直升機旋翼彈性軸承失效影響分析

覃海鷹，賈良現，楊華高

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西景德鎮 333000)

0 引言

球面推力彈性軸承(彈性軸承)是星型柔性槳轂和球柔性槳轂的核心彈性元件，它取代了傳統鉸接式槳轂的揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸，在承受槳葉旋轉所產生的巨大離心力的同時實現槳葉的揮舞、擺振和變距運動。彈性軸承在槳轂上的應用簡化了槳轂結構，降低了槳轂制造成本，提高了槳轂的使用壽命，使槳轂的維護十分簡便。彈性軸承由大接頭、小接頭和金屬隔片與橡膠復合而成的彈性體疊層組成(圖1)。金屬隔片與橡膠通過粘結形成彈性體，大接頭、小接頭與彈性體疊層通過粘結形成一個整體。彈性軸承通過彈性體疊層的承受壓縮和徑向載荷的能力承受槳葉的離心力和揮舞擺振載荷，通過彈性體疊層中的橡膠的剪切變形實現大、小接頭間的相對扭轉和彎曲變形。

彈性軸承的關鍵部分是由金屬隔片和橡膠復合而成的彈性體疊層，彈性軸承承受的所有載荷均要通過彈性體疊層傳遞，承受的所有變形均通過彈性體疊層中的橡膠的剪切變形實現。其受力特點是能承受很大的壓縮載荷，幾乎不能承受拉伸載荷;在承受很大的壓縮載荷時，可以承受較大的徑向載荷;在承受較小的壓縮載荷時，可以承受的徑向載荷很小。彈性軸承在使用中會由于彈性體疊層的橡膠疲勞或是制造缺陷等原因發生失效，圖2為兩種典型的失效模式。彈性軸承失效后會對直升機造成怎樣的影響，是用戶及維護人員十分關心的問題。本文對彈性軸承在直升機幾種典型工況下的受力進行了分析，分析了彈性軸承失效后對直升機的影響，提出了彈性軸承失效后相應的處理措施和使用建議。

圖1 彈性軸承結構

圖2 彈性軸承兩種典型的失效模式

1 彈性軸承受力分析

彈性軸承主要有旋翼不裝槳葉、裝槳葉旋翼不旋轉、裝槳葉旋翼旋轉三種典型工作模態，各工作模態彈性軸承受力有所不同。

1.1 旋翼不裝槳葉時彈性軸承受力分析

由于彈性軸承的彎曲剛度一般可以克服槳轂支臂重力引起的彎矩，此處假定槳轂支臂下限動塊未與下限動環接觸，下限動裝置不起作用。圖3為彈性軸承在旋翼的受力示意圖，顯然在不裝槳葉的情況下，彈性軸承不承受壓縮載荷。彈性軸承的力平衡方程如下:

圖3中:F1:中央件支臂對彈性軸承小接頭的徑向支反力;G:槳轂支臂重力;M:彈性軸承彈性所受的彎矩;L:槳轂支臂重心到彈性軸承球心的距離。

圖3 彈性軸承受力分析(不裝槳葉)

1.2 旋翼裝槳葉不旋轉時彈性軸承受力分析

在槳葉重力作用下，下限動塊與限動環接觸，下限動裝置起作用，圖4為彈性軸承在旋翼裝槳葉不旋轉時的受力示意圖，彈性軸承承受壓縮載荷，其大小等于F3。彈性軸承的力平衡方程如下:

圖4 彈性軸承受力分析(裝槳葉不旋轉)

圖4中:F1:中央件支臂對彈性軸承小接頭的徑向支反力;F2:限動環對限動塊的支反力;F3:中央件支臂對彈性軸承小接頭的軸向支反力;G:槳葉(含槳轂支臂)的重力;M:彈性軸承彈性所受的彎矩;L1:槳葉(含槳轂支臂)重心到彈性軸承球心的距離;L2:限動環對限動塊的軸向支反力作用點到彈性軸承球心的距離。

1.3 旋翼裝槳葉旋轉時彈性軸承受力分析

圖5為彈性軸承在旋翼裝槳葉旋轉時的受力示意圖。為便于分析，進行了一定簡化，沒考慮在槳葉升力作用下彈性軸承的彎曲變形。

當槳葉離心力和升力未使下限動塊與限動環脫開時，彈性軸承承受壓縮載荷，其大小等于F1。彈性軸承的力平衡方程如下:

當槳葉離心力和升力使下限動塊與限動環脫開時，彈性軸承承受壓縮載荷，其大小等于F1。彈性軸承的力平衡方程如下:

圖5中:F1:中央件支臂對彈性軸承小接頭的軸向支反力;F2:槳葉(含槳轂支臂)的離心力;F3:限動環對限動塊的支反力;F4:中央件支臂對彈性軸承小接頭的徑向支反力;G:槳葉(含槳轂支臂)的重力;M:彈性軸承彈性所受的彎矩;T:槳葉升力;L1:槳葉(含槳轂支臂)重心到彈性軸承球心的距離;L2:槳葉升力作用點到彈性軸承球心的距離;L3:限動環對限動塊的軸向支反力作用點到彈性軸承球心的距離。

圖5 彈性軸承受力分析(裝槳葉旋轉)

2 彈性軸承完全失效后的影響分析

彈性軸承完全失效對直升機的影響顯然比局部失效要嚴重，為此針對彈性軸承的三種典型工作模態進行彈性軸承完全失效的影響分析。

2.1 旋翼不裝槳葉時彈性軸承完全失效的影響

對于阻尼器且采用傳統布置的主槳轂，如1.1分析，在旋翼不裝槳葉時，彈性軸承不受任何壓縮載荷，當彈性軸承發生類似膠層完全脫開的完全失效時，在槳轂支臂重力作用下，下限動塊靠上下限動環，此時彈性軸承的受力類似于旋翼裝槳葉不旋轉的情況，彈性軸承會較小的壓縮載荷，槳轂支臂不會從彈性軸承失效部位脫開，不會對安全造成影響。

對于采用粘彈阻尼器且采用臂間布置的主槳轂，在旋翼不裝槳葉彈性軸承完全失效后，彈性軸承會沿失效部位完全脫開，但也正是由于粘彈阻尼器彈性剛度約束，槳轂支臂不會從彈性軸承失效部位脫開，不會對直升機安全造成影響。

2.2 旋翼裝槳葉不旋轉時彈性軸承完全失效影響

對于阻尼器且采用傳統布置的主槳轂，如1.2分析，在旋翼裝槳葉不旋轉時，彈性軸承承受較大壓縮載荷，當彈性軸承發生類似膠層完全脫開的完全失效時，在槳轂支臂和槳葉重力共同作用下，下限動塊靠上下限動環，彈性軸承會有較大的壓縮載荷，確保槳轂支臂不會從彈性軸承小接頭上脫開，不會對直升機安全造成影響。

對于采用粘彈阻尼器且采用臂間布置的主槳轂，當彈性軸承發生類似膠層完全脫開的完全失效時，槳轂支臂和槳葉重力共同作用可以克服粘彈阻尼器的彈性約束，使彈性軸承依然產生一定的壓縮載荷，確保槳轂支臂不會從彈性軸承小接頭上脫開，不會對直升機安全造成影響。

停車，有陣風情況下，槳葉產生一定升力使下限動塊脫離下限動環，槳葉和槳轂支臂的重力由槳葉升力和失效部位的摩擦力平衡，失效部位產生很小的錯位，但槳轂支臂不會從彈性軸承小接頭上脫開，不會對直升機安全造成影響。

停車狀態進行變距操縱，對于阻尼器采用傳統布置的主槳轂影響不大，對于采用粘彈阻尼器且采用臂間布置的主槳轂，由于槳葉重力引起彈性軸承金屬橡膠疊層承受的壓縮載荷僅能平衡操縱引起的彈性軸承受拉載荷，可能會導致失效部位錯位，但不會有安全問題。

2.3 旋翼裝槳葉旋轉時彈性軸承完全失效的影響

2.3.1 飛行中彈性軸承完全失效后的安全性分析

彈性軸承結構如圖6所示，靠近小接頭的膠層包角比大接頭大，因此靠近大接頭的膠層破壞對安全的影響最大，假定在飛行中靠近大接頭的膠層完全分層失效，在離心力作用下的彈性軸承受力分析如圖6所示。

以某直升機為例，將彈性軸承球面保守簡化為錐面，假定離心力為18.9噸，則

F11=F12=9.45 噸

F1=F2=F11/cos20≈10噸

F12=F22=F11×tg20≈3.6噸

查金屬與橡膠的摩擦系數為0.75，由于膠層分層后分層部位表面會有部分膠黏劑或橡膠，其摩擦系數還會大于0.75，計算仍取摩擦系數為0.75。

當分層部位有錯位趨勢時，其離心力可以認為全部施加到阻止錯位的半球，此時

F11或F12=18.9噸

F1或F2=F11/cos20≈20噸

F12或F22=F11×tg20≈7.2噸

分層部位出現錯位必須克服的摩擦力為

f=F1或 F2×0.75≈15噸

失效部位出現錯位必須克服的力為

F12 或 F22+f≈22.2 噸

根據彈性軸承載荷譜，飛行中加在彈性軸承大接頭上擺振方向的徑向載荷最大為3.2噸(過載3g俯沖拉起)，因此即使彈性軸承大接頭部位完全分層失效，彈性軸承功能不會喪失，不影響直升機的飛行安全。

圖6 離心力作用下彈性軸承大接頭分層失效受力分析

2.3.2 停車、開車過程中彈性軸承完全失效后的安全性分析

在停車和開車過程中旋翼轉速不高，彈性軸承承受的離心力載荷較小，如果進行正常啟動和制動，彈性軸承完全失效對直升機安全性影響不大;如果緊急剎車或剎車啟動，對于阻尼器采用傳統布置的旋翼，由于阻尼器的作用，彈性軸承會受到很大的徑向載荷，有可能導致失效部位錯位，甚至完全脫開，影響直升機安全。對于阻尼器葉間布置的旋翼，無論彈性軸承是否失效，如果緊急剎車或剎車啟動，旋翼整體扭轉，槳葉帶動槳轂支臂產生較大的前擺或后擺運動，導致槳轂支臂的擺振限動片與擺振限動塊非正常撞擊，造成槳轂其他結構件嚴重損傷。

2.3.3 彈性軸承完全失效對孤立旋翼動力學的影響分析

對球柔性旋翼來說，其動力學模型相當于帶鉸偏置與彈簧約束的鉸接式旋翼，對于基階模態，包含在球柔性旋翼基階模態中的彎曲將是很小的，不考慮彈性變形以及揮舞與擺振的哥氏力耦合，其揮舞與擺振基階模態頻率如下:

其中:

從以上表達式可以看出，影響揮舞基階模態頻率的因素包括離心力與鉸偏置量以及彈性軸承的約束剛度;與揮舞相比，由于離心力的作用方式不同，離心力在揮舞平面為平行力系，而在擺振面為中心力系，因此影響擺振基階模態頻率的因素主要是鉸偏置量以及彈性軸承的約束剛度。

以某型機為算例，外伸量為4.418%，彈性軸承剛度為56.5N·m/°，旋翼轉速 212r/min，彈性軸承失效前后其揮舞、擺振基階頻率如下表:

擺振一階 揮舞一階有彈性軸承約束0.2671 1.0348無彈性軸承約束0.2628 1.0338

從算例可以看出，揮舞基階模態頻率主要是由離心力與鉸偏置量決定的，彈性軸承約束所起到的作用有限，即使在彈性軸承失效的極端情況下，對揮舞基階模態頻率的影響也很小。擺振基階模態頻率相比揮舞來比，彈性軸承約束所起的作用更大一些，但主要的因素還是鉸偏置量。

由此可以認為彈性軸承失效對球柔性旋翼的動力學特性影響很小。

2.3.4 停車、開車過程中彈性軸承完全失效對“地面共振”的影響分析

由于彈性軸承的擺振剛度相對于槳葉擺振約束剛度很小，當彈性軸承部分或完全失效后，只是槳葉擺振約束剛度略有減小，對槳葉一階擺振頻率影響有限，在槳葉離心力的作用下，彈性軸承的球鉸功能依然有效，因此可以認為停車、開車過程中彈性軸承部分或完全失效對“地面共振”分析的影響不大，原來進行的“地面共振”分析有效，不會引起額外的動力學不穩定問題。

3 結論與建議

對于球柔性構型旋翼，無論配裝的阻尼器是液壓阻尼器還是粘彈性阻尼器，無論阻尼器布置方式是傳統布置方式還是葉間布置方式，彈性軸承失效都不會危及直升機飛行安全，對孤立旋翼動力學特性和全機動力學特性影響很小，不會引起額外的動力學不穩定問題。但在直升機停車和開車過程中，對于阻尼器葉間布置方式的旋翼，緊急剎車或剎車啟動會導致槳轂支臂與擺振限動塊的非正常碰撞;對于阻尼器傳統布置方式的旋翼，會導致彈性軸承承受較大的徑向載荷，導致彈性軸承薄弱部位部分或完全失效、甚至失效部位完全脫開，影響直升機的安全。

建議在直升機使用中應盡量避免緊急剎車或剎車啟動，防止槳轂支臂與擺振限動塊的非正常碰撞，防止彈性軸承薄弱部位部分或完全失效、甚至失效部位完全脫開，影響直升機安全。

［1］Belytschko T，Liu W K，Moran B.Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures［J］.John Wiley ＆Sons，2000.

［2］Simo J C.On fully three-dimensional finite strain viscoelastic damage model:Formulation and computational aspects［J］.Comput.Meth.In Appl.Mech.Eng.1987，60:153-173.