高博

摘? 要：本文針對長期從事懸停作業(yè)的單旋翼直升機(jī)進(jìn)行研究，結(jié)合直升機(jī)運(yùn)行時各部件的設(shè)計(jì)思想與工作原理對主減速器與滑油散熱器、尾槳層壓半軸承的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，通過與其他作業(yè)模式下的直升機(jī)相同部件使用壽命的比對，研究此類部件壽命縮短的原因，并根據(jù)受損原因結(jié)合工作實(shí)際提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。

一、單旋翼直升機(jī)的工作原理與操縱系統(tǒng)

1.1 單旋翼直升機(jī)的工作原理

直升機(jī)發(fā)動機(jī)驅(qū)動旋翼提供升力，把直升機(jī)舉托在空中，單旋翼直升機(jī)的主發(fā)動機(jī)同時也輸出動力至尾部的小螺旋槳，通過調(diào)整小螺旋槳的螺距可以抵消大螺旋槳產(chǎn)生的不同轉(zhuǎn)速下的反作用力。[1]

1.2 單旋翼直升機(jī)的操縱系統(tǒng)

總距操縱桿：用來控制旋翼槳葉總距變化。總距桿上提時，自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距使旋翼拉力增大，反之拉力減小，由此來控制直升機(jī)的升降運(yùn)動。

操縱桿：與固定翼航空器的駕駛桿作用相似，通過操縱線系與自動傾斜器相連接。駕駛員沿橫向和縱向操縱周期變距操縱桿時，自動傾斜器會出現(xiàn)相應(yīng)方向的傾斜，從而導(dǎo)致旋翼拉力方向也發(fā)生相應(yīng)方向的傾斜。

腳蹬：與固定翼航空器的方向舵腳蹬作用相似，都是控制航向工具。對于單旋翼帶尾槳直升機(jī)，腳蹬經(jīng)操縱線系與尾槳的槳距控制裝置相連，通過控制尾槳槳距的大小來調(diào)節(jié)尾槳產(chǎn)生的側(cè)向力，達(dá)到控制航向的目的。[2]

二、單旋翼直升機(jī)運(yùn)行中的不同階段

2.1 懸停

當(dāng)旋翼升力大于直升機(jī)重力時，直升機(jī)將垂直上升，如果上升到一定高度而減小懸疑升力使之與重力大小相等，方向相反時，直升機(jī)將停止上升，這種飛行狀態(tài)叫做懸停。只要旋翼能夠產(chǎn)生足夠的升力來平衡飛機(jī)中立，直升機(jī)便可在任何高度懸停。

2.2 過渡飛行

過渡飛行是指直升機(jī)從懸停狀態(tài)轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)換飛行狀態(tài)之間的過程。要實(shí)現(xiàn)這個轉(zhuǎn)變，首先應(yīng)使主槳旋轉(zhuǎn)平面向著需要飛行的方向傾斜。由于旋翼有效力是與葉尖旋轉(zhuǎn)平面相垂直，因此旋翼有效力也將向著同方向偏轉(zhuǎn)。

2.3 轉(zhuǎn)換飛行

轉(zhuǎn)換飛行狀態(tài)是指除垂直飛行以外的其他飛行狀態(tài)。要進(jìn)入轉(zhuǎn)換飛行狀態(tài)，應(yīng)將旋翼旋轉(zhuǎn)平面向著所需方向傾斜，旋翼有效力的水平分量將直升機(jī)向著所需方向運(yùn)動。[3]

三、 以H125機(jī)型為例長期懸停作業(yè)對直升機(jī)部件壽命的影響

3.1 長期懸停作業(yè)對主減速器與發(fā)動機(jī)滑油散熱器的壽命影響

H125機(jī)型直升機(jī)正常運(yùn)行時最大巡航速度258公里每小時，最大無地效懸停高度3000米。直升機(jī)上裝載的主減速器與發(fā)動機(jī)滑油散熱器為風(fēng)冷形式，當(dāng)檢測到滑油溫度過高后，電門自動接通，散熱器風(fēng)扇開啟為滑油降溫，防止因溫度過高而出現(xiàn)的滑油粘度降低，潤滑效率降低。在主減速器與發(fā)動機(jī)滑油散熱器的前方設(shè)有通風(fēng)通道，當(dāng)航空器前飛時，后行的氣流會自行流過滑油散熱器，此時無需散熱器風(fēng)扇工作也會有沖壓氣流對滑油進(jìn)行冷卻。

在航空器懸停時由于直升機(jī)與地面的相對速度極小，此時將沒有沖壓氣流對滑油進(jìn)行有效冷卻，此時隨著直升機(jī)運(yùn)行時間的增加，滑油溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到滑油散熱器風(fēng)扇工作的臨界值后，風(fēng)扇開始工作冷卻滑油。

H125型直升機(jī)在設(shè)計(jì)時未曾考慮到客戶會長期應(yīng)用航空器執(zhí)行懸停作業(yè)任務(wù)，按照H125機(jī)型原本的設(shè)計(jì)理念，主減速器與發(fā)動機(jī)滑油散熱器風(fēng)扇應(yīng)只在極少數(shù)情況下工作，其他運(yùn)行中的滑油冷卻任務(wù)完全由前飛時的沖壓氣流承擔(dān)，制造廠家對滑油散熱器風(fēng)扇電動機(jī)的可靠性要求較低，導(dǎo)致在直升機(jī)長期從事懸停任務(wù)后，滑油散熱器風(fēng)扇電機(jī)常常因長時間工作而發(fā)生卡滯或損壞的現(xiàn)象，對直升機(jī)的正常運(yùn)行作業(yè)造成了不利的影響。

3.2 長期懸停作業(yè)對尾槳層壓半軸承的壽命影響

直升機(jī)的尾槳主要作用為平衡主旋翼在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的反扭矩，在運(yùn)行過程中通過操縱直升機(jī)尾槳葉的槳距來控制直升機(jī)的飛行方向。尾槳上裝載的層壓半軸承為尾槳變距時受力的主要部件，在正常工作中，尾槳通過層壓半軸承的限制可以自行回到初始槳距位置，并在飛行員操縱中保持在飛行員希望得到的槳距位置。廠家手冊要求每1200飛行小時或120個月強(qiáng)制更換層壓半軸承。

目前長期從事懸停作業(yè)的直升機(jī)上裝載的層壓半軸承，均在600小時出現(xiàn)不同程度的橡膠與金屬的分層情況，且損傷狀況接近或超過報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。使得運(yùn)營公司不得不縮短尾槳層壓半軸承的使用壽命。因?yàn)镠125機(jī)型在設(shè)計(jì)時，將直升機(jī)的垂直尾翼設(shè)計(jì)為不對稱的流線型，在直升機(jī)大速度前飛時可以產(chǎn)生一個與尾槳相同方向的補(bǔ)償力，進(jìn)而改變層壓半軸承受到的扭轉(zhuǎn)力的大小。但長期進(jìn)行懸停作業(yè)的直升機(jī)無法使得垂直尾翼處通過高速流過的氣流產(chǎn)生足夠的推力來對尾槳進(jìn)行補(bǔ)償。因此尾槳層壓半軸承始終處于大幅度的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。使得金屬層與橡膠層間的粘連劑部分脫開，超出廠家規(guī)定的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

四、以H125機(jī)型為例針對部件壽命縮短的解決方案

4.1 針對主減速器和發(fā)動機(jī)滑油散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更改

生產(chǎn)廠方可從改變滑油管路的走向，在滑油散熱器前端利用機(jī)載空調(diào)系統(tǒng)的冷氣，對滑油進(jìn)行預(yù)冷卻，并在預(yù)冷卻后設(shè)置自動的溫控電門，在滑油溫度過低時關(guān)閉預(yù)冷卻這一分路，使得滑油可以直接旁通回油箱。當(dāng)預(yù)冷卻無法滿足冷卻需求時通過滑油散熱器工作的方式對滑油進(jìn)行降溫。

此種改進(jìn)方式在及時降低主減速器與發(fā)動機(jī)滑油溫度的同時，僅需要對滑油與機(jī)載空調(diào)的管路進(jìn)行改裝，并安裝溫控活門即可達(dá)到預(yù)期的目的，可行性較高。

4.2 針對尾槳層壓半軸承的設(shè)計(jì)更改

生產(chǎn)廠方可以通過改進(jìn)尾槳層壓半軸承的構(gòu)型，是它能在保證拉伸與壓縮強(qiáng)度的同時，提高自身抗剪切力與扭轉(zhuǎn)力的強(qiáng)度，可以擺脫傳統(tǒng)的金屬層與橡膠層設(shè)計(jì)，通過一體式的改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用整體結(jié)構(gòu)，局部加強(qiáng)的設(shè)計(jì)可以保證材料整體受力均衡，在特殊受力較大區(qū)域輔以加強(qiáng)梁補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，從細(xì)節(jié)上保證了尾槳變距軸承的強(qiáng)度與剛度。

尾槳變距軸承的一體化設(shè)計(jì)需要對不同的材料進(jìn)行長期的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并針對不同部位的受力情況加裝補(bǔ)強(qiáng)梁，因此一體化設(shè)計(jì)是一個長期的需要不斷試驗(yàn)與修正的過程。在目前的設(shè)計(jì)構(gòu)型中，橡膠層與粘連層的選取尚存在很大的改變空間，作為一體式尾槳變距軸承投產(chǎn)前的過渡產(chǎn)品，新式的尾槳層壓半軸承應(yīng)通過更換更高強(qiáng)度的橡膠層與更大粘性的粘連劑避免頻頻出現(xiàn)的損傷超標(biāo)現(xiàn)象，并加大已有構(gòu)型的補(bǔ)強(qiáng)面積，通過整體補(bǔ)強(qiáng)的形式將扭轉(zhuǎn)力分散在更多的層壓區(qū)域上，產(chǎn)生的裂紋會分散在更大面積的層壓面上，可以提高產(chǎn)品可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張呈林，郭才根， 直升機(jī)總體設(shè)計(jì)，[專著]-國防工業(yè)出版社，2006-09

[2] 王永虎，直升機(jī)飛行原理，[專著]-西南交大出版社，2017-07

[3] John Seddon， 直升機(jī)空氣動力學(xué)基礎(chǔ)（第3版）[專著]-國防工業(yè)出版社，2014-05