dǎo)致其為高應(yīng)力集中區(qū)；同時，安裝凸臺、筋板和薄壁結(jié)構(gòu)使安裝腿形成一個凹槽結(jié)構(gòu)，在潮濕和鹽霧的工作環(huán)境中，極易集聚腐蝕性介質(zhì)。應(yīng)力集中和腐蝕介質(zhì)集聚使得機匣發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的概率大大提高。

（3）縫隙。如圖2所示，螺栓與螺栓襯套、螺栓襯套與凸臺配合面之間易形成縫隙，當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲透到這些縫隙時，會造成腐蝕介質(zhì)的濃縮和酸度、電位的變化，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的概率。

圖2 安裝腿裝配

2 機匣改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)上面的分析，針對目前減速器機匣結(jié)構(gòu)可能不適應(yīng)于艦載直升機工作環(huán)境的問題，對減速器主機匣安裝腿進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計：安裝腿采用柱體結(jié)構(gòu)，外徑為Φ32mm，采用螺樁與機身安裝平臺連接；螺樁孔采用螺紋MJ10x1.5，螺紋深30mm，見圖3。

圖3 安裝腿柱體結(jié)構(gòu)

將每條安裝腿分別布置三塊筋板的結(jié)構(gòu)更改安裝腿之間相連接的筋板結(jié)構(gòu)，筋板厚度由8mm減小為6mm；同時安裝腿與機匣簿壁結(jié)構(gòu)通過斜筋板、大圓角圓滑過渡，避免形成凹槽結(jié)構(gòu)。如圖4所示為方案1。方案2為在方案1基礎(chǔ)上增加加強筋，連接安裝腿和機匣薄壁結(jié)構(gòu)，厚度為6mm，如圖5所示。

圖4 方案1

圖5 方案2

通過三維稱重估算，方案1中減機匣比改進(jìn)前減重0.265kg，方案2中減機匣比改進(jìn)前減重0.182kg。

3 強度分析

3.1 有限元分析

在懸?；剞D(zhuǎn)工況下，采用設(shè)計要求的限制載荷分別對方案1和方案2減速器機匣進(jìn)行有限元強度計算，具體見表1。

表1 有限元計算結(jié)果

3.2 強度校核

根據(jù)4.1有限元分析結(jié)果可知，方案1在安裝腿與薄壁結(jié)構(gòu)過渡處存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為211MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出機匣強度極限，不符合設(shè)計要求；方案2中的加強筋消除了該過渡處的應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)為機匣最大當(dāng)量，應(yīng)力為77.4MPa，比改進(jìn)前降低1%，最大主應(yīng)力為78.0MPa，比改進(jìn)前降低10%。采用最大當(dāng)量應(yīng)力對限制載荷作用下方案2中減機匣靜強度進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表2。

由表2可知，方案2中減機匣屈服安全系數(shù)和極限安全系數(shù)均高于改進(jìn)前中減機匣，滿足靜強度設(shè)計要求。根據(jù)某型傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度設(shè)計準(zhǔn)則，采用疲勞載荷作用下的最大主應(yīng)力對方案2中減機匣進(jìn)行疲勞強度校核，中減機匣高周疲勞強度滿足設(shè)計準(zhǔn)則要求，具有無限壽命，低周疲勞壽命具備3594h。

表2 機匣靜強度校核對比

4 結(jié)語

“三防”設(shè)計對海上用直升機的重要性不言而喻，除鍍涂防護和合理的選材外，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能大大地提高機匣的抗腐蝕性能，而不良的結(jié)構(gòu)形式是一種先天性缺陷，很難在以后彌補。機匣設(shè)計過程中，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的鑄造和加工的工藝性，還應(yīng)保證其便于安裝、拆卸，避免安裝、拆卸過程中產(chǎn)生碰傷和額外的裝配應(yīng)力，保證外表結(jié)構(gòu)鍍涂的工藝性，同時避免凹槽、盲孔、縫隙、孔隙、尖角，應(yīng)使腐蝕性介質(zhì)不滯留和聚焦。