直升机尾桨传动轴衡态准直原理分析

邵航军

摘要：以贝尔206BIII型直升机尾桨传动系统为研究对象，对尾桨传动轴的衡态准直原理进行分析，阐述其线位移和角位移的补偿原理，并给出相关维护建议以及操纵使用要求。结果表明，文中给出的尾桨传动轴衡态准直使用及维护措施，有效保证了其传动效率，极大提高了尾桨传动系统的安全性与可靠性，可为同类型直升机尾桨传动轴的深度维修/翻修检查工作提供参考。

关键词：传动轴;衡态准直;托马斯盘;晶粒方向;分度平面

0 引言

尾桨传动轴是直升机发动机功率输出轴与尾桨齿轮箱之间的动力传递装置。发动机功率输出轴通过尾桨传动轴将功率传递至尾桨齿轮箱，尾桨齿轮箱的输出经过减速、改变传动方向和增加输出扭矩传递至尾桨，保障尾桨正常工作，以抵抗主旋翼产生的扭矩，将直升机的飞行姿态与航向控制在一个可接受的水平。因此，尾桨传动轴是直升机动力传动系统的关键部附件之一。

由于尾桨传动轴在机身结构的站位跨度较大，涉及部附件较多，转速高以及在工作环境中需要克服各种不同的交变载荷，因此，尾桨传动轴在工作状态必须保持较高的衡态准直标准。尾桨传动轴衡态准直状况直接体现其性能与可靠性，直接影响直升机的性能与可靠性，甚至飞行安全。因此，针对直升机尾桨传动轴衡态准直原理进行分析非常必要。

本文以贝尔206BIII型直升机为例，对尾桨传动轴进行衡态准直原理分析，以期为同类别、同系列直升机尾桨传动轴的深度维修/翻修检查工作提供参考。

1 尾桨传动轴轴心偏离的危害

尾桨传动轴由钢质前短轴、钢质后短轴、铝合金后短轴、铝合金节段式传动轴、套齿转接头、悬挂轴承、轴承支架、托马斯盘（钢质层叠柔性联轴盘）、过载销等组成，如图1所示。

直升机在飞行过程中的质量不平衡与气流扰动将施加在高速旋转的尾桨传动轴上，产生较大的振动载荷，其效应呈数倍甚至数十倍叠加，具有极大的危害性，严重影响飞行安全。贝尔206BIII型直升机的尾传动轴转速为6016rpm，假定由于质量不平衡（或颠簸气流效应）出现1g质量偏离，距轴心3cm的偏心度，按离心力计算公式F = m×r×ω2，其中，F为离心力，m为偏离轴心的质量，r为距轴心的距离，ω为转轴角速度，则离心力F=11.89kg。表明距轴心r处，1g质量所产生的离心力足以导致尾桨传动轴轴心偏离，尤其是在遭遇颠簸气流时，r值将继续增加，离心力F被急剧“增益”放大，导致振动值也急剧增加，这对于高速旋转的尾桨传动系统极具破坏性，可能导致尾桨传动系统的结构性损伤。

2 衡态准直原理

为保证尾桨传动轴轴心准直，贝尔206BIII型直升机在尾桨传动系统中运用了角位移和线位移的方式来衰减或消除因动部件质量不平衡、直升机遭遇颠簸气流以及各方位振动而引发的传动轴偏心度过大的交变载荷。

2.1 线位移的实现

尾传动轴的线位移主要由套齿转接头、悬挂轴承及其支架组件来完成。在钢质前短轴和钢质后短轴的两端以及与尾桨齿轮箱连接端都安装有套齿转接头。每一个套齿转接头与一个托马斯盘组合成传动轴的套齿转接头连接组件，这个套齿转接头连接组件可以沿传动轴的花键齿做轴向滑移，从而实现传动轴的线位移，如图2所示。

从铝合金后短轴开始，每一根节段短轴的两端都安装有悬挂轴承组件（轴承与轴承环），其轴承支架内留有设计轴向滑移间隙，如图3所示，支架内留存的间隙为悬挂轴承组件在其支架内沿轴向的线位移提供保障。

传动轴、套齿转接头连接组件以及悬挂轴承组件与其他零部件组合成一个完整的尾传动轴，并借助套齿转接头连接组件以及悬挂轴承组件实现传动轴的轴向整体线位移。

2.2 角位移的实现

尾传动轴的角位移主要是通过托马斯盘组件来完成。托马斯盘即钢质层叠柔性联轴器。所有传动轴（包括钢质短轴、铝合金短轴以及铝合金节段式短轴）的连接都是以托马斯盘为连接介质进行的两两连接，连接后的托马斯盘作为传动轴的一个部件随尾桨传动轴转动。

托马斯盘由数片托马斯钢片叠加组合而成，每一片托马斯片均为热轧型钢片，主要是因为热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，热轧型钢的抗扭性能优于冷轧型钢，并且在热轧成型时，托马斯片的金属晶粒方向是设定的，即晶粒方向沿热轧碾制的方向延伸。为识别出成品托马斯片的晶粒方向，在每一片托马斯钢片的180?对应边界加工出两个分度平面，该分度平面的方向与晶粒方向一致。托马斯钢片具有一定的柔韧性，但这种柔韧性只能以晶粒方向为转轴弯曲方向而表现出来。同时，伴随着托马斯盘弯曲工况的起始与结束，托马斯钢片之间一定会随之出现微量的相对移动摩擦，为防止因微量相对移动造成的磨损，托马斯钢片都经过了表面硬化处理。如图4所示。

托马斯盘由数片托马斯片层叠加组合而成，在贝尔206BIII型直升機上一般为9～12片。在组合时，相邻两片的分度平面两两相错90?，即组合时相邻的托马斯片的晶粒方向两两相错90?，如图5所示。

组合后的托马斯盘既保持了整体刚性，又具有一定的整体柔韧性。其整体刚性能满足尾传动轴在高速转动过程中进行及时有效的功率（扭矩）传递;其柔韧性允许在托马斯盘转动时出现轻微形变，这种轻微形变正是尾传动轴高速转动过程中典型的角位移补偿特性的表现形式。

3针对性维护检查

对于直升机的尾传动轴，除依照维护手册进行例行维护检查外，应进行差异化、针对性的定向深度检查，可采取以下措施：

1） 航前应检查传动轴上的过载销处于良好状态，无卡阻和弯曲变形;花键齿与套齿滑移无阻碍，润滑良好，悬挂轴承支架总体状况良好，托马斯盘整体状况良好。

2） 定期对所有涉及线位移、角位移的部附件进行检查，包括位移行程，套齿转接头齿系和花键齿系状况，悬挂轴承支架状况，托马斯盘安装固定情况，总体状况以及腐蚀情况。这里需要特别关注两个方面：

a. 套齿转接头齿系与花键齿系状况，应配合良好，不允许出现损伤;一般使用防啮剂进行润滑，这种润滑油脂既能起到润滑作用，又能防止套齿接头齿系与花键齿系之间咬死啮合。

b. 悬挂轴承支架状况。支架与尾梁结构的铆接良好，支架无裂纹和腐蚀损伤，构型完好。支架裂纹或构型损伤将影响悬挂轴承在支架内的线位移。

3） 针对使用时间较长的直升机，可扩展维护检查项目或适当缩短定检周期，如增加传动轴的离位无损探伤检查、荧光渗透检查、托马斯盘离位叠层分解检查，以及在每次定检过程中对尾传动轴进行全面的偏心度检测。

4） 托马斯盘离位叠层分解检查中，如果某个托马斯盘中的钢片出现裂纹/腐蚀损伤或皱褶，应成套更换全部托马斯片。

4 飞行机组的操作与使用

除了维护工作外，飞行机组的操作与使用对尾桨传动轴系统工作的可靠性有直接影响。在实际操作与使用过程中，应严格依照飞行手册的要求进行规范操作、正确使用，并注意以下几点：

1） 地面慢车，应将周期变距杆放置并保持在中立位置，避免直升机大幅晃动。

2） 飞行过程中，应避免粗猛操纵，并尽量减少机动飞行操纵。在遭遇颠簸或强气流时，应及时处置，尽早改出或脱离。

3） 在察觉并怀疑直升机振动时，应尽快返场着陆，查明原因并进行动平衡校验。

4） 严禁粗猛着陆和重着陆，一旦发生应立即停场，并依照维护手册要求对直升机进行相关检查与校验。