新型無鉸模型旋翼彈性軸承研究

王清龍,劉正勝

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.中國人民解放軍32382部隊，北京 100072)

0 引言

彈性軸承是通過硫化粘接將橡膠和金屬隔片組成交替排列形式的一類結構件。它不僅能滿足復雜工況下減振性能的要求，而且還具有結構簡單、無需潤滑、裝拆維修方便、使用壽命命長、性能可靠等優點，因而被廣泛應用于航空、航天、艦船、公路橋梁、建筑等諸多領域[1]。最早的彈性軸承是20世紀70年代初由美國海軍航空兵司令部(Navy Air System Command)委托Lord Manufacturing公司為直升機旋翼系統研制生產的，隨后國內外在彈性軸承的結構設計[2-3]、橡膠材料對彈性軸承力學性能的影響等方面進行了大量的研究[4]。

應用于直升機旋翼的彈性軸承種類較多，有球面彈性軸承、扇形彈性軸承、平面彈性軸承、柱形彈性軸承、錐形彈性軸承等。目前國內直升機主要采用星形柔性和球柔性兩種構型旋翼[5]，分別為第二代、第三代旋翼，均采用球面彈性軸承實現槳葉的揮舞、擺振、變距功能。新型無鉸旋翼屬于第四代旋翼(圖1)，具有操縱功效高、機動性好、結構簡單、零件數目少、重量輕、維護簡單、阻力低等優點；與球柔性旋翼槳轂相比，其零件數量減少20%，重量減輕10%以上。柱形彈性軸承和錐形彈性軸承通常是配套使用在新型無鉸旋翼上，兩個彈性軸承共同構成了槳轂的彈性變距鉸，是新型無鉸旋翼的兩個關鍵的元件。

圖1 新型無鉸模型旋翼結構示意圖

本文針對應用于新型無鉸模型旋翼的柱形彈性軸承和錐形彈性軸承，建立了一套較為完整和實用的剛度計算方法，利用理論計算、迭代設計的方法完成了結構設計；根據結構設計結果，完成了兩種彈性軸承金屬隔片制造，硫化模具設計及制造，硫化工藝方法摸索及確定，并最終完成了試驗件制造；通過試驗件的剛度試驗驗證了剛度計算方法的合理性。通過這一系列的工作，解決了由于模型旋翼槳轂尺寸小而帶來的柱形和錐形彈性軸承結構布置及疊層設計的設計及制造技術問題。

1 模型旋翼柱形彈性軸承設計

模型旋翼柱形彈性軸承由外筒、內筒和金屬柱形隔片/橡膠疊層組成。這種軸承是由橡膠隔開的同心圓筒形隔片組成的，在徑向能夠通過橡膠的壓縮承受高載荷，同時能通過剪切承受扭轉/軸向運動產生的載荷。

1.1 建立剛度計算方法

基本假設：

1) 柱形彈性軸承受扭時，金屬隔片不變形，保持柱面，橡膠片亦保持柱面；

2) 柱形彈性軸承扭轉時，膠層的厚度和承載面積的變化甚微，可以忽略不計；

3) 橡膠的變形在彈性限度范圍內，符合虎克定律；

4) 相對于柱形彈性軸承中心線半徑相同部位各膠層的剪應力沿厚度各自均勻分布，同一膠層半徑相同的部位剪應力相同；

5) 不考慮邊緣的應力集中；

6) 彈性體均勻無空隙，各向同性[6]。

形狀系數：

形狀系數定義為橡膠層受壓面積與其自由膨脹面面積之比，形狀系數越大，橡膠層的承載能力越大。本次模型旋翼柱形彈性軸承采用天然橡膠，其典型壓縮模量與形狀系數之間存在著如圖2所示的曲線關系[7]。模型旋翼柱形彈性軸承彈性體結構簡圖如圖3所示。

(1)

(2)

形狀系數的計算公式：

(3)

得知SF后，再通過圖2可查得壓縮模量。

每層橡膠層徑向剛度

(4)

則n層結構總的徑向剛度

(5)

每層橡膠層的軸向剛度

(6)

則n層結構總的軸向剛度

(7)

扭轉剛度

(8)

1.2 結構設計

根據模型旋翼的頻率配置和氣彈穩定性相關限制等要求，柱形彈性軸承的徑向剛度不小于0.9×107N/m，扭轉剛度不大于1.3N·m/°。

柱形彈性軸承安裝在模型旋翼槳轂中央件開孔內。根據該孔的初步尺寸給出柱形彈性軸承的第一輪結構外形及相關尺寸。考慮到柱形彈性軸承結構尺寸小會給金屬隔片加工及橡膠硫化帶來不利影響，故采取等厚度金屬隔片和等厚度橡膠層設計，以便提高試驗件加工質量。根據上述要求及限制，初步擬定金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，利用剛度計算公式進行計算，并根據計算結果調整金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，通過多次迭代計算及設計調整，確定柱形彈性軸承金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，最終確定柱形彈性軸承的外形尺寸并適當調整模型旋翼槳轂中央件開孔尺寸。

設計選取的天然橡膠的靜態剪切彈性模量為G=0.64 MPa，柱形彈性軸承的設計及計算結果如下：

橡膠層數量為4，厚度均為1.4mm，高度分別為18.75mm、20.25mm、21.75mm、23.25mm；

（1）觀賞型飄窗：此類飄窗的設計特點概括為全部窗臺與地面接觸（全落地），在進行室內設計時可將飄窗改成臥榻的形式。

金屬隔片的數量為3，厚度均為0.8mm，高度分別為19.5mm、21mm、22.5mm；

根據公式(5)、(8)可計算出模型旋翼柱形彈性軸承的徑向剛度為1.1×107N/m ，扭轉剛度為1.0N·m/°。

根據結構設計結果完成了10件模型旋翼柱形彈性軸承的制造，其實物圖如圖4所示。

圖4 模型旋翼柱形彈性軸承實物圖

2 模型旋翼錐形彈性軸承設計

模型旋翼錐形彈性軸承由大接頭、小接頭和金屬錐形隔片/橡膠疊層組成，能夠同時承受軸向和徑向的高載荷，且能實現扭轉運動。軸向和徑向的載荷是由橡膠體的壓縮-剪切來承受，扭轉運動產生的載荷由橡膠體的剪切來承受。其軸向剛度和徑向剛度一般能達很高，但扭轉剛度卻相對較低[8]。

2.1 建立剛度計算方法

基本假設：

1) 錐形彈性軸承受扭時，金屬隔片不變形，保持錐面，橡膠片亦保持錐面；

2) 扭轉時膠層的厚度和承載面積的變化甚微，可以忽略不計；

3) 橡膠的變形在彈性限度范圍內，符合虎克定律；

5) 不考慮邊緣的應力集中；

6) 彈性體均勻無空隙，各向同性[6]。

形狀系數：

不同的彈性軸承，其形狀系數的計算公式是有區別的，但可選用與模型旋翼柱形彈性軸承相同的天然橡膠，故可用圖2所示的曲線查找壓縮模量與形狀系數之間的關系。錐形彈性軸承橡膠層結構簡圖如圖5所示。

圖5 錐形彈性軸承橡膠層結構簡圖

對于錐形彈性軸承，設定單層橡膠錐面長度為L，錐底半徑為RA，外徑為RB，錐度角為φ，厚度為tR，橡膠剪切模量為G。

其受壓面積LA=π(RA+RB)L

(9)

自由面面積BA=2π(RA+RB)tR

(10)

形狀系數的計算公式：

(11)

得知形狀系數SF后，再通過圖2可查得壓縮模量EC。

(12)

每層橡膠層面積LA=π(RA+RB)L

(13)

每層軸向剛度KAi=KCi(sinφ)2

(14)

則n層結構總的軸向剛度

(15)

每層扭轉剛度

(16)

則n層結構總的扭轉剛度

(17)

2.2 結構設計

根據模型旋翼的頻率配置和氣彈穩定性相關限制等要求，錐形彈性軸承的軸向剛度不小于1.4×107N/m，扭轉剛度不大于0.55N·m/°。

錐形彈性軸承安裝在模型旋翼槳葉根部開孔內。根據該孔的初步尺寸給出錐形彈性軸承的第一輪結構外形及相關尺寸。考慮到錐形彈性軸承結構尺寸小，金屬隔片加工及橡膠硫化工藝實施困難，故采取等厚度金屬隔片和等厚度橡膠層設計，以便提高試驗件加工質量。根據上述要求及限制初步擬定金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，利用剛度計算公式進行計算，并根據計算結果調整金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，通過多次迭代計算及設計調整，確定錐形彈性軸承金屬隔片和橡膠層的數量及幾何尺寸，最終確定錐形彈性軸承的外形尺寸并適當調整模型旋翼槳葉根部開孔結構及尺寸。

設計選取的天然橡膠的靜態剪切彈性模量為G=0.64 MPa，模型旋翼錐形彈性軸承的設計及計算結果如下：

橡膠層數量為12，厚度均為1.2mm，錐度角均為76°，錐面長度均為21.6mm。

金屬隔片的數量為11，厚度均為0.7mm，錐度角均為76°，錐面長度均為21.6mm。

根據公式(15)、(17)可計算出模型旋翼錐形彈性軸承的軸向剛度為1.72×107N/m，扭轉剛度為0.45N·m/°。

根據設計結果完成了8件模型旋翼錐形彈性軸承的制造，其實物圖如圖6所示。

圖6 模型旋翼錐形彈性軸承實物圖

3 試驗驗證

3.1 模型旋翼柱形彈性軸承試驗

共完成10件模型旋翼柱形彈性軸承的徑向剛度和扭轉剛度測試，測試結果如圖7和圖8所示。

圖7 模型旋翼柱形彈性軸承徑向剛度計算值與試驗值

圖8 模型旋翼柱形彈性軸承扭轉剛度計算值與試驗值

3.2 模型旋翼錐形彈性軸承試驗

共完成8件模型旋翼錐形彈性軸承的軸向剛度和扭轉剛度測試，測試結果如圖9和圖10所示。

圖9 模型旋翼錐形彈性軸承軸向剛度計算值與試驗值

圖10 模型旋翼錐形彈性軸承扭轉剛度計算值與試驗值

4 設計值與試驗結果對比分析

1) 由圖7、圖8可以看出，10件模型旋翼柱形彈性軸承徑向剛度試驗值平均為1.01×107N/m，比計算值低8.2%；扭轉剛度試驗值平均為1.06 N·m/°，比計算值高6.0%。

2) 由圖9、圖10可以看出，8件模型旋翼錐形彈性軸承軸向剛度試驗值平均為1.82×107N/m，比計算剛度高5.8%；扭轉剛度試驗值平均為0.42 N·m/°，比計算剛度低6.7%。

3) 模型旋翼柱形彈性軸承和錐形彈性軸承剛度計算值與試驗值差異較小，說明了計算方法的合理性。計算值與試驗值存在差異可能是由于金屬隔片的制造誤差以及橡膠層不均勻等原因造成的。在后續的設計中，可進一步提高金屬隔片的制造精度及橡膠硫化過程中工藝的穩定性以控制彈性軸承的制造質量；或者在剛度計算過程中，考慮金屬隔片的制造精度和橡膠硫化過程中的工藝不穩定性等實際因素，根據前期積累的相關經驗，對計算結果進行合理的修正，使計算結果更精確地反映彈性軸承的真實剛度。

5 結論

新型無鉸旋翼具有操縱功效高、機動性好、結構簡單、零件數目少、重量輕、維護簡單、阻力低等優點，屬于第四代旋翼。柱形彈性軸承和錐形彈性軸承是新型無鉸旋翼兩個關鍵的元件，對新型無鉸旋翼的整體性能有著重要的影響。通過對模型旋翼柱形彈性軸承和錐形彈性軸承的設計與分析研究，建立了一套較為完整和實用的模型旋翼柱形彈性軸承、錐形彈性軸承的設計與剛度計算分析方法，同時解決了由于模型旋翼槳轂尺寸小帶來的柱形和錐形彈性軸承結構布置及疊層設計的設計及制造技術問題，并積累了一定的工程經驗，能為我國未來發展新型無鉸旋翼提供一定的技術支撐。