基于正交設計的直升機傳動組件磨損影響因素可靠性試驗技術研究

劉松宇，沈亞斌

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

基于正交設計的直升機傳動組件磨損影響因素可靠性試驗技術研究

劉松宇，沈亞斌

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

以直升機傳動系統組件為研究對象，采用正交設計，設計了一套新的磨損影響因素可靠性試驗，通過極差分析法和方差分析法對試驗數據進行處理分析，比較兩者優劣，確定對直升機機械組件磨損的主、次要影響因素，以此證明該可靠性試驗技術的實用性與合理性。

正交設計;磨損影響因素;可靠性試驗

0 引言

國內外直升機型號繁多，不同機型的傳動裝置結構都有所不同，而且根據使用目的的不同亦需選擇相對應的傳動方式，有以傳動桿和搖臂為主要組件的硬式傳動，有以滑輪和鋼索為主要組件的軟式傳動，也有軟/硬混合式傳動，但以上不同的傳動方式都不可避免地遇到同一個問題——傳動裝置組件因相對運動而產生摩擦，經過一定的工作時間后會導致磨損失效。有些時候，某些組件發生磨損失效，最終會導致整個傳動系統發生故障，停止工作［1，2］。例如，某型號直升機在執行任務過程中，旋翼一般由發動機通過傳動軸(即減速器)等組成的機械傳動系統來驅動［3］，在這一系列復雜組件中，無法避免磨損失效問題的發生，所以對于裝置中扮演重要角色的機械組件，如何準確地判斷維修更換時間，如何延長其安全壽命，這些問題都極具研究價值，至此對其進行磨損可靠性研究便顯得尤為必要［4］，而任何研究都離不開試驗數據的采集。

本文基于上述技術背景，特以直升機系統中的較為常見的機械組件為研究對象，采用正交設計技術，設計了一套新的磨損可靠性試驗方法;同時，分別利用極差分析法和方差分析法對試驗數據進行處理，比較兩者的優劣，最終確定對直升機傳動系統組件磨損的主、次要影響因素。

1 試驗準備

1．1 主要試驗參試樣品

傳動齒輪、滾針襯套、主軸、連接齒套等。

1．2 試驗條件

1)試驗設備要求

動力:可采用650KW電機;

液壓設備:需提供移動式液壓源。

2)試驗測量設備和儀表

外形測量:游標卡尺0150mm，千分尺050mm;

壓力測量:試驗平臺壓力值測量見表1;

溫度測量:紅外測溫儀;

試驗用油:試驗用油與實機相關裝置用油一致。

表1 壓力測量參數

2 磨損影響因素正交試驗設計

2．1 試驗目的

通過該試驗判斷載荷、轉速、硬度等影響因素與傳動齒輪磨損的關系。

2．2 試驗方法

利用正交表頭設計正交試驗，根據現場經驗，選取三個主要影響因素，每個因素確定4個水平，共設計16組載荷、轉速、硬度不同組合的正交磨損試驗，按節點記錄傳動齒輪磨損量(表2、表3)。

特別說明:正交表頭具有“整齊可比，均勻分散”的正交性，必須保證設計的正交表頭滿足此兩點性質;因本正交試驗是三因素四水平的，故選用L16(43)的正交表頭［5，6］。

表2 因素水平表

表3 正交試驗方案表

2．3 試驗方案設計

1)對原始傳動齒輪進行600次磨合，保證進入穩定磨損階段。

2)磨合結束后，每200次換擋對傳動齒輪厚度進行測量，共測量10次(即共換擋2000次)，按節點記錄傳動齒輪磨損量。

3)重復上述兩步，按照正交表頭L16(43)共完成16組試驗。

3 試驗結果及數據分析

3．1 測量結果

整理16組測量數據，見表4。

表4 磨損影響因素正交試驗結果測量表

3．2 數據分析

考慮到正交試驗的獨特性，運用極差分析法和方差分析法兩種分析方法對試驗結果進行處理分析，準確判斷各影響因素與傳動齒輪磨損的關系。

3．2．1 極差分析法

極差分析法的原理是通過極差的大小確定影響因素的主次關系。極差分析法的結果分析見表5。

表5中，Ki為任一列上水平號是i(i=1，2，3，4)時所得試驗指標值的總和;ki:ki=Ki/s，其中s是各水平在任意一列上出現的次數，故ki為任一列上，因素取水平i(i=1，2，3，4)時所對應試驗結果的算術平均值;R:稱為極差，即在任意一列上，R=max {K1，K2，K3，K4}－min{K1，K2，K3，K4}，或R=max {k1，k2，k3，k4}－min{k1，k2，k3，k4}。

表5 正交試驗結果的極差分析

各列的極差通常是不相等的，這也正表示各個因素水平的改變會對正交試驗指標值產生不同等級的影響。極差R愈大，說明在一定范圍內該列影響因素的變化會導致試驗指標值(即傳動齒輪磨損率w(t))產生愈大的變化，故極差R最大的一列便為最主要影響因素，據此依次可對因素主次進行排列。

通過表5可知，R(轉速)=19．75遠大于R(油壓)=3．25和R(硬度)=2．75，故轉速為影響傳動齒輪磨損的最主要因素，而且影響效力遠大于載荷和硬度;R(油壓)=3．25雖稍大于R(硬度)= 2．75，但仍屬同一等級，二者影響效力相當。

3．2．2 方差分析法

方差分析法能夠把由因素水平變化所導致的測量結果的差異和測量誤差分開來，若某因素水平的變化導致測量結果的變動與測量誤差相差較大，即認為該因素對試驗測量結果存在顯著的影響;反之，即認為該因素對試驗測量結果影響不顯著。主要分析過程是先算取因素和誤差的離差平方和，再依次計算自由度、均方、F值，最后進行F檢驗。

具體計算過程如下，見式(1)－式(20):

1)計算離差平方和

①總離差平方和SST

則總離差平方和:

②各因素引起的離差平方和SSj

式中，j=1，2，3，4為某因素所在的列號，r為其水平數，如因素A在第1列上，即SSA=SS1，依次同理，則有:

③試驗誤差的離差平方和SSe

試驗方案表3中的空列是誤差列，目的是作方差分析的對比項，誤差的離差平方和在計算過程中是求取所有空列對應的離差平方和的總和，即:

2)計算自由度

總自由度:

各因素自由度:

誤差自由度:

3)計算均方(即平均離差平方和)

各因素均方:

誤差均方:

但發現MSA＜MSe，MSC＜MSe，說明因素A和C對試驗指標值的影響較小，是次要因素，故二者均歸入誤差里，這樣誤差的離差平方和、自由度、均方也隨之變化，即:

新誤差離平方和:

新誤差自由度:

新誤差均方:

4)計算F值

F值是各影響因素對應的均方與誤差均方的比值(本試驗因為因素A、C都算入誤差里，所以不需計算A、C的F值，真正意義上的主要影響因素僅為B，即轉速):

5)F檢驗

在顯著性水平確定的前提下，檢驗影響因素是否對試驗指標值存在顯著性影響。即先通過F分布表查得臨界值，再對F值和臨界值進行數值比較，若，則因素B對試驗指標值存在顯著性影響，反之不存在。通常F值和臨界值之間的相差愈大，表示該因素對試驗指標影響愈為顯著，即該因素愈為關鍵。

本正交試驗經查表得:F0．05(3，12)=3．49，F0．01(3，12)=5．95，故對應于給定的顯著性水平α= 0．05，α=0．01，FB=15．7755542＞F0．05(3，12)= 3．49，FB=15．7755542＞F0．01(3，12)=5．95，即影響因素B對試驗指標值(即傳動齒輪磨損率w(t))存在非常顯著的影響，最后將分析結果列于表6。

表6 正交試驗方差分析表

方差分析法的分析結果是影響因素B(轉速)對傳動齒輪磨損有顯著性影響，而影響因素A(載荷)和C(硬度)相對來說均為次要因素，有影響，但效力并不顯著，這也與極差分析法的分析結果一致。

綜上所述，得到磨損影響正交試驗結論:

1)影響傳動齒輪磨損的眾多因素里，轉速影響作用最大，即為最主要影響因素;

2)相對于轉速，載荷和硬度影響效力相當，但影響作用不大，即為次要影響因素。

3)方差法充分考慮試驗誤差的存在，把由因素水平變化所導致的測量結果的差異和測量誤差分開來，相較于極差法，方差法的分析結果更為真實可靠。

4 結論

本文以直升機傳動系統組件——齒輪為試驗研究對象，結合部隊外場環境，選取三項對機械磨損最為重要的影響因素(載荷、轉速、硬度)，采用正交設計技術，設計磨損影響因素試驗，確定了轉速是對齒輪磨損影響最大的主要因素，同時載荷和硬度為效力相當的次要因素。

磨損影響因素可靠性正交試驗獲得的試驗結果，較為準確地反映了對直升機機械組件磨損影響因素的主次要關系，比較了極差分析法和方差分析法的數據處理技術，成功建立了實用的確定主要磨損影響因素的可靠性試驗新技術，該試驗技術具有相當的應用價值，符合工程實際。

［1］ 陶梅貞，現代飛機結構設計［M］．西安:西北工業大學出版社，1997．

［2］ 《飛機設計手冊》總編委會編，編．飛機設計手冊第12冊［M］．北京:航空工業出版社，2003．

［3］ 陳怡樞［J］．展望21世紀直升機技術的新進展［J］．直升機技術，2000(121):45－49．

［4］ 黃洪鐘．機械傳動可靠性理論與應用［M］，北京:科學出版社，1995．

［5］ 徐仲安，王天保，李常英．正交試驗設計法簡介［J］，科技情報開發與經濟，2002，12(5):148－150．

［6］ 陳 東，黃 平，王 歡．用正交設計伏化半金屬摩擦材料的配方［J］，機械工程材料，2004，28(5):35－37．

Research on the Wear Reliability Test Technique of the Transmission System Assembly Influential Factors of Helicopter based on Orthogonal Test Design

LIU Songyu，SHEN Yabin
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In this paper，with helicopter transmission system as its research object，adopted the orthogonal designing method to design a new test for determining the reliability of wear influential factors．To verify the practicability and reasonability of technology test，the test data were processed and analyzed using range analysis method and variance components method to compare the advantages and disadvantages of the two and determine major and secondary influence factors for abrasion of helicopter mechanical components．

orthogonal design;influential factors;reliability test

V216．6

A

1673-1220(2017)02-056-05

2016－10－08

劉松宇(1989－)，男，河北安國人，碩士，助理工程師，主要研究方向:直升機五性設計。