某直升機旋翼折疊上變距鎖定機構(gòu)設計優(yōu)化

覃海鷹，吳艷霞，丁 陽

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

某直升機旋翼折疊系統(tǒng)槳葉變距鎖定機構(gòu)由上變距鎖定機構(gòu)和下變距鎖定機構(gòu)組成。旋翼折疊時，在旋翼定位、槳葉擺振定位后，上變距鎖定機構(gòu)的鎖銷和下變距鎖定機構(gòu)的鎖銷分別伸出，插入對應的鎖孔，共同實現(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的槳轂支臂發(fā)生干涉。

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

1 上變距鎖定機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

上變距鎖定機構(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，與下變距鎖定機構(gòu)一起共同實現(xiàn)槳葉變距自由度的鎖定。

圖1 上變距鎖定機構(gòu)示意圖

2 上變距鎖定機構(gòu)鎖銷載荷傳遞分析

為限制旋翼主槳葉下?lián)]運動范圍，主槳轂設有下?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。直升機停機時各片槳葉在揮舞運動方向的位置不是固定的，取決于各片槳葉?？吭谙孪迍迎h(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為腰形孔，且鎖孔尺寸比鎖銷直徑大，以補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)上變距鎖定機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和下限動環(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#槳葉對應的上變距鎖銷，導致3#、4#槳葉對應的上變距鎖銷載荷的額外增加。鎖銷實際工作載荷超出鎖銷設計強度，是導致鎖銷斷裂故障的主要原因之一。

3 上變距鎖定機構(gòu)改進方案

根據(jù)上變距鎖定機構(gòu)鎖銷載荷傳遞分析結(jié)論，改變上變距鎖定機構(gòu)的鎖定方式，讓每個上變距鎖銷只承擔其對應的槳葉折疊揮舞載荷，是上變距鎖定機構(gòu)改進的主要方向。為此提出了圖4所示的設計優(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，一段用于導向，一段用于承載，相應的鎖孔襯套改為錐形孔。該設計改進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#槳葉對應的下限動塊，導致3#、4#槳葉對應的上變距鎖銷承受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相對于改進前上移，增大了平衡彎矩的力臂，從而進一步降低了變距鎖銷載荷。

圖4 上變距鎖定機構(gòu)改進前后鎖銷鎖孔

4 改進前后上變距鎖銷載荷對比

槳葉折疊載荷包括風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構(gòu)與下變距鎖定機構(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的上變距鎖銷所受風載較為嚴重， 4#槳葉對應的上變距鎖銷所受風載最嚴重。為此采用4#槳葉計算了128種水平面內(nèi)風向、豎直面風向和風速的組合。結(jié)果表明，水平面內(nèi)360°風向、豎直面±35°風向，15 m/s風速槳葉載荷可以覆蓋該直升機維護手冊[1]中的旋翼折疊風速、風向限制要求的各個狀態(tài)。因此，上變距鎖定機構(gòu)改進前后上變距鎖銷風載按15m/s合成風速、垂直面±35°風向、水平面任意風向考慮。表1為4#槳葉折疊到位后風載計算結(jié)果，法向力向上為正。

表1 4#槳葉折疊到位后風載計算結(jié)果

槳葉慣性載荷采用艦船坐標系，X向為艦船航向方向，Z向垂直向上，采用右手坐標系。根據(jù)《直升機載荷手冊》[2]，考慮自重，中等氣候，60節(jié)風速，慣性載荷垂向過載取最大1.3g。以上述風載和慣性載荷計算前提，對上變距鎖定機構(gòu)改進前后6片槳葉對應的上變距鎖銷載荷進行了計算[3]：合成載荷最大的為4#槳葉對應的上變距鎖銷與改進前相比，載荷下降21.8%；載荷次大的為3#槳葉對應的上變距鎖銷，與改進前相比，載荷下降26.2%。改進前后上變距鎖銷載荷對比見表2。

表2 改進前后上變距鎖銷載荷對比

5 總結(jié)

導致上變距鎖定機構(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#槳葉對應的變距鎖銷，加大了3#、4#槳葉對應的變距鎖銷的載荷，無疑是上變距鎖定機構(gòu)鎖銷斷裂故障的主要原因之一。本文提出的變距鎖定機構(gòu)設計優(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計改進措施，將有效解決該直升機的上變距鎖定機構(gòu)鎖銷斷裂問題。