動靜軸結構的旋翼軸構型研究

■ 黃湘龍 尹鳳 王文凱 趙思波/中國航發動研所

動靜軸結構的旋翼軸是一種獨立單元體結構的新型旋翼軸構型，本文對自主設計的動靜軸結構開展了載荷分配系數關鍵特性研究，利用有限元軟件建模計算分析和開展多通道加載試驗驗證，動靜軸結構綜合載荷分配系數不低于95%，為動靜軸結構旋翼軸的工程應用提供了參考。

旋翼軸是驅動直升機旋翼轉動的關鍵零件。現有旋翼軸大多為單軸懸臂梁結構，受載復雜，質量和疲勞壽命難以滿足設計要求，同時旋翼軸暴露在機體外部，戰斗中被子彈擊中損壞的概率大。動靜軸結構的旋翼軸是一種獨立單元體結構的新型旋翼軸構型，如圖1所示，由一根裝在內部的動軸和一根裝在外部的靜軸組合而成。理想條件下，動軸傳遞扭矩，靜軸傳遞旋翼升力和彎矩，實現載荷分配傳遞，簡化了傳動鏈上零件的受載，降低了零件的設計難度，減輕質量并減少變形，使零件容易滿足疲勞壽命，提高了可靠性。另外，內部的動軸有了外部的靜軸保護，降低了戰斗中被損壞的概率，能有效提高旋翼軸抗彈擊性能。目前，“阿帕奇”直升機和西科斯基的先進旋翼傳動系統研究（ART）計劃的傳動系統方案中均采用了動靜軸結構的旋翼軸。

動靜軸結構介紹

在動靜軸結構中，靜軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與直升機機體平臺連接；動軸的上部與旋翼槳轂連接，下部與主減速器輸出軸連接。理論上，直升機旋翼系統產生的升力載荷不經過主減速器而直接傳遞至機身，主減速器主要承受旋翼系統產生的扭矩，旋翼系統產生的載荷在動靜軸組件中分開傳遞，使主減速器的受載情況得到簡化。動靜旋翼軸作為槳轂、主減速器和機身的動力連接樞紐[1]。實際工作中，靜軸（外軸）在承受旋翼升力載荷（拉力和彎矩）后，由于存在受載變形將導致部分升力載荷傳遞到動軸，使得載荷分離不徹底，易導致配合花鍵偏載、嚴重磨損及動軸疲勞壽命低等故障的發生。

圖1 動靜軸結構示意圖

筆者以國內一款直升機的主旋翼軸尺寸、轉速、限制載荷為參考對象（見表1），根據動靜軸結構原理，設計了一種動靜軸結構的旋翼軸。為了評估該結構中動軸和靜軸的載荷分配效果，開展了載荷分配效果的有限元建模仿真分析和多通道加載試驗驗證研究。

表1 主旋翼軸限制載荷

載荷分配效果的建模仿真分析

建立仿真分析模型

采用ANSYS Workbench[2]進行有限元前、后處理以及非線性接觸分析，建立了考慮真實模擬軸承剛度、花鍵接觸等邊界條件的動靜旋翼軸結構分析模型，如圖2所示。計算模型中的三維實體均采用10節點四面體單元進行網格劃分，共劃分979313個節點、566646個單元；上、下軸承采用彈簧單元進行模擬，彈簧的剛度（見表2）利用Romax Designer 14.5軟件[3]計算獲得軸承的剛度值；動軸上、下花鍵處采用摩擦系數為0.1的摩擦接觸，其余連接處采用綁定接觸。

計算載荷分配系數

通過仿真計算獲得了動靜軸結構分析模型當量應力和變形分布，如圖3和圖4所示。

表2 軸承剛度值

表3 動靜軸結構模型中支反力結果

圖2 動靜軸結構分析模型

圖3 靜軸當量應力分布（MPa）

圖4 綜合變形分布

在動靜軸結構分析模型中，提取約束位置的支反力和支反力矩，詳細結果如表3所示。

表3中Mx和My需要剔除由于剪切力產生的彎矩后再計算彎矩分配比例，如表4所示。

計算結果表明：由于剪切力與彎矩存在相互影響，若不考慮剪切力的影響，動靜旋翼軸結構中的彎矩（剪切力）主要由靜軸承受，約占總載荷的95%，動軸承受少部分殘余剪切力（彎矩）載荷，約占總載荷的5%；扭矩100%完全通過動軸傳遞，動軸承受了100%的扭矩；拉力主要通過靜軸傳遞，靜軸承受約97.5%的

表4 動靜軸結構模型中承載比

開展載荷分配驗證試驗研究

軸向力，動軸承受約2.5%的拉力；計算綜合載荷分配系數不小于95%。

零件加工完成后，進一步開展動靜軸結構載荷分配試驗，來驗證仿真分析結果的準確性，試驗在驗收合格并且處于正常工作狀態具有多通道加載功能的專用結構試驗器上進行，如圖5所示，通過對動軸和靜軸粘貼應變片，對試驗件采用8通道手動加載試驗方法[4]（由F1～F4實現軸向力FZ、MX和MY施加，由F5實現剪切力FX的施加，由F6實現剪切力FY的施加，由等大反向的F7、F8合成實現扭矩MZ的施加），按表1中的試驗載荷（因試驗件為縮比件，加載載荷取表1的1/8）進行加載，加載試驗如圖6所示。

表5 動靜軸結構載荷分配驗證試驗結果

圖5 載荷分配驗證試驗加載方案

圖6 載荷分配驗證試驗現場照片

分析試驗后動軸與靜軸的應變數據，得到試驗結果如表5所示。

通過本輪載荷分配試驗，可初步獲得試驗件載荷分布規律如下：

● 試驗件的剪切力主要由靜軸承受，占總載荷的95.5%～97.3%，動軸承受少部分殘余剪切力載荷，占總載荷的2.7%～4.5%，剪切力載荷分配系數在95.5%以上；

● 試驗件的拉力（軸向力）主要由靜軸承受，占總載荷的95.1%～98.2%,動軸承受少部分殘余剪切力（軸向力）載荷，占總載荷的1.8%～4.9%，彎矩載荷分配系數在95.1%以上，考慮實際運轉情況下花鍵連接處有潤滑油或潤滑脂，摩擦系數更低。因此，實際工況下動靜軸的軸向力載荷分配系數將比試驗結果更高；

● 試驗件的彎矩主要由靜軸承受，占總載荷的97.1%～99.8%，動軸承受少部分殘余彎矩載荷，占總載荷的0.2%～2.9%，剪切力載荷分配系數在97.1%以上；

● 試驗件的扭矩幾乎完全由動軸承受，扭矩載荷分配系數在99.5%以上；

● 綜合前述結果，試驗件綜合載荷分配系數為95.1%（取各項載荷分配系數的最小值）。

結束語

結合國內一款直升機主旋翼軸的尺寸參數和限制載荷，本文設計了一種動靜軸結構的新型旋翼軸構型，通過開展動靜軸結構的有限元建模仿真分析和載荷分配驗證試驗，獲得了動靜軸結構的實際載荷分配系數不低于95%的試驗數據，為下一步開展1∶1全尺寸的直升機傳動系統動靜旋翼軸的工程應用打下了基礎。

（黃湘龍，中國航發動研所，工程師，主要從事直升機傳動系統設計工作）