提高傳動系統主減速器干運轉能力研究

■ 王俊 張濤 孫炫琪 劉李 傅旦 / 中國航發動研所

直升機主減速器一旦進入干運轉狀態，其主要轉動零件的工作溫度便會急劇升高，可能引發災難性事故，迫切需要一套成熟的方法對干運轉能力進行準確預測。

傳動系統（見圖1）是直升機的三大關鍵動部件之一，也是極易受損的部件之一，直接影響到直升機的生存能力。當潤滑系統不能正常供油時，整個齒輪傳動系統將會處于干運轉狀態，此時齒輪表面溫度會急劇升高，進入劇烈黏著磨損階段，輪齒溫度急劇升高后齒輪的材料強度會下降，同時會使齒輪摩擦副基體材料本身所受的應力提高，加速齒輪表面損傷和破壞，使減速器在短時間內遭到嚴重破壞，以致失去傳動旋翼的功能，導致災難性的后果。因此，提升減速器的干運轉能力，成為現代直升機先進設計及試驗的一項重要技術指標，開展直升機傳動系統干運轉設計、分析、試驗等技術研究成為一個重要課題[1]。

圖1 直升機傳動系統示意圖

直升機主減速器干運轉現狀

目前，許多國家和機構已經對直升機傳動系統的干運轉能力開展了大量且系統的研究工作。鐵姆肯（Timken）公司研制了多種含油粉末冶金材料制造圓錐滾子軸承的保持架來改善其軸承的干運轉工作能力。斯凱孚（SKF）公司對在貧油或邊界油膜區工作條件下的直升機主減速器單列球軸承和行星齒輪雙列圓柱滾子軸承失效開展了大量試驗研究。卡門（Karman）公司通過發動機機體內減速器及發動機附件傳動的大量試驗，發現合理增大齒輪側隙，采用熱強度較高的材料加工齒輪，同時設計應急潤滑油箱，可將傳動系統的干運轉能力提高到30min。

現有不少機型都采用了不同的應急潤滑措施。例如，AH-64阿帕奇直升機減速器高速齒輪的內孔中設置了油芯，在干運轉狀態時借助離心力作用通過齒輪軸上的孔對齒輪和軸承提供一定程度的潤滑；“海豚”直升機主減速器設置了應急潤滑系統。

目前，米-17、AB139以及UH-60“黑鷹”等直升機主減速器的干運轉能力均不小于30min，EH101直升機主減速器的干運轉能力甚至達到了45min以上。由于提高傳動系統干運轉能力技術難度大，同時相關技術嚴格封鎖，因此解決傳動系統干運轉能力問題只能自主設計及試驗研究。

影響主減速器干運轉能力的主要因素

中國民用航空規章第29部（CCAR-29-R1）第29.927條（C）款潤滑系統失效試驗A類要求規定，直升機減速器應具備30 min干運轉能力。影響主減速器干運轉能力的薄弱環節主要為齒輪、軸承、滑動摩擦結構件（如行星級墊片）等部件以及潤滑油性能和整機工作性能。

齒輪、軸承對干運轉性能的影響

干運轉工作狀態下，減速器的齒輪、軸承等零件局部溫度高達500℃，因此其溫度場熱強度很大程度上影響了減速器的干運轉能力。尤其是減速器高速、重載的軸承和齒輪，由于載荷大、轉速高、發熱多，在干運轉狀態下往往最早發生破壞。從直升機主減速器干運轉試驗時輸入小齒輪滾子軸承的溫度與時間的關系曲線（見圖2）可知，進入干運轉狀態后軸承溫度會急劇升高，導致軸承在較短時間內失效。

滑動摩擦結構件對干運轉性能的影響

減速器中滑動摩擦結構是干運轉薄弱環節之一，在實際使用中會出現潤滑不良而導致滑動摩擦部件損壞等故障。例如，作為典型滑動摩擦結構件的主減速器行星級下墊片，在使用過程中就曾出現由于潤滑不良而發生粘連、斷裂以致主減速器卡滯的故障。

由于耐磨層材料具有自潤滑能力，在干運轉狀態下磨損小、溫升慢，選用耐磨固體自潤滑材料，可大幅度提高滑動摩擦構件的壽命、可靠性及干運轉能力。

潤滑油性能對干運轉性能的影響

潤滑油的蒸發率對減速器干運轉工作性能影響較大。在高溫工作條件下，潤滑油容易蒸發，對主減速器干運轉工作狀態不利。例如，MIL-L-7808標準潤滑油的蒸發率比MIL-L-23699標準潤滑油高許多（見圖3），采用MIL-L-23699標準潤滑油可顯著延長工作時間。因此，進行潤滑油性能對比研究和選擇合適的潤滑油，在一定程度上可以延長減速器的干運轉時間。

行星系固定齒圈對干運轉性能的影響

行星傳動是主減速器在干運轉狀態下另一個容易出現故障的部位。由于齒輪滑動速度高、離心力大，從而發熱量大、溫度高，在無潤滑和冷卻時易造成損壞。圖4給出了直升機主減速器干運轉試驗時固定齒圈溫度與時間的關系曲線。

減速器進入干運轉工作狀態時，輪齒接觸面因轉動產生高溫膨脹導致齒面膠合，齒隙消除會使齒輪副發生干涉，故合理設計輪齒側隙可提高減速器的干運轉能力。由于主減速器行星系固定齒圈一般尺寸較大，熱處理變形難以控制，因此采用合理的熱處理工藝和齒面硬度能提高固定齒圈的干運轉能力。

提高主減速器干運轉能力的途徑

提高齒輪的干運轉能力

在減速器構型和結構不進行大改動情況下，從工藝上采取措施來提升減速器干運轉能力，具體可通過以下幾種方式實現：提高齒輪材料的強度和硬度；提高齒輪的加工精度并且采用齒面、齒向的修形技術；降低齒輪副間的摩擦系數。

離子注入法[2]對金屬有固溶、位錯、晶界以及彌散強化等作用，能夠改善金屬零件表面的硬度，減少摩擦系數，促進金屬零件的抗磨損能力，因此可通過離子注入技術確定金屬零件合適的工藝加工參數達到提高輪齒干運轉的能力。對35Cr2Ni4MoA齒輪鋼進行離子注入后，分別測量了8個有效試樣的硬度值（見表1）。結果表明：離子注入后，35Cr2Ni4MoA齒輪鋼試樣表面硬度均有顯著提高。

圖2 軸承溫度與時間的關系曲線

圖 3 滑油的蒸發率

圖 4 固定齒圈溫度與時間的關系曲線

提高軸承的干運轉能力

減速器干運轉試驗結果表明，軸承滾動體以及保持架極易出現損壞。滾動軸承游隙因熱膨脹而喪失，出現軸承抱軸、滾動軸承保持架（如青銅保持架、尼龍保持架）因高溫而陷落甚至熔化、滾動軸承滾道燒傷或剝落、滾子回火等現象，導致軸承不能正常工作。因此，通過選取合適的軸承材料、合理的軸承參數以及先進的軸承加工工藝方法，能夠大大改善軸承耐受干運轉高溫特性，使減速器干運轉能力顯著提高。例如，保持架選用M-50鋼同時鍍銀使軸承能長期在430℃溫度場下正常工作。

表1 試樣的顯微硬度結果[2]

表2 改性層的耐磨壽命[2]

提高滑動摩擦構件干運轉能力

主減速器行星級下墊片和滑動軸承是典型的滑動摩擦結構件，提高其干運轉能力，不僅能解決型號取證的迫切需要，更可為直升機其他滑動摩擦結構干運轉設計提供參考。通過選用合適材料以及合理的結構，提高零件表面的自潤滑能力，減小表面的摩擦系數，是提高滑動摩擦件干運轉能力的主要途徑。

試驗表明，以納米WS2作為核心潤滑組元，以石墨、MoS2作為輔助協作潤滑組元，以Ni、Sn等作為合金強化元素，采用粉末冶金燒結技術結合其他工藝制備整體式、雙金屬、三層復合結構等材料，可以明顯提高滑動摩擦構件整體力學性能和減摩、耐磨性能。

采用離子注入和自潤滑膜的表面改性相結合的工藝措施

離子注入和自潤滑膜結合的表面改性方案有以下優點：離子注入對基材的強化，可以提高基材的硬度，降低沉積在基材上固體潤滑薄膜的摩擦系數，提高耐磨性能；離子注入可降低基材的摩擦系數，提高耐磨性能。因此，即使在高速運轉階段，自潤滑膜被完全磨損掉了，由于齒輪齒面已經被強化，也能在一定的程度上提高齒輪的抗膠合能力。

采用35Cr2Ni4MoA齒輪鋼試樣進行試驗的結果（見表2），表明膜層的耐磨壽命受基材硬度的影響，在35Cr2Ni4MoA試樣上注入N+Ti元素后，該試樣上沉積的膜層的耐磨壽命最長。因為在摩擦過程中，承受載荷的主要是基材，基材的硬度越大，膜層的耐磨壽命越長。

由以上試驗結果分析顯示：通過離子注入和自潤滑復合薄膜改性層，可有效提高齒輪鋼的干運轉能力。

設計輔助潤滑系統

在減速器設計中，通常考慮添加輔助潤滑油系統或設計油兜結構，來解決直升機傳動系統抗干運轉的能力。一旦系統檢測到傳動系統處于潤滑油貧油或邊界油膜區工作時,輔助潤滑系統便提供潤滑油起到潤滑傳動系統的作用，達到使減速器正常運轉的目的。貝爾公司通過采用應急潤滑系統，將直升機減速器的干運轉試驗時間提高到4h。卡門公司通過采取高熱強度齒輪鋼，合理增大輪齒設計側隙以及提供應急潤滑系統等技術手段，使減速器干運轉能力提高至30min[3]。

采用油霧潤滑技術

油霧潤滑是將霧化為小液體顆粒的潤滑油連續輸送到金屬零件表面并形成潤滑油膜的工程技術。油霧潤滑系統具有潤滑耗油量少和降低金屬零件表面溫度的作用，在應急潤滑系統中使用，可以有效提高減速器的干運轉能力。

結束語

影響減速器干運轉能力的因素較多，通常減速器中某一構件干運轉能力低，可能會影響整個減速器的干運轉能力，設計時應找準干運轉薄弱環節，并設法消除。同時，采用自潤滑材料可以顯著提高摩擦構件的干運轉能力。