直升机主旋翼离心上限动器损伤解决措施*

2021-03-22卫大兴

机械研究与应用 2021年1期

卫大兴

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

国内某直升机主旋翼离心上限动器在旋翼检查中发现损伤问题，离心摆拆卸困难、损伤变形，离心限动块尖角部位有磕痕，上限动块上边缘有擦伤。而离心上限动器的功能为限制直升机主桨叶在突风环境下的过度挥舞。因此，分析研究上限动块损伤出现的原因和机理并提出改进措施，对促进直升机技术发展，以及保障直升机的安全飞行具有重要意义。

笔者通过对离心限动器结构损伤情况进行机理分析、运动协调分析，确定了离心限动器结构损伤原因及工况，制定了改进措施并通过试飞使用验证，解决了离心限动器结构损伤问题。

1 离心上限动器说明

直升机旋翼作为直升机的三大动部件之一，一直为引导直升机发展、技术革新的主导技术。直升机旋翼由桨叶、桨毂以及自动倾斜器等组成，按桨毂构型不同可分为全铰接式、半铰接式以及无轴承等类别[1]。全铰接式旋翼通过挥舞铰、摆振铰、变距铰三铰或三铰合一的弹性轴承来是实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。

其中挥舞运动主要为消除旋翼两侧升力的不平衡，控制直升机姿态。但桨叶的过度挥舞可能会造成桨叶甚至是桨毂的结构损伤，影响飞行安全。直升机主旋翼系统通常采用离心上限动器结构来限制主桨叶向上过度挥舞,避免直升机在强风条件下起动和停车时主桨叶过度挥舞造成结构损伤[2]。

主旋翼离心上限动器包括离心摆、离心限动块弹簧、离心限动块、上限动块和固定限动块等零件，如图1所示。当旋翼停转或转速较低时，离心摆的离心力不足以克服离心限动块弹簧的拉力，上限动块与离心限动块撞击，限制桨叶向上挥舞，限动角度较小。当旋翼达到一定转速后，离心摆的离心力克服离心限动块弹簧的拉力，离心摆带动离心限动块打开，上限动块与固定限动块撞击，固定限动块起限动作用，限制向上挥舞角度增大[3]。

图1 离心上限动器结构组成

2 损伤情况说明及机理分析

2.1 损伤情况说明

某直升机在旋翼系统检查时，发现离心上限动器存在损伤:一个离心摆拆卸困难，杆端存在轻微变形，对应的离心限动块尖角部位有明显的磕痕，挥舞支臂的上限动块上边缘有明显擦伤。损伤情况见图2。

图2 离心摆、离心限动块、上限动块损伤情况

2.2 机理分析

在正常工作模式下，离心限动块与挥舞支臂上限动块的撞击点在上限动块平面内，受力方向垂直于撞击面，受力示意图如图3所示。由于离心摆与上限动器支撑件之间的间隙大于离心限动块与上限动器支撑件的间隙，撞击力直接由离心限动块传递至上限动器支撑件，此过程中离心摆不受力。

图3 承受垂向撞击力示意图图4 承受弯矩力示意图

阵风较大时飞行，在离心摆打开、闭合过程中，突风引起桨叶向上过度挥舞。若上限动块高度偏低，会使得上限动块与离心限动块的撞击点位于上限动块的上边缘，不在上限动块平面内。因此受力形式改变，如图4所示。

上限动块的上表面边缘撞击离心限动块的下表面形成缺口，同时上限动块挤压离心限动块的下表面，使得离心限动块承受向上的载荷分量，以弯矩的形式传递至离心摆下端，导致离心摆变形[4]。

通过对离心上限动器进行对比机理分析，初步判定损伤原因为上限动块与离心限动块撞击位置存在偏差。撞击力以弯矩的形式传递至离心摆杆端，造成其变形损伤，无法正常拆卸。

同时非正常撞击使得上限动块和离心限动块边角存在磕伤。

2.3 运动协调分析

为进一步证实离心上限动器损伤原因，确定可能造成离心上限动器损伤的飞行状态。对地面停机、地面开车、空中飞行和地面关车四个状态下的离心上限动器进行运动协调分析。

(1)地面停机

在地面停机状态，突风导致桨叶向上挥舞至极限位置，上限动块与离心限动块撞击。撞击位置如图5所示。撞击位置位于上限动块平面内，不存在磕伤离心限动块尖角可能。同时撞击力垂直作用于离心限动块，不存在向上传递的弯矩造成离心摆杆端变形。

图5 地面停机状态撞击位图6 地面开车状态撞击位置

(2)地面开车

在地面开车状态，旋翼转速上升，离心摆离心力逐渐增大，带动离心限动块逐渐克服弹簧拉力，最终完全打开。在离心限动块打开过程中，若直升机遭遇突风会导致桨叶向上过度挥舞，会使上限动块与离心限动块发生撞击。撞击位置如图6所示，可能会造成上限动块上边缘与离心限动块边角磕伤，同时离心限动块被挤压，存在弯矩造成离心摆杆端变形。

(3)空中飞行

在空中飞行状态，旋翼转速上升至额定转速，离心摆离心力完全克服弹簧拉力，离心限动块完全打开，不会和上限动块接触。桨叶在挥舞极限并且伴随突风的情况下，会使得上限动块与固定限动块发生撞击，撞击位置如图7所示。不存在离心限动块和离心摆损伤的可能。

图7 空中飞行状态撞击位置图8 地面关车状态撞击位置

(4)地面关车

在地面关车状态，旋翼转速逐渐下降，离心摆离心力减小不足以克服弹簧的拉力，带动离心限动块逐渐关闭。在离心限动块关闭的过程中，遭遇突风会导致桨叶向上过度挥舞，会使上限动块与离心限动块发生撞击。撞击位置如图8所示，可能会造成上限动块上边缘与离心限动块边角磕伤，同时离心限动块被挤压，会存在弯矩造成离心摆杆端变形。

经以上运动仿真分析可以发现，在直升机地面开车和关车状态下，若遭遇突风，桨叶向上过度挥舞，上限动块与离心限动块撞击。均可能出现上限动块上表面边缘、离心限动块下表面损伤以及离心摆杆端变形的现象，损伤情况与实际一致。

3 改进及验证

3.1 改进措施

通过机理分析以及运动仿真协调分析，可以证实为上限动块与离心限动块撞击位置存在偏差。在地面开车、关车状态下，且直升机遭受突风下，上限动块上边缘可能与离心限动块边角撞击，同时造成离心摆杆端的受损变形。

为调整撞击位置，可选择增加上限动块高度或降低离心限动块安装位置。从而增大撞击接触面积，保证撞击点在上限动块平面内，避免离心限动块承受向上的载荷分量从而导致离心摆受力变形。降低离心限动块安装位置需改变上限动器所有部件现有设计，更改量大、实施困难，而增加上限动块高度仅涉及上限动块单一零件，所以考虑改进对旋翼系统乃至全机影响最小，最终改进措施为增加上限动块高度。

具体上限动块改进方法为：上限动块高度增大31%，宽度保持不变，顶端由圆弧边更改为多边形，整体面积增大了42%。改进前后示意如图9所示。