淺談某型直升機傳動系統機匣的適應性改進設計

陳金，張川

(中國航發湖南動力機械研究所、直升機傳動技術重點實驗室，湖南 株洲 412002）

海上用直升機長期服役于惡劣的海洋氣候環境中，高溫、潮濕、鹽霧、太陽輻射和各種霉菌對直升機設備的侵蝕破壞將影響設備的使用可靠性和服役壽命。要實現全天候和可靠的穩定工作，必然要求直升機具有適應各種惡劣環境的能力。為此防濕熱、防鹽霧和防霉菌的“三防”設計成為海用直升機研制過程中必不可少的重要環節。根據某型直升機的中減設計技術要求，“三防”適應性設計按照以下原則開展：

（1）盡量通過增加可靠防護涂層、裝配件整體涂漆滿足海洋環境的“三防”要求；

（2）對海洋環境敏感、增加防護層仍難以滿足海洋環境的“三防”要求的，可以更換材料的方式。

除選材設計、鍍涂設計外，“三防”結構設計也是“三防”設計的方法之一，且是“三防”設計的基礎。本文即針對某型傳動系統中減機匣結構不利于“三防”要求的問題，在保證其接口控制不變的前提下，對其進行了結構改進設計。

1 機匣結構分析

某型中減位于直升機尾梁與尾斜梁的交匯處，通過一對螺旋錐齒輪在尾水平傳動軸和尾傳斜軸之間傳遞功率并進行減速和換向。輸入法蘭盤與尾水平傳動軸相連，輸出法蘭盤與尾傳斜軸相連。減速器機匣采用鑄鎂合金，其中主機匣設有四條安裝腿，每條安裝腿由一個螺栓安裝凸臺和三塊筋板組成，分別通過螺栓與直升機尾梁相連，如圖1所示。目前，主機匣安裝腿結構主要存在以下幾個問題：

（1）裝配工藝性。如圖1所示，安裝凸臺三側均設有筋板，只留一側用于安裝和拆卸。該結構在安裝和拆卸過程中，極易因工裝活動空間狹窄導致碰傷和劃痕。腐蝕往往是從表面開始的，表面的碰傷和劃痕等表面完整性的破壞，在高溫、潮濕和鹽霧的工作環境中，很容易導致結構應力腐蝕開裂，加速腐蝕疲勞斷裂，導致結構提前失效。

圖1 主機匣安裝腿結構

（2）凹槽結構。金屬材料在特定的介質環境中，承受拉應力經過一定時間后發生裂紋及斷裂的現象稱為應力腐蝕斷裂。在腐蝕介質中，有時即使在腐蝕性極弱的介質中，在遠低于材料屈服極限的應力下，金屬也會引起脆性斷裂。

安裝腿為機匣的承重部位，結構形狀和尺寸變化大導致其為高應力集中區；同時，安裝凸臺、筋板和薄壁結構使安裝腿形成一個凹槽結構，在潮濕和鹽霧的工作環境中，極易集聚腐蝕性介質。應力集中和腐蝕介質集聚使得機匣發生應力腐蝕開裂的概率大大提高。

（3）縫隙。如圖2所示，螺栓與螺栓襯套、螺栓襯套與凸臺配合面之間易形成縫隙，當腐蝕介質滲透到這些縫隙時，會造成腐蝕介質的濃縮和酸度、電位的變化，進而提高結構發生應力腐蝕開裂的概率。

圖2 安裝腿裝配

2 機匣改進設計

根據上面的分析，針對目前減速器機匣結構可能不適應于艦載直升機工作環境的問題，對減速器主機匣安裝腿進行了改進設計：安裝腿采用柱體結構，外徑為Φ32mm，采用螺樁與機身安裝平臺連接；螺樁孔采用螺紋MJ10x1.5，螺紋深30mm，見圖3。

圖3 安裝腿柱體結構

將每條安裝腿分別布置三塊筋板的結構更改安裝腿之間相連接的筋板結構，筋板厚度由8mm減小為6mm；同時安裝腿與機匣簿壁結構通過斜筋板、大圓角圓滑過渡，避免形成凹槽結構。如圖4所示為方案1。方案2為在方案1基礎上增加加強筋，連接安裝腿和機匣薄壁結構，厚度為6mm，如圖5所示。

圖4 方案1

圖5 方案2

通過三維稱重估算，方案1中減機匣比改進前減重0.265kg，方案2中減機匣比改進前減重0.182kg。

3 強度分析

3.1 有限元分析

在懸停回轉工況下，采用設計要求的限制載荷分別對方案1和方案2減速器機匣進行有限元強度計算，具體見表1。

表1 有限元計算結果

3.2 強度校核

根據4.1有限元分析結果可知，方案1在安裝腿與薄壁結構過渡處存在應力集中，最大應力為211MPa，遠遠超出機匣強度極限，不符合設計要求；方案2中的加強筋消除了該過渡處的應力集中，高應力區為機匣最大當量，應力為77.4MPa，比改進前降低1%，最大主應力為78.0MPa，比改進前降低10%。采用最大當量應力對限制載荷作用下方案2中減機匣靜強度進行校核，校核結果見表2。

由表2可知，方案2中減機匣屈服安全系數和極限安全系數均高于改進前中減機匣，滿足靜強度設計要求。根據某型傳動系統結構強度設計準則，采用疲勞載荷作用下的最大主應力對方案2中減機匣進行疲勞強度校核，中減機匣高周疲勞強度滿足設計準則要求，具有無限壽命，低周疲勞壽命具備3594h。

表2 機匣靜強度校核對比

4 結語

“三防”設計對海上用直升機的重要性不言而喻，除鍍涂防護和合理的選材外，合理的結構設計也能大大地提高機匣的抗腐蝕性能，而不良的結構形式是一種先天性缺陷，很難在以后彌補。機匣設計過程中，不僅要考慮結構的鑄造和加工的工藝性，還應保證其便于安裝、拆卸，避免安裝、拆卸過程中產生碰傷和額外的裝配應力，保證外表結構鍍涂的工藝性，同時避免凹槽、盲孔、縫隙、孔隙、尖角，應使腐蝕性介質不滯留和聚焦。