某直升機(jī)旋翼折疊上變距鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

覃海鷹，吳艷霞，丁 陽

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

0 引言

某直升機(jī)旋翼折疊系統(tǒng)槳葉變距鎖定機(jī)構(gòu)由上變距鎖定機(jī)構(gòu)和下變距鎖定機(jī)構(gòu)組成。旋翼折疊時，在旋翼定位、槳葉擺振定位后，上變距鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷和下變距鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷分別伸出，插入對應(yīng)的鎖孔，共同實(shí)現(xiàn)槳葉變距自由度的鎖定，使槳轂支臂在槳葉折疊過程中始終保持一定的變距角度，防止各片槳葉在折疊過程中及折疊后相互干涉或與相應(yīng)的槳轂支臂發(fā)生干涉。

某直升機(jī)旋翼折疊系統(tǒng)使用中多次出現(xiàn)上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷斷裂故障。通過結(jié)構(gòu)傳力路徑分析發(fā)現(xiàn)，鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，部分鎖銷承受了部分其它槳葉的折疊載荷，導(dǎo)致鎖銷強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致上變距鎖銷斷裂。為此，提出了上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)措施。經(jīng)設(shè)計(jì)分析，提出的上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)措施可有效降低上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷的載荷，可解決變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷斷裂故障問題。

1 上變距鎖定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

上變距鎖定機(jī)構(gòu)由安裝在上限動支撐件支臂上的上變距鎖和安裝在上限動塊上的鎖孔襯套組成(見圖1)。旋翼折疊時，在旋翼定位、槳葉擺振定位后，安裝在上限動支撐件上的上變距鎖定機(jī)構(gòu)的鎖銷伸出，插入安裝在上限動塊上的鎖孔襯套，與下變距鎖定機(jī)構(gòu)一起共同實(shí)現(xiàn)槳葉變距自由度的鎖定。

圖1 上變距鎖定機(jī)構(gòu)示意圖

2 上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷載荷傳遞分析

為限制旋翼主槳葉下?lián)]運(yùn)動范圍，主槳轂設(shè)有下?lián)]限動裝置，由安裝在中央件上可平動的下限動環(huán)和安裝在主槳轂支臂上的下限動塊組成。下限動環(huán)可在中央件的上下夾板間作平面滑動。直升機(jī)停機(jī)時各片槳葉在揮舞運(yùn)動方向的位置不是固定的，取決于各片槳葉停靠在下限動環(huán)上力的平衡，如圖2所示。

圖2 下?lián)]限動裝置

鑒于主槳葉下?lián)]限動裝置的工作原理，直升機(jī)停車后，各片槳葉在揮舞方向的位置不是完全固定，在一定范圍內(nèi)具有隨機(jī)性。為滿足在槳葉在揮舞方向位置不確定情況下上變距鎖銷順利插入的要求，上變距鎖孔在揮舞方向?yàn)檠慰祝益i孔尺寸比鎖銷直徑大，以補(bǔ)償槳葉揮舞方向的位置偏差，保證在鎖銷位置與鎖孔位置最大偏差近5mm的情況下上變距鎖可以順利上鎖，如圖3所示。

圖3 上變距鎖孔揮舞方向腰形孔示意圖

根據(jù)上變距鎖定機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和下限動環(huán)的工作原理，在6片槳葉全部折疊到位后，1#、6#槳葉向下的揮舞載荷會通過下限動環(huán)傳遞給3#、4#槳葉對應(yīng)的下限動塊，對3#、4#槳葉形成向上的揮舞載荷，使得上變距鎖孔襯套外邊沿壓向鎖銷。3#、4#槳葉在折疊超過一定角度后，槳葉重心越過水平鉸軸線時槳轂支臂出現(xiàn)“抬起”現(xiàn)象，也會使上變距鎖孔襯套外邊沿壓向鎖銷。因此旋翼折疊后，1#、6#槳葉的折疊后揮舞方向載荷通過下限動環(huán)傳遞到3#、4#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷，導(dǎo)致3#、4#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷載荷的額外增加。鎖銷實(shí)際工作載荷超出鎖銷設(shè)計(jì)強(qiáng)度，是導(dǎo)致鎖銷斷裂故障的主要原因之一。

3 上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案

根據(jù)上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷載荷傳遞分析結(jié)論，改變上變距鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定方式，讓每個上變距鎖銷只承擔(dān)其對應(yīng)的槳葉折疊揮舞載荷，是上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)的主要方向。為此提出了圖4所示的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施：將上變距鎖銷插入鎖孔部分由圓柱銷改為兩段錐形銷，一段用于導(dǎo)向，一段用于承載，相應(yīng)的鎖孔襯套改為錐形孔。該設(shè)計(jì)改進(jìn)措施消除了變距鎖銷與鎖孔襯套之間的間隙。在6片槳葉全部折疊到位后，每個上變距鎖銷只承受其對應(yīng)的槳葉的折疊揮舞載荷，不會再出現(xiàn) 1#、6#槳葉向下的揮舞載荷通過下限動環(huán)傳遞給3#、4#槳葉對應(yīng)的下限動塊，導(dǎo)致3#、4#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷承受1#、6#槳葉的折疊揮舞載荷的情況。同時，上變距鎖銷插入鎖孔部分由圓柱銷改為兩段錐形銷，使得上變距鎖銷力作用點(diǎn)相對于改進(jìn)前上移，增大了平衡彎矩的力臂，從而進(jìn)一步降低了變距鎖銷載荷。

圖4 上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后鎖銷鎖孔

4 改進(jìn)前后上變距鎖銷載荷對比

槳葉折疊載荷包括風(fēng)載和槳葉的慣性載荷，二者分別使槳葉產(chǎn)生揮舞方向與擺振方向的力矩，并疊加作用在支臂上，在球鉸處產(chǎn)生合成彎矩，最終由上變距鎖定機(jī)構(gòu)與下變距鎖定機(jī)構(gòu)、下限動環(huán)予以平衡。

根據(jù)旋翼折疊后各片槳葉的安裝角變化情況，3#、4#槳葉折疊到位后對應(yīng)的上變距鎖銷所受風(fēng)載較為嚴(yán)重， 4#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷所受風(fēng)載最嚴(yán)重。為此采用4#槳葉計(jì)算了128種水平面內(nèi)風(fēng)向、豎直面風(fēng)向和風(fēng)速的組合。結(jié)果表明，水平面內(nèi)360°風(fēng)向、豎直面±35°風(fēng)向，15 m/s風(fēng)速槳葉載荷可以覆蓋該直升機(jī)維護(hù)手冊[1]中的旋翼折疊風(fēng)速、風(fēng)向限制要求的各個狀態(tài)。因此，上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后上變距鎖銷風(fēng)載按15m/s合成風(fēng)速、垂直面±35°風(fēng)向、水平面任意風(fēng)向考慮。表1為4#槳葉折疊到位后風(fēng)載計(jì)算結(jié)果，法向力向上為正。

表1 4#槳葉折疊到位后風(fēng)載計(jì)算結(jié)果

槳葉慣性載荷采用艦船坐標(biāo)系，X向?yàn)榕灤较蚍较颍琙向垂直向上，采用右手坐標(biāo)系。根據(jù)《直升機(jī)載荷手冊》[2]，考慮自重，中等氣候，60節(jié)風(fēng)速，慣性載荷垂向過載取最大1.3g。以上述風(fēng)載和慣性載荷計(jì)算前提，對上變距鎖定機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后6片槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷載荷進(jìn)行了計(jì)算[3]：合成載荷最大的為4#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷與改進(jìn)前相比，載荷下降21.8%；載荷次大的為3#槳葉對應(yīng)的上變距鎖銷，與改進(jìn)前相比，載荷下降26.2%。改進(jìn)前后上變距鎖銷載荷對比見表2。

表2 改進(jìn)前后上變距鎖銷載荷對比

5 總結(jié)

導(dǎo)致上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷斷裂的原因還有鎖銷材料偏脆等其他因素。但由于限動環(huán)工作原理及鎖銷與鎖孔襯套存在較大間隙，導(dǎo)致不合理的變距鎖銷傳力路徑，槳葉折疊到位后，1#、6#槳葉折疊后揮舞方向的載荷通過下限動環(huán)傳遞給3#、4#槳葉對應(yīng)的變距鎖銷，加大了3#、4#槳葉對應(yīng)的變距鎖銷的載荷，無疑是上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷斷裂故障的主要原因之一。本文提出的變距鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施有效降低了上變距鎖銷載荷。結(jié)合解決材料偏脆問題的材料更改等其他設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，將有效解決該直升機(jī)的上變距鎖定機(jī)構(gòu)鎖銷斷裂問題。