動靜軸結構旋翼軸載荷分離仿真分析與試驗研究

黃湘龍，尹 鳳，李艷艷，王文凱，趙思波

（1.中國航空發動機集團湖南動力機械研究所，湖南株洲412002；2.湖南工貿技師學院建筑裝飾系，湖南株洲412000）

直升機在現代戰場中扮演越來越重要的角色，直升機生存力是影響其戰場威懾力的關鍵因素，但我國對直升機傳動系統彈擊生存力的研究起步較晚，目前國內對高生存力直升機的需求日益迫切。旋翼軸作為直升機傳動系統的關鍵動部件，用于驅動直升機旋翼旋轉，其抗彈擊性能對直升機的戰場生存力有決定性影響。目前，國內使用的旋翼軸大多為單軸懸臂梁結構，受載復雜且其質量和疲勞壽命難以滿足設計要求，同時該型旋翼軸暴露在機身外部，在戰爭中易被子彈擊中而損壞。而動靜軸結構旋翼軸是一種獨立單元體構型的新型旋翼軸（如圖1（b）所示），由1根裝在內部的動軸和1根裝在外部的靜軸組合而成，理想條件下，動軸傳遞扭矩，靜軸傳遞旋翼升力和彎矩，實現了載荷分離傳遞，簡化了傳動鏈上零件的受載，減輕了零件的質量并減小了變形，降低了零件設計難度，使得零件的疲勞壽命易滿足設計要求，從而提高了旋翼軸的可靠性［1-4］；另外，內部動軸在外部靜軸的保護下，在戰爭中被損壞的概率降低，能有效提升旋翼軸的抗彈擊性能。動靜軸結構旋翼軸已應用于國外部分先進直升機傳動系統（如“阿帕奇”直升機和西科斯基先進旋翼機的傳動系統）［5-10］，它具有優越的結構性能和廣闊的應用前景，可滿足高生存力直升機的要求。國內對于動靜軸結構旋翼軸的研究剛起步，急需開展動靜軸結構旋翼軸構型設計、彈擊容限設計及驗證技術研究，以期為研制高生存力直升機傳動系統提供技術保障。

圖1 不同結構旋翼軸示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor shafts with different structures

1 動靜軸結構旋翼軸設計

參考某型直升機的旋翼軸，開展動靜軸結構旋翼軸縮比試驗件（結構尺寸為實際旋翼軸的1/2）研制，其限制載荷的方向和大小分別如圖2和表1所示。根據動靜軸結構原理，設計了2 種動靜軸結構旋翼軸，如圖3所示，其中：鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸的動軸與主減速器輸出軸采用鼓形花鍵連接，柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的動軸與主減速器輸出軸采用柔性聯軸節結構連接；2種旋翼軸的靜軸結構相同。

圖2 某型直升機旋翼軸限制載荷方向示意圖Fig.2 Schematic diagram of limited load direction of rotor shaft of a helicopter

表1 某型直升機旋翼軸限制載荷大小Table 1 Limited load magnitude of rotor shaft of a helicopter

如圖1所示，動靜軸結構旋翼軸靜軸上部與旋翼槳轂相連，下部與直升機機身平臺相連；動軸上部與旋翼槳轂相連，下部與主減速器輸出軸相連。理論上，直升機旋翼系統產生的復合載荷在動靜軸結構中分離傳遞，其中升力載荷不經過主減速器而直接傳遞至機身，主減速器主要承受旋翼系統產生的扭矩，其受載得到簡化。動靜軸結構旋翼軸作為槳轂、主減速器和機身的動力連接樞紐［11-13］，在實際工作中，靜軸在受到升力載荷（如拉力和彎矩）后產生受載變形，使得部分升力載荷傳遞到動軸，導致載荷分離不徹底，從而引發配合花鍵偏載、嚴重磨損及動軸疲勞壽命減小等故障。為掌握動靜軸結構旋翼軸系統的載荷分布規律，為直升機結構優化設計提供指導，開展了系統強度、剛度研究［14-17］。為了評估2種動靜軸結構旋翼軸中動軸和靜軸的載荷分離效果，開展了載荷分離有限元仿真分析和試驗研究。通過對采用不同材料和壁厚靜軸的2種動靜軸結構旋翼軸的載荷分離系數進行仿真分析，最終確定以2種壁厚（4和7 mm）的靜軸搭配2種連接結構（鼓形花鍵結構和柔性聯軸節結構）開展旋翼軸載荷分離試驗研究。

圖3 2種動靜軸結構旋翼軸的剖面圖Fig.3 Profile of two kinds of rotor shafts with dynamic and static axis structures

2 動靜軸結構旋翼軸載荷分離有限元仿真

2.1 旋翼軸材料性能參數

動靜軸結構旋翼軸主要零件（如動軸、靜軸、槳轂、鎖緊螺母、間隔套、動軸安裝座和傳扭盤）的材料為GJB 1951—94中的40CrNiMoA，其材料性能參數如表2 所示。其他陪試件如螺栓（GB/T 5783）、墊圈（GB/T 97）、螺母（GB/T 6170）和方板（GB/T 711）等采用國標件。

表2 40CrNiMoA材料性能參數Table 2 Performance parameters of 40CrNiMoA material

2.2 有限元仿真分析

采用ANSYS分析軟件建立了含軸承剛度、花鍵接觸等邊界條件的動靜軸結構旋翼軸有限元分析模型，其中軸承均采用彈簧單元來模擬，花鍵副處采用摩擦系數為0.1的摩擦接觸，其余連接處采用綁定接觸，用十節點四面體單元對該模型進行網格劃分，如圖4（a）所示。采用ANSYS Workbench 對動靜軸結構旋翼軸有限元分析模型進行線彈性和非線性接觸分析，計算獲得動靜軸結構旋翼軸的應變結果，如圖4（b）所示。通過提取動靜軸結構旋翼軸安裝座底面和靜軸底面約束位置的支反力和支反力矩，計算獲得2種動靜軸結構旋翼軸（靜軸壁厚為7 mm）的載荷分離系數仿真結果，如表3所示。對于動靜軸結構旋翼軸，需重點關注彎矩載荷的分離效果，彎矩載荷分離系數越高表明動軸受彎矩的影響越小，即旋翼軸的載荷分離效果越佳。結果表明柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的載荷分離效果（彎矩載荷分離系數約為77.2%）略優于鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸（彎矩載荷分離系數約為75.0%）。

圖4 動靜軸結構旋翼軸有限元分析模型及其應變分布云圖Fig.4 Finite element analysis model and strain distribution nephogram of rotor shaft with dynamic and static axis structure

表3 不同動靜軸結構旋翼軸載荷分離系數仿真結果Table 3 Simulation results of load separation coefficients of different rotor shafts with dynamic and static axis structures 單位：%

3 動靜軸結構旋翼軸載荷分離試驗

3.1 試驗設備

動靜軸結構旋翼軸載荷分離試驗在驗收合格且處于正常工作狀態下的具有多通道加載功能的專用結構試驗器上進行，該結構試驗器適用于航空零部件結構強度測試。如圖5所示，采用八通道手動加載試驗方法對動靜軸結構旋翼軸試驗件施加載荷［18-20］，并在其動軸和靜軸處粘貼應變片，其中：軸向力Fz，彎矩Mx、My的施加通過F1、F2、F3、F4實現，X向剪切力Fx的施加通過F5實現，Y向剪切力Fy的施加通過F6實現，扭矩Mz的施加通過等大反向的F7、F8合成實現；彎矩加載力臂（F1與F3及F2與F4之間力臂）為0.6 m，扭矩加載力臂（F7與F8之間力臂）為0.36 m；各載荷的大小參見表1。裝配后的動靜軸結構旋翼軸試驗件及其加載試驗臺實物圖如圖6所示。不同動靜軸結構旋翼軸動軸和靜軸上的應變片粘貼位置如圖7所示。

圖5 動靜軸結構旋翼軸載荷分離試驗加載方案Fig.5 Loading scheme for load separation test of rotor shaft with dynamic and static axis structure

圖6 動靜軸結構旋翼軸試驗件及其加載試驗臺實物圖Fig.6 Physical diagram of test piece and loading test bench of rotor shaft with dynamic and static axis structure

3.2 試驗過程

對靜軸壁厚不同的2種動靜軸結構旋翼軸進行載荷分離試驗，4種試驗組合如表4所示。按規定載荷對鼓形花鍵動靜軸結構和柔性聯軸節動靜軸結構加載軸向力、彎矩、扭矩及剪切力并進行試驗，各重復2次。如載荷與應變的線性關系不理想，視情調整試驗載荷后再進行試驗。

表4 動靜軸結構旋翼軸載荷分離試驗組合Table 4 Load separation test combinations for rotor shaft with dynamic and static axis structure

3.3 試驗結果分析

通過載荷分離試驗，初步獲得不同動靜軸結構旋翼軸試驗件的載荷分布規律：

1）對于不同的動靜軸結構旋翼軸，剪切力載荷均主要由靜軸承受，占總載荷的72.05%～77.55%，動軸承受少部分殘余剪切力載荷，占總載荷的22.45%～27.95%；柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸（7 mm 壁厚靜軸）的剪切力載荷分離效果最好，分離系數為77.55%，鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸（4 mm 壁厚靜軸）的剪切力載荷分離效果最差，分離系數為72.05%。

2）對于不同的動靜軸結構旋翼軸，軸向力（拉力）載荷均主要由靜軸承受，占總載荷的72%～77.37%，動軸承受少部分殘余軸向力（拉力）載荷，占總載荷的22.63%～28%；柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸（7 mm壁厚靜軸）的軸向力載荷分離效果最好，分離系數為77.37%，鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸（4 mm 壁厚靜軸）的軸向力載荷分離效果最差，分離系數為72%；考慮到實際工況下鼓形花鍵連接處有潤滑油（或潤滑脂），摩擦系數有所降低，因此，實際工況下鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸的軸向力載荷分離系數會比試驗結果高。

3）對于不同的動靜軸結構旋翼軸，彎矩載荷均主要由靜軸承受，占總載荷的77.91%～79.2%，動軸承受少部分殘余彎矩載荷，占總載荷的20.8%～22.09%；鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸（7 mm壁厚靜軸）的彎矩載荷分離效果最好，分離系數為79.2%，鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸和柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸（4 mm 壁厚靜軸）的彎矩載荷分離效果最差，分離系數約為77.9%。

圖7 不同動靜軸結構旋翼軸的應變片粘貼位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of pasting position of strain gages on different rotor shafts with dynamic and static axis structures

4）對于不同的動靜軸結構旋翼軸，扭矩載荷均幾乎完全由動軸承受，扭矩載荷分離系數不小于78.8%；不同動靜軸結構旋翼軸的扭矩載荷分離效果基本相當。

5）動靜軸結構旋翼軸試驗件的綜合載荷分離系數取各項載荷分離系數（大于50%）的最小值，4種試驗件的各項載荷分離系數如表5所示。由表5可知，靜軸壁厚為7 mm 的鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸和柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的綜合載荷分離系數分別為76.33%和77.37%，靜軸壁厚為4 mm 的鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸和柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的綜合載荷分離系數分別為72%和72.93%。

表5 動靜軸結構旋翼軸試驗件載荷分離系數Table 5 Load separation coefficient of rotor shaft test piece with dynamic and static axis structure單位：%

4 結 論

1）動靜軸結構旋翼軸載荷分離仿真結果和試驗結果基本一致，表明初步形成了動靜軸結構旋翼軸載荷分離特性研究的仿真方法和試驗方法，為直升機旋翼軸設計提供了指導；

2）采用7 mm壁厚的靜軸時，鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸和柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的各項載荷分離系數都大于75%，但柔性聯軸節動靜軸結構旋翼軸的綜合載荷分離系數（77.37%）略高于鼓形花鍵動靜軸結構旋翼軸（76.33%）；

3）采用7 mm 壁厚靜軸時動靜軸結構旋翼軸的載荷分離系數明顯比采用4 mm壁厚靜軸時高，但這會使旋翼軸變重，需合理選擇。