直升機尾槳傳動軸衡態準直原理分析

邵航軍

摘要：以貝爾206BIII型直升機尾槳傳動系統為研究對象，對尾槳傳動軸的衡態準直原理進行分析，闡述其線位移和角位移的補償原理，并給出相關維護建議以及操縱使用要求。結果表明，文中給出的尾槳傳動軸衡態準直使用及維護措施，有效保證了其傳動效率，極大提高了尾槳傳動系統的安全性與可靠性，可為同類型直升機尾槳傳動軸的深度維修/翻修檢查工作提供參考。

關鍵詞：傳動軸;衡態準直;托馬斯盤;晶粒方向;分度平面

0 引言

尾槳傳動軸是直升機發動機功率輸出軸與尾槳齒輪箱之間的動力傳遞裝置。發動機功率輸出軸通過尾槳傳動軸將功率傳遞至尾槳齒輪箱，尾槳齒輪箱的輸出經過減速、改變傳動方向和增加輸出扭矩傳遞至尾槳，保障尾槳正常工作，以抵抗主旋翼產生的扭矩，將直升機的飛行姿態與航向控制在一個可接受的水平。因此，尾槳傳動軸是直升機動力傳動系統的關鍵部附件之一。

由于尾槳傳動軸在機身結構的站位跨度較大，涉及部附件較多，轉速高以及在工作環境中需要克服各種不同的交變載荷，因此，尾槳傳動軸在工作狀態必須保持較高的衡態準直標準。尾槳傳動軸衡態準直狀況直接體現其性能與可靠性，直接影響直升機的性能與可靠性，甚至飛行安全。因此，針對直升機尾槳傳動軸衡態準直原理進行分析非常必要。

本文以貝爾206BIII型直升機為例，對尾槳傳動軸進行衡態準直原理分析，以期為同類別、同系列直升機尾槳傳動軸的深度維修/翻修檢查工作提供參考。

1 尾槳傳動軸軸心偏離的危害

尾槳傳動軸由鋼質前短軸、鋼質后短軸、鋁合金后短軸、鋁合金節段式傳動軸、套齒轉接頭、懸掛軸承、軸承支架、托馬斯盤（鋼質層疊柔性聯軸盤）、過載銷等組成，如圖1所示。

直升機在飛行過程中的質量不平衡與氣流擾動將施加在高速旋轉的尾槳傳動軸上，產生較大的振動載荷，其效應呈數倍甚至數十倍疊加，具有極大的危害性，嚴重影響飛行安全。貝爾206BIII型直升機的尾傳動軸轉速為6016rpm，假定由于質量不平衡（或顛簸氣流效應）出現1g質量偏離，距軸心3cm的偏心度，按離心力計算公式F = m×r×ω2，其中，F為離心力，m為偏離軸心的質量，r為距軸心的距離，ω為轉軸角速度，則離心力F=11.89kg。表明距軸心r處，1g質量所產生的離心力足以導致尾槳傳動軸軸心偏離，尤其是在遭遇顛簸氣流時，r值將繼續增加，離心力F被急劇“增益”放大，導致振動值也急劇增加，這對于高速旋轉的尾槳傳動系統極具破壞性，可能導致尾槳傳動系統的結構性損傷。

2 衡態準直原理

為保證尾槳傳動軸軸心準直，貝爾206BIII型直升機在尾槳傳動系統中運用了角位移和線位移的方式來衰減或消除因動部件質量不平衡、直升機遭遇顛簸氣流以及各方位振動而引發的傳動軸偏心度過大的交變載荷。

2.1 線位移的實現

尾傳動軸的線位移主要由套齒轉接頭、懸掛軸承及其支架組件來完成。在鋼質前短軸和鋼質后短軸的兩端以及與尾槳齒輪箱連接端都安裝有套齒轉接頭。每一個套齒轉接頭與一個托馬斯盤組合成傳動軸的套齒轉接頭連接組件，這個套齒轉接頭連接組件可以沿傳動軸的花鍵齒做軸向滑移，從而實現傳動軸的線位移，如圖2所示。

從鋁合金后短軸開始，每一根節段短軸的兩端都安裝有懸掛軸承組件（軸承與軸承環），其軸承支架內留有設計軸向滑移間隙，如圖3所示，支架內留存的間隙為懸掛軸承組件在其支架內沿軸向的線位移提供保障。

傳動軸、套齒轉接頭連接組件以及懸掛軸承組件與其他零部件組合成一個完整的尾傳動軸，并借助套齒轉接頭連接組件以及懸掛軸承組件實現傳動軸的軸向整體線位移。

2.2 角位移的實現

尾傳動軸的角位移主要是通過托馬斯盤組件來完成。托馬斯盤即鋼質層疊柔性聯軸器。所有傳動軸（包括鋼質短軸、鋁合金短軸以及鋁合金節段式短軸）的連接都是以托馬斯盤為連接介質進行的兩兩連接，連接后的托馬斯盤作為傳動軸的一個部件隨尾槳傳動軸轉動。

托馬斯盤由數片托馬斯鋼片疊加組合而成，每一片托馬斯片均為熱軋型鋼片，主要是因為熱軋型鋼的自由扭轉剛度比冷軋型鋼高，熱軋型鋼的抗扭性能優于冷軋型鋼，并且在熱軋成型時，托馬斯片的金屬晶粒方向是設定的，即晶粒方向沿熱軋碾制的方向延伸。為識別出成品托馬斯片的晶粒方向，在每一片托馬斯鋼片的180?對應邊界加工出兩個分度平面，該分度平面的方向與晶粒方向一致。托馬斯鋼片具有一定的柔韌性，但這種柔韌性只能以晶粒方向為轉軸彎曲方向而表現出來。同時，伴隨著托馬斯盤彎曲工況的起始與結束，托馬斯鋼片之間一定會隨之出現微量的相對移動摩擦，為防止因微量相對移動造成的磨損，托馬斯鋼片都經過了表面硬化處理。如圖4所示。

托馬斯盤由數片托馬斯片層疊加組合而成，在貝爾206BIII型直升機上一般為9～12片。在組合時，相鄰兩片的分度平面兩兩相錯90?，即組合時相鄰的托馬斯片的晶粒方向兩兩相錯90?，如圖5所示。

組合后的托馬斯盤既保持了整體剛性，又具有一定的整體柔韌性。其整體剛性能滿足尾傳動軸在高速轉動過程中進行及時有效的功率（扭矩）傳遞;其柔韌性允許在托馬斯盤轉動時出現輕微形變，這種輕微形變正是尾傳動軸高速轉動過程中典型的角位移補償特性的表現形式。

3針對性維護檢查

對于直升機的尾傳動軸，除依照維護手冊進行例行維護檢查外，應進行差異化、針對性的定向深度檢查，可采取以下措施：

1） 航前應檢查傳動軸上的過載銷處于良好狀態，無卡阻和彎曲變形;花鍵齒與套齒滑移無阻礙，潤滑良好，懸掛軸承支架總體狀況良好，托馬斯盤整體狀況良好。

2） 定期對所有涉及線位移、角位移的部附件進行檢查，包括位移行程，套齒轉接頭齒系和花鍵齒系狀況，懸掛軸承支架狀況，托馬斯盤安裝固定情況，總體狀況以及腐蝕情況。這里需要特別關注兩個方面：

a. 套齒轉接頭齒系與花鍵齒系狀況，應配合良好，不允許出現損傷;一般使用防嚙劑進行潤滑，這種潤滑油脂既能起到潤滑作用，又能防止套齒接頭齒系與花鍵齒系之間咬死嚙合。

b. 懸掛軸承支架狀況。支架與尾梁結構的鉚接良好，支架無裂紋和腐蝕損傷，構型完好。支架裂紋或構型損傷將影響懸掛軸承在支架內的線位移。

3） 針對使用時間較長的直升機，可擴展維護檢查項目或適當縮短定檢周期，如增加傳動軸的離位無損探傷檢查、熒光滲透檢查、托馬斯盤離位疊層分解檢查，以及在每次定檢過程中對尾傳動軸進行全面的偏心度檢測。

4） 托馬斯盤離位疊層分解檢查中，如果某個托馬斯盤中的鋼片出現裂紋/腐蝕損傷或皺褶，應成套更換全部托馬斯片。

4 飛行機組的操作與使用

除了維護工作外，飛行機組的操作與使用對尾槳傳動軸系統工作的可靠性有直接影響。在實際操作與使用過程中，應嚴格依照飛行手冊的要求進行規范操作、正確使用，并注意以下幾點：

1） 地面慢車，應將周期變距桿放置并保持在中立位置，避免直升機大幅晃動。

2） 飛行過程中，應避免粗猛操縱，并盡量減少機動飛行操縱。在遭遇顛簸或強氣流時，應及時處置，盡早改出或脫離。

3） 在察覺并懷疑直升機振動時，應盡快返場著陸，查明原因并進行動平衡校驗。

4） 嚴禁粗猛著陸和重著陸，一旦發生應立即停場，并依照維護手冊要求對直升機進行相關檢查與校驗。