某型無人直升機變距滑塊的改進與分析

孫愛東，王德鑫，吳開春

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

某型無人直升機變距滑塊的改進與分析

孫愛東，王德鑫，吳開春

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）

以某型無人直升機變距系統為研究對象，分析其變距滑塊工作原理，采用有限元方法進行計算分析，得出其磨損原因，繼而對滑塊部件進行了結構優化設計，并進行有限元分析對比。結果表明其應變明顯減小，應力分布也更加均勻。實際使用試驗也表明，滑塊應變間隙明顯減小，使用壽命大大提高。

變距滑塊；磨損；有限元分析；優化設計

變距系統是直升機上的操縱部件，用來操縱直升機的飛行。對有人直升機而言整個變距操縱系統復雜而又繁瑣，反觀某型無人直升機的變距系統就比較簡單，整個系統通過變距拉桿下端連接直線型舵機組件，上端連接槳轂小拉桿。這樣飛控就可以通過控制舵機來改變槳距，從而來實現對無人直升機的控制。

1 問題描述

某型無人直升機原先的變距滑塊是用尼龍加工而成的，整個尼龍滑塊鑲嵌在主軸滑槽里，用來對變距系統進行限位，確保其只有上下方向一個自由度來操作直升機的飛行，如圖1所示。變距滑塊在直升機運轉時受力比較復雜，它受到直升機周期變距時主軸滑槽對滑塊的側向力和摩擦力，受到直升機啟動時主軸滑槽對滑塊的側向力，還受到主軸對滑槽的徑向力來保證變距系統穩定地固定在主軸上。

圖1 舊變距系統

原有的變距滑塊在如此惡劣的工況下，很容易產生磨損間隙和應變間隙。此處間隙稍有增加，就會激發該直升機主旋翼一倍頻率響應值，嚴重危害該直升機的飛行安全。

2 優化設計

2.1 優化設計方案

根據前面對變距系統工作原理和工況的分析。在滿足原先工作條件的基礎上，新變距系統的設計優化了變距滑塊的受力情形，并進一步對變距滑塊的材料進行了重新選擇。舊變距系統是通過變距滑塊來限位變距系統的運動方向，使它只能在上下方向自由滑動；新變距系統增加了一個尼龍組件來限位變距系統的運動方向，使它只能在上下方向自由滑動，這樣大大減輕了變距滑塊的受力工況。原先易磨損的尼龍變距滑塊也改成了耐磨且具有自潤滑效果的銅滑塊。這是新變距系統最主要的兩點結構優化設計。

2.2 優化設計分析

其中F舵機為單個舵機對變距拉桿施加的最大載荷16kg，θ為槳轂小拉桿與主軸的角度17°。

由于主旋翼下方氣流比較復雜，整個變距系統空氣阻力接觸面較小且旋轉半徑也很小，因此，在這里F測3作近似于0考慮。

式中：μ為鋼對尼龍的摩擦系數。

表1 摩擦系數值

新變距組件設計增加一個尼龍組件，該尼龍組件跟旋翼主軸內徑配合安裝來保證整個變距組件穩定地固定在主軸上，不再依靠變距滑塊限位固定。這樣變距滑塊只受到側向力和摩擦力。在這種受力環境下，變距滑塊選用了更耐磨、同樣應力情況下應變較小的銅材料。查表1可知：鋼與銅（帶潤滑）的摩擦系數為0.07，且則此時變距滑塊周期變距受到的摩擦力為：

f銅=（其中μ為鋼對銅的摩擦系數）。

通過以上計算和理論分析可知：優化設計后的新變距組件周期變距受到的摩擦力大大減小，該無人直升機操作性能也得到了相應的提高。原先磨損較嚴重的尼龍變距滑塊，換成了銅材料變得更加耐磨，使用壽命和安全性也大大提高。

3 有限元結果分析對比

為了更加直觀地比較新舊變距系統優缺點，本文對兩種變距系統受力比較復雜的變距滑塊進行相應的有限元分析，分析優化設計后的新變距系統是否位移變距變小了，是否避免了原先滑塊受力較大時就會產生局部間隙。根據上面的計算變距滑塊在周期變距時受到的最大側向力約為98N,在這里進行有限元分析對比。

表2 有限元計算數據對比

由表2數據可知：舊變距滑塊在受98N側向力時，最大應力為23.2MPa，位移云圖為0.11mm。表2里尼龍材料的抗壓屈服強度跟最大應力之比為3.4，基本滿足3倍的安全系數使用要求。但長時間運轉肯定會產生磨損、疲勞。在該力作用下的最大間隙達到了0.11mm，在這種間隙下該無人直升機操作精度得不到保證，而且該直升機的主旋翼一倍頻率響應值也大幅提高，是一個安全隱患。新變距滑塊在受98N側向力時，最大應力為18.3MPa，位移云圖為0.003mm。表2里銅屈服強度跟最大應力之比為18.3，遠遠大于3倍的安全系數使用要求。在該力作用下的最大間隙為0.003mm，遠遠小于尼龍滑塊產生的間隙，直升機的操縱精度、振動值得到了有效保證。銅對鋼的摩擦系數較小，新變距系統長時間運轉變距滑塊磨損和疲勞值都會很小。所以，新舊變距系統的有限元分析對比，有力地證明了新變距系統的優化性，合理性。

新變距系統裝配到直升機之后，對其進行了各種工況下的飛行試驗，在經過100h的飛行試驗后，對整個變距系統進行了檢查，發現尼龍組件和主軸內徑沒有產生間隙、磨損很輕微；變距滑塊和主軸滑槽沒有產生間隙，幾乎沒有磨損。由此，新設計的變距系統有效地解決了變距滑塊的磨損問題，增加了其使用壽命，能夠很好地應用到某型無人直升機，從而提高直升機的飛行安全性。

4 結語

（1）舊變距系統中變距滑塊受力復雜，短時間運轉后易摩損產生局部間隙，不利于直升機的安全飛行。有限元分析和實際試驗都證實了這點。

（2）優化設計的新變距系統通過增加了一個尼龍組件，分解了變距滑塊的受力情況，使其不再受到主軸徑向的力，從而變距滑塊可以改成更耐磨的銅材料。整個變距系統的使用壽命和直升機的安全性得到了提高。

（3）新變距系統的裝配更加簡單、易操作，且增加的尼龍組件上端面提供了一個很好的任務安裝平臺。

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V279；V275.1

A

1671-0711（2017）12（上）-0075-02