自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)件破壞問(wèn)題探究與分析

包 名，李清蓉，熊 欣

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

自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)件破壞問(wèn)題探究與分析

包 名，李清蓉，熊 欣

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

總結(jié)了某型直升機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)中試驗(yàn)件工作狀態(tài)異常引起的試驗(yàn)件疲勞性能降低、試驗(yàn)件提前破壞等問(wèn)題。基于疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，包括試驗(yàn)安裝測(cè)量、試驗(yàn)加載方法、測(cè)量設(shè)備加載誤差控制等方面，探究和分析了試驗(yàn)中試驗(yàn)件的關(guān)鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案。最后，將上述解決方案應(yīng)用到幾件扭力臂試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)中，得到了令人滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果，為某型直升機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂后續(xù)的抽檢試驗(yàn)及該型機(jī)的批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術(shù)保障。

直升機(jī)；自動(dòng)傾斜器扭力臂；試驗(yàn)件破壞

0 引言

在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)中，自動(dòng)傾斜器是將經(jīng)直升機(jī)飛行操縱系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的駕駛員或自動(dòng)駕駛儀的指令轉(zhuǎn)換為旋翼槳葉受控運(yùn)動(dòng)的一種裝置。由于旋翼是旋轉(zhuǎn)的，駕駛員可通過(guò)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，從而使槳葉的槳距發(fā)生周期性變化，槳葉的旋轉(zhuǎn)平面會(huì)向所需方向傾斜，最終達(dá)到控制直升機(jī)橫向和縱向飛行[1]。而自動(dòng)傾斜器扭力臂正是安裝在旋翼軸上用于保證旋轉(zhuǎn)環(huán)與槳葉一起同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)槳葉變距的一種不可或缺的裝置。扭力臂疲勞壽命的長(zhǎng)短，勢(shì)必影響著自動(dòng)傾斜器的使用壽命，從而影響著整個(gè)直升機(jī)的飛行性能[2]。因此，研究自動(dòng)傾斜器扭力臂的疲勞性能與破壞模式就顯得尤為重要。

本文主要針對(duì)某型機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)中試驗(yàn)件工作狀態(tài)異常引起的試驗(yàn)件疲勞性能降低、試驗(yàn)件提前破壞等問(wèn)題進(jìn)行探究和分析，并基于疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，包括試驗(yàn)安裝測(cè)量、試驗(yàn)加載方法、測(cè)量設(shè)備加載誤差控制等方面，分析了試驗(yàn)中試驗(yàn)件關(guān)鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案。最后，將提出的解決方案應(yīng)用到后面的試驗(yàn)中，取得了令人滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果，為某型機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂的后續(xù)抽檢試驗(yàn)及后續(xù)直升機(jī)批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)及安裝加載方法

1.1扭力臂試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，扭力臂試驗(yàn)件主要由卡環(huán)、方形臂、三角臂、扭力臂螺栓等部件組成。其中，卡環(huán)通過(guò)兩根扭力臂螺栓(圖中1#螺栓、2#螺栓)、碳化鎢直襯套以及碳化鎢墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件與兩側(cè)的方形臂相連；卡環(huán)兩側(cè)的方形臂與三角臂也是通過(guò)扭力臂螺栓(圖中3#螺栓、4#螺栓)、碳化鎢直襯套以及碳化鎢墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件連接。

如圖2所示，扭力臂螺栓將卡環(huán)與方形臂連接，碳化鎢直襯套栓套在螺栓兩端，安裝時(shí)需要保證碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的實(shí)際測(cè)量間隙在0.3mm到1mm之間。

1.2試驗(yàn)件安裝及加載方法

1.2.1 試驗(yàn)件安裝

試驗(yàn)前，需要按照實(shí)際裝機(jī)技術(shù)要求，將扭力臂試驗(yàn)件固定在主軸假件(試驗(yàn)夾具)上，扭力臂盒形件通過(guò)螺栓與卡環(huán)連接，扭力臂和旋轉(zhuǎn)環(huán)連接點(diǎn)為加載點(diǎn)。安裝時(shí)需要保證扭力臂盒形件和水平成20°角，扭力臂盒形件和叉形件成98°。試驗(yàn)件安裝示意圖如圖3所示。

1.2.2 試驗(yàn)件加載方法

試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)對(duì)扭力臂試驗(yàn)件施加一對(duì)與旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反的載荷，即載荷方向沿X軸方向加載，兩個(gè)作動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加的載荷方向保證180°相位差，加載形式如圖4所示[3]，試驗(yàn)采用正弦波波形加載。

2 試驗(yàn)問(wèn)題分析及解決方案

2.1試驗(yàn)問(wèn)題描述

從數(shù)件扭力臂試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，扭力臂方形臂與卡環(huán)連接端的碳化鎢直襯套比較容易碎裂，扭力臂螺栓會(huì)頻繁破壞，方形臂凸肩襯套會(huì)在試驗(yàn)中發(fā)生脫膠或破壞，如圖5、圖6所示，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)卡環(huán)襯套松脫、方形臂或三角臂提前破壞等現(xiàn)象。方形臂凸肩襯套的脫膠或破壞、卡環(huán)襯套松脫都會(huì)使扭力臂試驗(yàn)件返廠檢修，延長(zhǎng)試驗(yàn)周期，影響試驗(yàn)進(jìn)度。同時(shí)，扭力臂螺栓的頻繁破壞和方形臂或三角臂的提前破壞，會(huì)使扭力臂螺栓、方形臂、三角臂等重要部件的疲勞性能降低或抽檢壽命不合格，嚴(yán)重影響著某型機(jī)的批產(chǎn)交付工作。

2.2試驗(yàn)問(wèn)題分析及探究

探究上述問(wèn)題不難發(fā)現(xiàn)，碳化鎢直襯套破壞后，正是由于方形臂與卡環(huán)連接端的實(shí)際工作狀態(tài)發(fā)生了改變，導(dǎo)致碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙發(fā)生變化，不滿(mǎn)足0.3mm到1mm之間的安裝技術(shù)要求。或因?yàn)榕ちΡ勐菟ㄉ湘i緊螺母擰緊力矩的丟失造成螺栓松動(dòng)而使碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙增大；或因?yàn)樘蓟u直襯套的破壞，使扭力臂螺栓與方形臂之間的配合出現(xiàn)了局部“階段性別死”狀態(tài)，此時(shí)碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙會(huì)減小。這兩種情況都會(huì)使卡環(huán)扭力臂螺栓在試驗(yàn)中發(fā)生非正常斷裂而提前破壞。

碳化鎢直襯套破壞后，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙值變小，而由于三角臂不斷受到來(lái)自作動(dòng)器的切向載荷作用，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間幾乎沒(méi)有間隙來(lái)平衡調(diào)整方形臂的切向受力，這就會(huì)使方形臂與扭力臂螺栓之間出現(xiàn)局部“階段性別死”現(xiàn)象。由于方形臂與卡環(huán)之間是通過(guò)扭力臂螺栓來(lái)完成鎖緊連接的，因此會(huì)有一個(gè)附加彎矩通過(guò)方形臂傳遞給扭力臂螺栓。扭力臂疲勞試驗(yàn)施加的是周期性過(guò)零載荷，持續(xù)往復(fù)的“非常態(tài)”周期性彎矩作用在扭力臂螺栓上，必然會(huì)使其斷裂破壞。扭力臂螺栓與方形臂之間的非正常相互作用會(huì)使方形臂凸肩襯套脫膠或碎裂，有時(shí)甚至?xí)鹂ōh(huán)襯套松脫。碳化鎢直襯套破壞后的非正常試驗(yàn)狀態(tài)，有時(shí)也會(huì)對(duì)方形臂或三角臂造成一定影響，導(dǎo)致其提前破壞。

從以往扭力臂疲勞試驗(yàn)來(lái)看，此類(lèi)情況的發(fā)生，時(shí)常會(huì)引起試驗(yàn)件的返廠檢修，延長(zhǎng)試驗(yàn)周期，甚至?xí)?dǎo)致試驗(yàn)件抽檢壽命不合格等問(wèn)題的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響著某型機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞抽檢試驗(yàn)及該型機(jī)的批產(chǎn)交付工作。因此，尋求合適的解決辦法來(lái)避免或緩解此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，已成為當(dāng)務(wù)之急。

2.3解決方案

從上述分析來(lái)看，可以從載荷波形預(yù)判檢查、測(cè)量設(shè)備加載誤差調(diào)整、碳化鎢直襯套的定期更換以及試驗(yàn)安裝的定期檢查(包括試驗(yàn)件安裝力矩的施加、傳感器的自重影響調(diào)整以及試驗(yàn)件定期間隙測(cè)量檢查)等幾個(gè)方面來(lái)解決上述問(wèn)題。

2.3.1 載荷波形“預(yù)判”檢查與測(cè)量設(shè)備加載誤差調(diào)整

試驗(yàn)時(shí)，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)主要采用命令與反饋方式來(lái)施加試驗(yàn)載荷，即施加一個(gè)理論命令，輸出一個(gè)與理論值誤差不超過(guò)3%的實(shí)際試驗(yàn)載荷。如圖7所示，試驗(yàn)初期載荷波形比較穩(wěn)定，命令值與反饋值吻合較好。但隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，卡環(huán)及方形臂連接端碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙變大，試驗(yàn)載荷波形也會(huì)發(fā)生比較明顯的變化。如圖8所示，一側(cè)扭力臂載荷命令值與反饋值在零值處出現(xiàn)“臺(tái)階”，這主要是由于卡環(huán)與方形臂連接端碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙變大，造成了載荷換向時(shí)三角臂桿端與關(guān)節(jié)軸承間的大接觸間隙。此時(shí)就需要檢查扭力臂螺栓的擰緊力矩是否丟失、三角臂端部螺栓是否松動(dòng)等。如圖9所示，扭力臂一側(cè)試驗(yàn)反饋載荷出現(xiàn)“毛刺”，其原因或是由于扭力臂螺栓與方形臂之間的局部“別死”狀態(tài)，致使試驗(yàn)中扭力臂螺栓承受較大彎矩而發(fā)生破壞；或是由于扭力臂螺栓力矩丟失，使扭力臂螺栓松動(dòng)處于自由狀態(tài)，碳化鎢墊圈與方形臂凸肩襯套之間的工作間隙變大，致使扭力臂螺栓非正常工作而發(fā)生破壞。此時(shí)需要拆卸試驗(yàn)件更換扭力臂螺栓，以免對(duì)方形臂或三角臂造成進(jìn)一步破壞。

因此，當(dāng)出現(xiàn)圖8、圖9所示的異常波形時(shí)，即可做出“預(yù)判”，暫停試驗(yàn)并檢查測(cè)量卡環(huán)與方形臂連接端碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的間隙，更換碳化鎢直襯套，補(bǔ)充扭力臂螺栓擰緊力矩，必要時(shí)還需要更換扭力臂螺栓，以便后續(xù)試驗(yàn)的正常進(jìn)行。另外，需要特別說(shuō)明的是，試驗(yàn)時(shí)載荷命令值與反饋值有時(shí)會(huì)在試驗(yàn)中吻合得不好，加載誤差超出了允許范圍，引起加載狀態(tài)的異常，這就需要通過(guò)控制系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)載荷進(jìn)行不斷調(diào)整校正，保證施加的載荷在誤差允許范圍內(nèi)并且滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2.3.2 碳化鎢直襯套的定期更換

從圖5與圖6可以看出，卡環(huán)連接端碳化鎢直襯套的破壞頻率，直接影響著扭力臂螺栓的疲勞性能及方形臂凸肩襯套的脫膠或破壞周期，決定著試驗(yàn)件的返修次數(shù)，進(jìn)而影響著整個(gè)扭力臂試驗(yàn)的進(jìn)度。碳化鎢直襯套的破壞、碎裂會(huì)造成扭力臂連接螺栓的磨損甚至提前斷裂；而某些時(shí)候方形臂或三角臂等試驗(yàn)件的提前破壞也與早期扭力臂螺栓、碳化鎢直襯套的失效有關(guān)。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)卡環(huán)連接端的碳化鎢直襯套進(jìn)行定期更換，加強(qiáng)對(duì)卡環(huán)連接端方形臂上的碳化鎢凸肩襯套檢查，就顯得尤為重要和關(guān)鍵。

2.3.3 試驗(yàn)安裝的定期檢查

試驗(yàn)前，確保扭力臂螺栓施加的擰緊力矩要在技術(shù)要求范圍內(nèi)，過(guò)大的力矩會(huì)使碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的安裝間隙過(guò)小。試驗(yàn)中螺母松脫會(huì)使扭力臂螺栓力矩丟失，使碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的工作間隙不符合技術(shù)要求，從而影響試驗(yàn)效果。因此，試驗(yàn)中要定期檢查扭力臂螺栓安裝力矩，測(cè)量碳化鎢墊圈與凸肩襯套之間的間隙，確保其值在要求范圍內(nèi)。此外，還需注意的是，載荷傳感器的接線(xiàn)端頭自重往往在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生彎矩，使加載接頭上的關(guān)節(jié)軸承與三角臂桿端根部之間緊密接觸產(chǎn)生“磨痕”，影響三角臂試驗(yàn)件的疲勞性能。這就需要在試驗(yàn)前的安裝工作中，消除傳感器接線(xiàn)端頭的自重影響，即將端頭定位在豎直向下的方向，消除其自重對(duì)三角臂試驗(yàn)件帶來(lái)的負(fù)面影響。

將上述解決方案應(yīng)用到后續(xù)幾件試驗(yàn)件的試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出由于定期檢查了碳化鎢凸肩襯套與墊圈之間的工作間隙，并采取了定期更換碳化鎢直襯套等措施，試驗(yàn)件長(zhǎng)期處于正常的試驗(yàn)工作狀態(tài)，從而減小了扭力臂螺栓的破壞頻次，增強(qiáng)了其疲勞性能。同時(shí)，也減少了方形臂凸肩襯套因脫膠或破壞所引起的返廠檢修次數(shù)，縮短了試驗(yàn)周期，提高了試驗(yàn)效率。方形臂和三角臂等試驗(yàn)件的疲勞壽命也得到相應(yīng)提高，沒(méi)有出現(xiàn)提前破壞的情況，整體試驗(yàn)效果令人滿(mǎn)意。

表1 實(shí)施解決方案后的試驗(yàn)中的試驗(yàn)件破壞情況[4]

3 結(jié)論及展望

1) 本文總結(jié)了某型直升機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)中試驗(yàn)件工作狀態(tài)異常引起的試驗(yàn)件疲勞性能降低、試驗(yàn)件提前破壞等一些問(wèn)題；

2) 基于試驗(yàn)安裝測(cè)量、試驗(yàn)加載方法、測(cè)量系統(tǒng)誤差控制等幾個(gè)方面，分析了試驗(yàn)中試驗(yàn)件的關(guān)鍵部位工作狀態(tài)異常的可能原因，并提出了幾種解決方案；

3) 將上述解決方案應(yīng)用到后續(xù)試驗(yàn)件的疲勞試驗(yàn)中，得到了令人滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果，為某型機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂的后續(xù)抽檢試驗(yàn)及該型機(jī)的批產(chǎn)交付工作提供了有利的技術(shù)保障；

4) 對(duì)今后自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)的工作思路，提出個(gè)人展望：鑒于碳化鎢直襯套易破壞，可以考慮借鑒其它型號(hào)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，在外形尺寸不變的前提下使用鋼制襯套代替碳化鎢直襯套，看能否增強(qiáng)試驗(yàn)的連續(xù)性并提高試驗(yàn)件的疲勞性能；同時(shí)在方形臂凸肩襯套及三角臂桿端根部等關(guān)鍵部位采用涂銀漆監(jiān)測(cè)裂紋等手段，及時(shí)跟蹤發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件關(guān)鍵部位的破壞情況，以免影響試驗(yàn)件的后續(xù)試驗(yàn)考核，給整個(gè)試驗(yàn)帶來(lái)不利影響。

[1] 蔣新桐.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，第19冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[2] 穆志韜，曾本銀，等.直升機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3] 鄧 文.某型武裝直升機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂疲勞試驗(yàn)報(bào)告[Z].景德鎮(zhèn)：中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2010.

[4] 包 名.某型武裝直升機(jī)自動(dòng)傾斜器扭力臂-卡環(huán)組件批產(chǎn)抽檢疲勞試驗(yàn)報(bào)告[Z].景德鎮(zhèn)：中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2016.

ExplorationandAnalysisonDestoryofFatigueTestPartsfromRotatingScissorsAssemblyofHelicopter

BAO Ming, LI Qingrong, XIONG Xin

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

Firstly, problems such as specimens` decrease of their fatigue performance as well as their premature failure, which were caused by abnormal condition of test parts were described in the test of rotating scissors. Then, based on several expects, such as test installation measurement, test loading method, and error control of measuring system, explored and analyzed the possible reasons, and put forward several solutions. Finally, applied above solutions to the fatigue test of the rotating scissors, in which some satisfactory results were obtained, and provided favorable technical support for subsequent test and this model helicopter`s delivery of production.

helicopter；rotating scissors；destroy of test parts

2016-12-16

包 名(1982-)，男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士，工程師，主要研究方向：疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)。

1673-1220(2017)04-058-05

V216.3

A