自動傾斜器防扭臂組件的疲勞鑒定

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

自動傾斜器是指在直升機中改變旋翼傾斜方向和槳葉傾角的專用裝置。直升機駕駛員可以通過自動傾斜器將操縱指令從不旋轉的機身傳遞到旋轉的槳葉，拉動槳葉周期性的改變槳距，使旋翼旋轉平面發生傾斜，從而使直升機沿著旋翼拉力水平分量的方向飛行，達到控制直升機飛行方向的目的[1]。防扭臂組件是直升機自動傾斜器中一個不可或缺的關鍵部件，防扭臂組件兩端分別連接不動環和主減速器殼體以防止不動環隨動環轉動。直升機在不同的周期操縱情況下，防扭臂組件中的方形臂和三角臂、方形臂和支座之間會存在高速的周期性擺動。與此同時，防扭臂組件在工作中還要承受來自變距拉桿沿動環或阻力器沿不動環的周向不平衡力。因此，防扭臂組件疲勞壽命的長短將直接影響自動傾斜器的使用壽命和直升機的飛行性能。本文從試驗設計方案、試驗加載方式、疲勞壽命評估等方面對直升機自動傾斜器防扭臂組件疲勞試驗進行了闡述。

1.防扭臂組件結構及安裝加載方式

1.1 防扭臂組件結構

防扭臂組件主要由三角臂和方形臂構成。三角臂與方形臂、方形臂與試驗安裝支座均通過防扭臂螺栓、WC墊圈和WC直襯套等零部件相連。防扭臂螺栓安裝結構如圖1所示，WC墊圈和WC直襯套分別置于防扭臂螺栓兩側穿入方形臂。在試驗過程中保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm。

圖1 防扭臂螺栓安裝結構示意圖

1.2 防扭臂組件安裝加載方式

按疲勞鑒定試驗要求對直升機防扭臂組件進行安裝和邊界條件模擬。防扭臂組件安裝在自行設計的配套裝置上，同實際裝機情況一致。防扭臂方形臂和支架連接的一端與方形臂安裝支座相連，防扭臂三角臂的一端與載荷加載機構連接。在試驗過程中，防扭臂組件的方形臂和三角臂的夾角要保持在117.3°，試驗安裝如圖2所示。試驗時，通過載荷加載機構對防扭臂組件施加一個與旋翼旋轉方向相同的載荷，試驗過程中采用正弦波波形加載。

圖2 防扭臂組件試驗安裝示意圖

2.試驗問題分析與解決方案

2.1 試驗問題分析

從多次的自動傾斜器防扭臂組件疲勞試驗可以發現，試驗過程中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙經常出現異常，即不符合“試驗過程中保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm”的試驗安裝要求。根據以往經驗，導致WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常的原因有很多。比如當防扭臂螺栓的擰緊力矩丟失時，防扭臂螺栓發生松動而使WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙增大，大于試驗要求的0.3mm～1mm，這會導致防扭臂螺栓在試驗過程中的“竄動”幅度變大，使得防扭臂螺栓的受力與真實裝機狀態不符，可能引起防扭臂螺栓的提前失效。試驗過程中，WC直襯套比較容易發生磨損或者破裂現象，這也會導致防扭臂螺栓與方形臂凸肩襯套的工作狀態發生變化，使WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙減小，加快了防扭臂螺栓光桿部位的磨損速度，在螺栓的光桿部位形成了一個個小臺階，導致防扭臂螺栓不能沿著其軸線方向正常的游隙，發生“卡滯”現象。三角臂在疲勞試驗過程中持續受到沿X方向的切向載荷F的作用，如果WC墊圈與方形臂凸肩襯套間的間隙過小，無法平衡方形臂所受到的切向力，將會導致防扭臂螺栓的兩端受到額外的彎矩作用[2]。在周而復始的額外彎矩作用下，防扭臂螺栓的疲勞壽命將會受到較大影響。此外，方形臂凸肩襯套的脫膠或破裂也是造成試驗過程中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常的常見原因。總而言之，WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常將會導致防扭臂螺栓與方形臂間的工作狀態發生改變，不僅對防扭臂螺栓造成損傷，異常的工作狀態有時也會對三角臂和方形臂產生一定影響，導致三角臂和方形臂的提前破壞。每當試驗過程中出現WC直襯套磨損嚴重或破裂、方形臂凸肩襯套脫膠等情況時，試驗件都需要進行返廠修理。不僅大大延長了試驗周期，有時甚至會對三角臂、方形臂等重要部件造成不可逆的損傷，使其疲勞壽命降低，嚴重時導致防扭臂組件疲勞壽命不合格，影響該組件的批產交付工作。因此尋求合適的解決方案減少或避免這類情況的發生顯得尤為重要。

2.2 解決方案

針對上述對試驗中WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙異常問題的分析，可以從以下兩方面解決問題。

（1）載荷波形監控工作間隙是否異常。試驗過程中需保證WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙在0.3mm～1mm，有時卻難以確認工作狀態下的防扭臂組件間隙是否異常，因此利用載荷波形監控試驗成為了一種選擇。在疲勞試驗過程中，利用協調加載控制系統，通過命令指令和反饋指令實時監控施加在防扭臂組件上的載荷大小。當WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙正常時，在采集的載荷波形圖中，反饋指令在過零點附近會出現“小臺階”，如圖3所示。這是因為防扭臂螺栓在受到拉壓載荷，沿軸線方向正常游隙的過程中，防扭臂組件所受載荷為0，使得反饋指令在零點附近滯后于命令指令，從而在零點附近形成“小臺階”形狀的波形。WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間的間隙過大或者過小，都會導致“小臺階”形狀變大或者變小。因此我們可以在試驗過程中，通過觀察“小臺階”的變化判斷防扭臂組件的工作狀態是否異常。當發現間隙異常時，及時通過更換WC直襯套、防扭臂螺栓等方法避免防扭臂組件非正常工作狀態下對三角臂、方形臂等造成進一步損傷。

圖3 防扭臂疲勞試驗正常載荷波形圖

（2）定期更換WC直襯套及相關配套裝置。試驗過程中WC直襯套容易發生磨損或者碎裂，導致WC墊圈與方形臂凸肩襯套的間隙減小，防扭臂組件工作狀態異常。因此在試驗周期中，定期更換WC直襯套可以有效解決這一問題。相比于返廠檢修，更換WC直襯套大大縮短了試驗周期和防扭臂組件不必要的損傷。此外，由于WC墊圈與方形臂凸肩襯套之間間隙的存在，防扭臂螺栓在試驗過程中會有一定程度的“竄動”，導致WC直襯套不斷撞擊方形臂安裝支座的端面，在端面上形成凹坑，如圖4所示。凹坑使得防扭臂螺栓不能沿著其軸線方向正常的游隙，發生“卡滯”現象，引起防扭臂螺栓與方形臂凸肩襯套的工作狀態發生變化。所以定期更換試驗中的相關配套裝置也尤為重要。

圖4 試驗前后方形臂支座端面照片

3.壽命評估分析

自動傾斜器防扭臂組件批產抽檢試驗完成1件有效件，試驗件在完成第一級載荷50萬次后，進行載荷升級，并在第二級載荷進行至6萬多次時，由于方形臂破壞，試驗終止。根據批產抽檢疲勞試驗結果計算各部件平均疲勞極限，見表1。

表1 自動傾斜器防扭臂組件疲勞極限

小批量生產產品的抽樣檢驗判斷時，取統計變量：

式中：S∞0、σ為原產品疲勞極限對數平均值和標準差；S∞m、n為抽樣件疲勞極限對數平均值和抽樣件數。

假設統計變量U服從正態分布，因此對應于顯著性水平α1=5%的警告線和α2=0.2%的不合格線的標準正態偏量分別為UH=Uα1=-1.65和UL=Uα2=-2.90，即當U＞UH時，說明產品合格，當U＜UL時，則產品不合格，而當UL＜U＜UH時，產品的合格性受到懷疑，應查找原因，并增加抽檢數量，再重新進行計算、判斷，直到得出合格或不合格的結論為止。

由直升機自動傾斜器防扭臂組件疲勞壽命評定，可知鑒定試驗中自動傾斜器防扭臂組件的平均疲勞極限S∞0與標準差σ，抽檢試驗件的平均疲勞極限S∞m取自表1，n取1，按照式（1）計算得到此批產抽檢疲勞試驗的U值，見表2。

表2 自動傾斜器防扭臂組件抽檢結果

計算得到此批產抽檢疲勞試驗的各危險部位U值均大于警告界限，該批產品抽檢樣件合格。

4.結語

本文介紹了防扭臂組件疲勞試驗設計方案。并就試驗過程中出現的防扭臂組件狀態異常的問題進行了探討分析，并提出了相應的解決方案。將文中所述的方案運用到實際中，大大縮短了試驗周期，為試驗件批產交付工作提供了有力的保障。根據試驗結果與統計原理，得出該防扭臂組件合格的結論。