(中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066)
摘要：在直升机旋翼系统中，自动倾斜器是将经直升机飞行操纵系统传递过来的驾驶员或自动驾驶仪的指令转换为旋翼桨叶受控运动的一种装置。由于旋翼是旋转的，驾驶员可通过自动倾斜器将操纵指令从不旋转的机身传递到旋转的桨叶，从而使桨叶的桨距发生周期性变化，桨叶的旋转平面会向所需方向倾斜，最终达到控制直升机横向和纵向飞行。而自动倾斜器扭力臂正是安装在旋翼轴上用于保证旋转环与桨叶一起同步旋转，实现桨叶变距的一种不可或缺的装置。扭力臂疲劳寿命的长短，势必影响着自动倾斜器的使用寿命，从而影响着整个直升机的飞行性能。因此，研究自动倾斜器扭力臂的疲劳性能与破坏模式就显得尤为重要。
关键词：自动倾斜器；扭力臂疲劳试验件；破坏问题
本文主要针对某型机自动倾斜器扭力臂疲劳试验中试验件工作状态异常引起的试验件疲劳性能降低、试验件提前破坏等问题进行探究和分析，并基于疲劳试验设计方案，包括试验安装测量、试验加载方法、测量设备加载误差控制等方面，分析了试验中试验件关键部位工作状态异常的可能原因，并提出了几种解决方案。最后，将提出的解决方案应用到后面的试验中，取得了令人满意的试验结果，为某型机自动倾斜器扭力臂的后续抽检试验及后续直升机批产交付工作提供了有利的技术保障。
1试验件结构及安装加载方法
1．1扭力臂试验件结构
扭力臂试验件主要由卡环、方形臂、三角臂、扭力臂螺栓等部件组成。其中，卡环通过两根扭力臂螺栓(图中1#螺栓、2#螺栓)、碳化钨直衬套以及碳化钨垫圈等标准件与两侧的方形臂相连;卡环两侧的方形臂与三角臂也是通过扭力臂螺栓(图中3#螺栓、4#螺栓)、碳化钨直衬套以及碳化钨垫圈等标准件连接。扭力臂螺栓将卡环与方形臂连接，碳化钨直衬套栓套在螺栓两端，安装时需要保证碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的实际测量间隙在0．3mm到1mm之间。
1．2试验件安装及加载方法
1．2．1试验件安装
试验前，需要按照实际装机技术要求，将扭力臂试验件固定在主轴假件(试验夹具)上，扭力臂盒形件通过螺栓与卡环连接，扭力臂和旋转环连接点为加载点。安装时需要保证扭力臂盒形件和水平成20°角，扭力臂盒形件和叉形件成98°。
1．2．2试验件加载方法
试验时，可通过协调加载控制系统对扭力臂试验件施加一对与旋翼旋转方向相反的载荷，即载荷方向沿X轴方向加载，两个作动器执行机构施加的载荷方向保证180°相位差，试验采用正弦波波形加载。
2试验问题分析及解决方案
2．1试验问题描述
从数件扭力臂试验件的疲劳试验中发现，扭力臂方形臂与卡环连接端的碳化钨直衬套比较容易碎裂，扭力臂螺栓会频繁破坏，方形臂凸肩衬套会在试验中发生脱胶或破坏，有时甚至会出现卡环衬套松脱、方形臂或三角臂提前破坏等现象。方形臂凸肩衬套的脱胶或破坏、卡环衬套松脱都会使扭力臂试验件返厂检修，延长试验周期，影响试验进度。同时，扭力臂螺栓的频繁破坏和方形臂或三角臂的提前破坏，会使扭力臂螺栓、方形臂、三角臂等重要部件的疲劳性能降低或抽检寿命不合格，严重影响着某型机的批产交付工作。
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2．2试验问题分析及探究
探究上述问题不难发现，碳化钨直衬套破坏后，正是由于方形臂与卡环连接端的实际工作状态发生了改变，导致碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的工作间隙发生变化，不满足0．3mm到1mm之间的安装技术要求。或因为扭力臂螺栓上锁紧螺母拧紧力矩的丢失造成螺栓松动而使碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的工作间隙增大;或因为碳化钨直衬套的破坏，使扭力臂螺栓与方形臂之间的配合出现了局部“阶段性别死”状态，此时碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的工作间隙会减小。这两种情况都会使卡环扭力臂螺栓在试验中发生非正常断裂而提前破坏。
碳化钨直衬套破坏后，碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的工作间隙值变小，而由于三角臂不断受到来自作动器的切向载荷作用，碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间几乎没有间隙来平衡调整方形臂的切向受力，这就会使方形臂与扭力臂螺栓之间出现局部“阶段性别死”现象。由于方形臂与卡环之间是通过扭力臂螺栓来完成锁紧连接的，因此会有一个附加弯矩通过方形臂传递给扭力臂螺栓。扭力臂疲劳试验施加的是周期性过零载荷，持续往复的“非常态”周期性弯矩作用在扭力臂螺栓上，必然会使其断裂破坏。扭力臂螺栓与方形臂之间的非正常相互作用会使方形臂凸肩衬套脱胶或碎裂，有时甚至会引起卡环衬套松脱。碳化钨直衬套破坏后的非正常试验状态，有时也会对方形臂或三角臂造成一定影响，导致其提前破坏。
2．3解决方案
2．3．1载荷波形“预判”检查与测量设备加载误差调整
试验时，协调加载控制系统主要采用命令与反馈方式来施加试验载荷，即施加一个理论命令，输出一个与理论值误差不超过3%的实际试验载荷。试验初期载荷波形比较稳定，命令值与反馈值吻合较好。但随着试验的持续进行，卡环及方形臂连接端碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的间隙变大，试验载荷波形也会发生比较明显的变化。一侧扭力臂载荷命令值与反馈值在零值处出现“台阶”，这主要是由于卡环与方形臂连接端碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的间隙变大，造成了载荷换向时三角臂杆端与关节轴承间的大接触间隙。此时就需要检查扭力臂螺栓的拧紧力矩是否丢失、三角臂端部螺栓是否松动等。扭力臂一侧试验反馈载荷出现“毛刺”，其原因或是由于扭力臂螺栓与方形臂之间的局部“别死”状态，致使试验中扭力臂螺栓承受较大弯矩而发生破坏;或是由于扭力臂螺栓力矩丢失，使扭力臂螺栓松动处于自由状态，碳化钨垫圈与方形臂凸肩衬套之间的工作间隙变大，致使扭力臂螺栓非正常工作而发生破坏。此时需要拆卸试验件更换扭力臂螺栓，以免对方形臂或三角臂造成进一步破坏。
2．3．2碳化钨直衬套的定期更换
卡环连接端碳化钨直衬套的破坏频率，直接影响着扭力臂螺栓的疲劳性能及方形臂凸肩衬套的脱胶或破坏周期，决定着试验件的返修次数，进而影响着整个扭力臂试验的进度。碳化钨直衬套的破坏、碎裂会造成扭力臂连接螺栓的磨损甚至提前断裂;而某些时候方形臂或三角臂等试验件的提前破坏也与早期扭力臂螺栓、碳化钨直衬套的失效有关。因此，在试验过程中对卡环连接端的碳化钨直衬套进行定期更换，加强对卡环连接端方形臂上的碳化钨凸肩衬套检查，就显得尤为重要和关键。
2．3．3试验安装的定期检查
试验前，确保扭力臂螺栓施加的拧紧力矩要在技术要求范围内，过大的力矩会使碳化钨垫圈与凸肩衬套之间的安装间隙过小。试验中螺母松脱会使扭力臂螺栓力矩丢失，使碳化钨垫圈与凸肩衬套之间的工作间隙不符合技术要求，从而影响试验效果。因此，试验中要定期检查扭力臂螺栓安装力矩，测量碳化钨垫圈与凸肩衬套之间的间隙，确保其值在要求范围内。此外，还需注意的是，载荷传感器的接线端头自重往往在试验时产生弯矩，使加载接头上的关节轴承与三角臂杆端根部之间紧密接触产生“磨痕”，影响三角臂试验件的疲劳性能。这就需要在试验前的安装工作中，消除传感器接线端头的自重影响，即将端头定位在竖直向下的方向，消除其自重对三角臂试验件带来的负面影响。将上述解决方案应用到后续几件试验件的试验中，可以看出由于定期检查了碳化钨凸肩衬套与垫圈之间的工作间隙，并采取了定期更换碳化钨直衬套等措施，试验件长期处于正常的试验工作状态，从而减小了扭力臂螺栓的破坏频次，增强了其疲劳性能。同时，也减少了方形臂凸肩衬套因脱胶或破坏所引起的返厂检修次数，缩短了试验周期，提高了试验效率。方形臂和三角臂等试验件的疲劳寿命也得到相应提高，没有出现提前破坏的情况，整体试验效果令人满意。
结论
将上述解决方案应用到后续试验件的疲劳试验中，得到了令人满意的试验结果，为某型机自动倾斜器扭力臂的后续抽检试验及该型机的批产交付工作提供了有利的技术保障。
参考文献：
[1]王学雷.直升机自动倾斜器力学分析及动力学仿真[D].燕山大学,2013.
[2]马艳艳.直升机自动倾斜器球铰轴承测试机构的研究[D].燕山大学,2014.
论文作者:宁朝晖
论文发表刊物:《防护工程》2017年第31期
论文发表时间:2018/3/19
标签：扭力论文; 衬套论文; 螺栓论文; 方形论文; 卡环论文; 垫圈论文; 载荷论文; 《防护工程》2017年第31期论文;