某型无人直升机变距滑块的改进与分析

2017-12-07孙爱东王德鑫吴开春

中国设备工程 2017年23期

关键词：新变尼龙滑块

孙爱东，王德鑫，吴开春

（总参谋部第六十研究所，江苏南京 210016）

某型无人直升机变距滑块的改进与分析

孙爱东，王德鑫，吴开春

（总参谋部第六十研究所，江苏南京 210016）

以某型无人直升机变距系统为研究对象，分析其变距滑块工作原理，采用有限元方法进行计算分析，得出其磨损原因，继而对滑块部件进行了结构优化设计，并进行有限元分析对比。结果表明其应变明显减小，应力分布也更加均匀。实际使用试验也表明，滑块应变间隙明显减小，使用寿命大大提高。

变距滑块；磨损；有限元分析；优化设计

变距系统是直升机上的操纵部件，用来操纵直升机的飞行。对有人直升机而言整个变距操纵系统复杂而又繁琐，反观某型无人直升机的变距系统就比较简单，整个系统通过变距拉杆下端连接直线型舵机组件，上端连接桨毂小拉杆。这样飞控就可以通过控制舵机来改变桨距，从而来实现对无人直升机的控制。

1 问题描述

某型无人直升机原先的变距滑块是用尼龙加工而成的，整个尼龙滑块镶嵌在主轴滑槽里，用来对变距系统进行限位，确保其只有上下方向一个自由度来操作直升机的飞行，如图1所示。变距滑块在直升机运转时受力比较复杂，它受到直升机周期变距时主轴滑槽对滑块的侧向力和摩擦力，受到直升机启动时主轴滑槽对滑块的侧向力，还受到主轴对滑槽的径向力来保证变距系统稳定地固定在主轴上。

图1 旧变距系统

原有的变距滑块在如此恶劣的工况下，很容易产生磨损间隙和应变间隙。此处间隙稍有增加，就会激发该直升机主旋翼一倍频率响应值，严重危害该直升机的飞行安全。

2 优化设计

2.1 优化设计方案

根据前面对变距系统工作原理和工况的分析。在满足原先工作条件的基础上，新变距系统的设计优化了变距滑块的受力情形，并进一步对变距滑块的材料进行了重新选择。旧变距系统是通过变距滑块来限位变距系统的运动方向，使它只能在上下方向自由滑动；新变距系统增加了一个尼龙组件来限位变距系统的运动方向，使它只能在上下方向自由滑动，这样大大减轻了变距滑块的受力工况。原先易磨损的尼龙变距滑块也改成了耐磨且具有自润滑效果的铜滑块。这是新变距系统最主要的两点结构优化设计。

2.2 优化设计分析

其中F舵机为单个舵机对变距拉杆施加的最大载荷16kg，θ为桨毂小拉杆与主轴的角度17°。

由于主旋翼下方气流比较复杂，整个变距系统空气阻力接触面较小且旋转半径也很小，因此，在这里F测3作近似于0考虑。

式中：µ为钢对尼龙的摩擦系数。

表1 摩擦系数值

新变距组件设计增加一个尼龙组件，该尼龙组件跟旋翼主轴内径配合安装来保证整个变距组件稳定地固定在主轴上，不再依靠变距滑块限位固定。这样变距滑块只受到侧向力和摩擦力。在这种受力环境下，变距滑块选用了更耐磨、同样应力情况下应变较小的铜材料。查表1可知：钢与铜（带润滑）的摩擦系数为0.07，且则此时变距滑块周期变距受到的摩擦力为：

f铜=（其中µ为钢对铜的摩擦系数）。

通过以上计算和理论分析可知：优化设计后的新变距组件周期变距受到的摩擦力大大减小，该无人直升机操作性能也得到了相应的提高。原先磨损较严重的尼龙变距滑块，换成了铜材料变得更加耐磨，使用寿命和安全性也大大提高。

3 有限元结果分析对比

为了更加直观地比较新旧变距系统优缺点，本文对两种变距系统受力比较复杂的变距滑块进行相应的有限元分析，分析优化设计后的新变距系统是否位移变距变小了，是否避免了原先滑块受力较大时就会产生局部间隙。根据上面的计算变距滑块在周期变距时受到的最大侧向力约为98N,在这里进行有限元分析对比。

表2 有限元计算数据对比

由表2数据可知：旧变距滑块在受98N侧向力时，最大应力为23.2MPa，位移云图为0.11mm。表2里尼龙材料的抗压屈服强度跟最大应力之比为3.4，基本满足3倍的安全系数使用要求。但长时间运转肯定会产生磨损、疲劳。在该力作用下的最大间隙达到了0.11mm，在这种间隙下该无人直升机操作精度得不到保证，而且该直升机的主旋翼一倍频率响应值也大幅提高，是一个安全隐患。新变距滑块在受98N侧向力时，最大应力为18.3MPa，位移云图为0.003mm。表2里铜屈服强度跟最大应力之比为18.3，远远大于3倍的安全系数使用要求。在该力作用下的最大间隙为0.003mm，远远小于尼龙滑块产生的间隙，直升机的操纵精度、振动值得到了有效保证。铜对钢的摩擦系数较小，新变距系统长时间运转变距滑块磨损和疲劳值都会很小。所以，新旧变距系统的有限元分析对比，有力地证明了新变距系统的优化性，合理性。

新变距系统装配到直升机之后，对其进行了各种工况下的飞行试验，在经过100h的飞行试验后，对整个变距系统进行了检查，发现尼龙组件和主轴内径没有产生间隙、磨损很轻微；变距滑块和主轴滑槽没有产生间隙，几乎没有磨损。由此，新设计的变距系统有效地解决了变距滑块的磨损问题，增加了其使用寿命，能够很好地应用到某型无人直升机，从而提高直升机的飞行安全性。