直升机桨叶折叠铰磨损分析与改进

No.42010

文章编号:1673-1220(2010)04-042-03

直升机桨叶折叠铰磨损分析与改进

覃海鹰,童国荣,谭

(中国直升机设计研究所,江西景德镇

鹏

333001)

摘要针对直升机自动折叠系统地面模拟耐久性试验中发生的桨叶折叠铰磨损问题,在理论分析的基础

上对折叠铰进行了设计改进,对磨擦副材料进行了更改,通过改进前后折叠铰的耐久性对比试验对改进措施的有效性进行了验证,解决了桨叶折叠铰磨损问题。关键词

直升机;折叠系统;耐久性试验;折叠铰磨损;设计改进

V275+.1;V215.5+6

文献标识码:

A

中图分类号:

ImprovementandAbrasionAnalysisofaHelicopter

BladeFoldingHinge

QINHaiying,TONGGuorong,TANPeng

(ChinaHelicopterResearchandDevelopmentInstitute,Jingdezhen333001,China)

AbstractTheimprovementsonstructuraldesignandmaterialchangeoffrictionpiecewereper-formedbasedonanalysisaimsattheproblemofbladefoldinghingeabrasionwhichoccurredduringtheendurancetestoftheauto-foldingsystemofthehelicopter.Validityoftheimprovementswasprovedbythecontrastendurancetestbetweentheimprovedfoldinghingeandthenon-improvedone.Theproblemofbladefoldinghingeabrasionwassolved.

Keywordshelicopter;foldingsystem;endurancetes;tfoldinghingeabrasion;improvement

为4号桨叶折叠接头衬套磨损情况。为了进一步确

定故障,对桨毂其余5个支臂的折叠接头螺栓进行了分解检查,检查结果显示折叠接头螺栓和衬套均有严重磨损。故障发生后对装机的所有折叠接头螺栓进行了分解检查,发现虽然折叠次数有限,但折叠接头螺栓均有不同程度的磨损。

通过对轴套衬套、折叠接头衬套、折叠接头螺栓的尺寸的分析和折叠铰的受力分析,对构成折叠铰的相关配合尺寸进行了改进,改变了原来的摩擦副,从理论上降低了摩擦副的正压力,减小了摩擦力;同时通过查阅相关手册资料,选取了合适的衬套材料,

1前言

在直升机自动折叠系统地面模拟耐久性试验进行一段时间后,发现4号桨叶无法展开到位,并伴随着不正常的机械摩擦声,在以后进行的近多次试验中此故障重复出现,一次比一次严重,试验无法正常进行。随后对4号桨叶折叠接头螺栓和与之对应的轴套和折叠接头衬套进行分解检查,发现折叠接头螺栓严重磨损,图1为4号桨叶折叠接头螺栓磨损情况,轴套和折叠接头上对应的衬套也发生了不同程度的磨损,折叠接头上的一个衬套甚至磨穿,图2

收稿日期:2010-08-04

作者简介:覃海鹰(1971-),男,湖北利川人,研究员,主要研究方向:旋翼总体设计、主桨毂设计、尾桨毂设计及相关专业的预先研究工作。

2010年第4期覃海鹰,童国荣,谭鹏:直升机桨叶折叠铰磨损分析与改进

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减小摩擦副之间的摩擦系数,减缓了折叠铰螺栓与衬套之间的磨损。最后通过自动折叠系统地面台架耐久性试验对改进前后的折叠铰进行对比,结果表明改进措施有效。以此为依据将改进措施在所有装机件上进行了贯彻,实际使用情况再次表明,改进措施有效,很好地解决了桨叶折叠铰磨损问题。

桨叶折叠铰主要由装有衬套的轴套三联孔、装有衬套的折叠接头两联孔和折叠接头螺栓组成,折叠接头与桨叶连接,在驱动力的作用下,折叠接头绕折叠接头螺栓转动,完成桨叶的折叠和展开。为平衡桨叶重力G产生的弯矩,轴套三联孔衬套与折叠接头螺栓、折叠接头两联孔衬套与折叠接头螺栓之间形2折叠铰磨损原因分析

2.1折叠铰受力分析

为确保桨叶折叠过程和折叠后各片桨叶之间、桨叶与桨毂支臂之间不会发生运动干涉,桨叶折叠铰的转轴(即折叠铰螺栓轴线)相对于铅垂线偏转了不同的角度A,1号、2号、5号、6号桨叶折叠铰偏转角度为10b,3号、4号桨叶折叠铰偏转角度为20b。根据折叠铰偏转一定角度时的折叠铰受力分析[2]

,折叠铰偏转角A越大,折叠铰螺栓与衬套之间的正压力就越大;同时桨叶越接近展开位置,折叠铰螺栓与衬套之间的正压力越大。这与故障现象完全吻合,即3号、4号桨叶折叠铰偏转角度大,折叠铰螺栓与衬套磨损严重,桨叶展开快完成时折叠铰螺栓与衬套之间的正压力最大,摩擦力也达到最大,导致桨叶展开无法完成。

图4为直升机桨叶折叠铰结构及受力分析图,

成正压力,由于轴套三联孔衬套有三个,且外侧两个衬套作用力臂大于折叠接头两联孔衬套作用力臂,轴套三联孔衬套与折叠接头螺栓正压力N轴套2和N轴套3要小于折叠接头两联孔衬套正压力N接头2和N接头3。图1折叠接头螺栓的磨损情况也表明螺栓与折叠接头衬套之间的磨损比螺栓与轴套三联孔衬套之间的磨损严重。

图3直升机的桨叶折叠示意图

2.2折叠铰相关零件尺寸分析

查轴套衬套、折叠接头衬套、折叠接头螺栓的图纸,轴套衬套的孔径为52212+01021

0,折叠接头衬套

孔径为52212+01021

0

,折叠接头螺栓的直径为

52212-01007

-01016。折叠接头衬套与折叠接头螺栓之间的配合间隙等于轴套衬套与折叠接头螺栓之间的配合间隙。由于配合间隙相同,当折叠接头相对于轴套绕折叠铰转动时,折叠接头螺栓可能与轴套衬套之间相对转动,也可能与折叠接头衬套之间发生相对转动。从分解检查情况看,折叠接头螺栓与轴套衬套、折叠接头螺栓与折叠接头衬套的配合面都磨损严重。2.3折叠铰摩擦副材料分析

折叠接头和轴套衬套的材料为40CrNiMoA,衬套内孔最终工序为研磨,折叠接头螺栓材料为

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直升机技术总第165期

18Cr2Ni4WA,配合部位表面处理工序为先镀镍再镀硬铬,最后抛光处理。镀硬铬加抛光处理的目的是降低表面粗糙度数值,降低摩擦系数,减小磨损。由

于组成摩擦副的材料都不属于耐磨材料,虽然摩擦系数小,但当摩擦副表面质量受到破坏时,磨损会急剧加快。

图4直升机桨叶折叠铰结构及受力分析图

3设计改进

3.1折叠铰零件配合尺寸设计改进

将折叠接头上折叠孔衬套的内孔尺寸由522120

+01021

磨损情况最严重的4号桨毂支臂上应用,为进行对比,在载荷与4号桨毂支臂相当、磨损情况也比较严

重的3号桨毂支臂上采用设计未改进、材料未更改的衬套。

在进行400多次循环的试验考核后对折叠接头螺栓和衬套的磨损情况进行了检查,发现改进后的衬套的折叠接头螺栓和衬套几乎没有磨损,而未改进的衬套的折叠接头螺栓和衬依然磨损严重。随后对其余桨毂支臂的折叠铰也全部贯彻设计改进措施,然后继续考核至完成全部试验。试验完成后1号、4号支臂的衬套进行了分解检查,对衬套内径进行了微分计量,检查结果见表1。

表1折叠接头螺栓及相关衬套微分计量结果

支臂号

零件轴套衬套

1号

折叠接头衬套折叠接头螺栓轴套衬套

4号

折叠接头衬套折叠接头螺栓

5221215

5221185微分计量结果

设计参数

改为522120

+01013

,轴套上折叠孔衬套的

内孔最终尺寸:522120

+01016

,折叠接头螺栓直径保持

不变。目的是提高折叠接头螺栓与折叠接头上折叠孔衬套和折叠接头螺栓与轴套上折叠孔衬套配合精度,减小螺栓与衬套间间隙,在桨叶重力作用下尽量

使折叠接头螺栓与衬套之间为面接触;同时对折叠接头螺栓与折叠接头折叠孔衬套和轴套折叠孔衬套的配合间隙区别设计,使折叠接头螺栓与轴套折叠孔衬套的配合间隙大于折叠接头螺栓与折叠接头折叠孔衬套配合间隙,使桨叶折叠时折叠接头带动折叠接头螺栓绕轴套转动,避免折叠接头与折叠接头螺栓之间发生相对转动,减小磨擦面正应力。3.2衬套材料更改

衬套材料选用应综合考虑强度和耐磨性两方面的要求。从耐磨性的角度,一般应选择铜合金作为衬套材料,典型的铜合金应为青铜,作为滑动轴承轴瓦的材料,应用相当成熟。经过对多种青铜的耐磨性能和强度的比较分析,选定10-4-4铝青铜QAl10-4-4作为折叠铰衬套的材料,其小规格材

[2]

料的Rb达到600MPa以上,无润滑剂条件下的磨擦系数仅为012。

+01016

522121552212255221215522120

52212105221213

+01013

522120

522119

52212155221215

52212--0100701016

+01016

522122522120

+01013

522120

5221215

52212--0100701016

从试验验证情况看,折叠铰衬套材料改用10-4-4铝青铜QAl10-4-4,同时对衬套与螺栓的配合参数进行设计改进后,桨叶折叠铰的磨损非常轻微,不影响使用。在随后进行的其他折叠试验中桨叶折叠铰磨损的问题没有再发生。(下转第25页)

4试验验证

设计改进和材料更改的衬套首先在载荷最大、

2010年第4期黄志文:基于CATIA、VPM的结构三维数字化设计技术

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国内某研究所建立了一套拥有自主知识产权的基于全三维设计的紧固件辅助平台,弥补了CATIA软件自带紧固件库功能的一些不足,能节省设计人

员工作量、缩短设计周期、提高设计协调质量,创建的紧固件实例见图9。

该平台具有以下主要特点:

1)紧固件辅助匹配选择,只需定义紧固件牌号,自动根据夹层计算长度;

2)快速调入并进行设计检查;定义紧固件定位参考点和安装方向以及牌号,会自动生成代表螺栓、铆钉的线和代表垫圈、螺母的圆圈并计算是否需调整垫圈厚度以满足连接要求;

3)紧固件信息与零件设计全关联,牌号自动检查更新;

4)紧固件边距、间距、干涉的自动检查;

5)紧固件数据自动统计输出,即时快速信息提取;

6)自动生成紧固件重量、重心、转动惯量计算报告。

6结束语

本文针对飞机结构的设计特点,从CATIA三维数字样机定义、VPM数据管理、三维标注及标准件库几方面着手,详细阐述各技术环节的工作内容和重点。探索实现基于CATIA、VPM的结构三维数字化设计技术的基本过程,该技术的应用能有效地提高飞机结构设计质量、降低研制成本、缩短产品开发周期。

(上接第44页)的材料作为摩擦副的一方,同时提高摩擦副的另一方的接触表面质量,以降低摩擦系数,从而减小摩擦力,提高耐磨能力。参考文献:

[1]

中国航空材料手册编委会,编.中国航空材料手册)铜合金、精密合金、粉末冶金及无机涂层材料[S].北京:中国标准出版社,19.9[2]

覃海鹰,李孝松.桨叶折叠机构受力分析和计算方法研究[J].直升机技术,2009(4):15-19

5结论

对直升机桨叶折叠铰磨损故障的分析处理告诉我们,对于需要相对运动又有较高的配合精度的轴与孔结构,在设计时应充分考虑结构的耐磨性。提高结构的耐磨性则需要从结构受力特点、摩擦副材

料的耐磨性两方面着手:一方面从结构设计的角度尽可能减小引起摩擦的正压力,从而减小摩擦力,提高耐磨能力;另一方面通过选用具有良好耐磨性能