浅谈某型直升机传动系统机匣的适应性改进设计

陈金，张川

(中国航发湖南动力机械研究所、直升机传动技术重点实验室，湖南 株洲 412002）

海上用直升机长期服役于恶劣的海洋气候环境中，高温、潮湿、盐雾、太阳辐射和各种霉菌对直升机设备的侵蚀破坏将影响设备的使用可靠性和服役寿命。要实现全天候和可靠的稳定工作，必然要求直升机具有适应各种恶劣环境的能力。为此防湿热、防盐雾和防霉菌的“三防”设计成为海用直升机研制过程中必不可少的重要环节。根据某型直升机的中减设计技术要求，“三防”适应性设计按照以下原则开展：

（1）尽量通过增加可靠防护涂层、装配件整体涂漆满足海洋环境的“三防”要求；

（2）对海洋环境敏感、增加防护层仍难以满足海洋环境的“三防”要求的，可以更换材料的方式。

除选材设计、镀涂设计外，“三防”结构设计也是“三防”设计的方法之一，且是“三防”设计的基础。本文即针对某型传动系统中减机匣结构不利于“三防”要求的问题，在保证其接口控制不变的前提下，对其进行了结构改进设计。

1 机匣结构分析

某型中减位于直升机尾梁与尾斜梁的交汇处，通过一对螺旋锥齿轮在尾水平传动轴和尾传斜轴之间传递功率并进行减速和换向。输入法兰盘与尾水平传动轴相连，输出法兰盘与尾传斜轴相连。减速器机匣采用铸镁合金，其中主机匣设有四条安装腿，每条安装腿由一个螺栓安装凸台和三块筋板组成，分别通过螺栓与直升机尾梁相连，如图1所示。目前，主机匣安装腿结构主要存在以下几个问题：

（1）装配工艺性。如图1所示，安装凸台三侧均设有筋板，只留一侧用于安装和拆卸。该结构在安装和拆卸过程中，极易因工装活动空间狭窄导致碰伤和划痕。腐蚀往往是从表面开始的，表面的碰伤和划痕等表面完整性的破坏，在高温、潮湿和盐雾的工作环境中，很容易导致结构应力腐蚀开裂，加速腐蚀疲劳断裂，导致结构提前失效。

图1 主机匣安装腿结构

（2）凹槽结构。金属材料在特定的介质环境中，承受拉应力经过一定时间后发生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀断裂。在腐蚀介质中，有时即使在腐蚀性极弱的介质中，在远低于材料屈服极限的应力下，金属也会引起脆性断裂。

安装腿为机匣的承重部位，结构形状和尺寸变化大导致其为高应力集中区；同时，安装凸台、筋板和薄壁结构使安装腿形成一个凹槽结构，在潮湿和盐雾的工作环境中，极易集聚腐蚀性介质。应力集中和腐蚀介质集聚使得机匣发生应力腐蚀开裂的概率大大提高。

（3）缝隙。如图2所示，螺栓与螺栓衬套、螺栓衬套与凸台配合面之间易形成缝隙，当腐蚀介质渗透到这些缝隙时，会造成腐蚀介质的浓缩和酸度、电位的变化，进而提高结构发生应力腐蚀开裂的概率。

图2 安装腿装配

2 机匣改进设计

根据上面的分析，针对目前减速器机匣结构可能不适应于舰载直升机工作环境的问题，对减速器主机匣安装腿进行了改进设计：安装腿采用柱体结构，外径为Φ32mm，采用螺桩与机身安装平台连接；螺桩孔采用螺纹MJ10x1.5，螺纹深30mm，见图3。

图3 安装腿柱体结构

将每条安装腿分别布置三块筋板的结构更改安装腿之间相连接的筋板结构，筋板厚度由8mm减小为6mm；同时安装腿与机匣簿壁结构通过斜筋板、大圆角圆滑过渡，避免形成凹槽结构。如图4所示为方案1。方案2为在方案1基础上增加加强筋，连接安装腿和机匣薄壁结构，厚度为6mm，如图5所示。

图4 方案1

图5 方案2

通过三维称重估算，方案1中减机匣比改进前减重0.265kg，方案2中减机匣比改进前减重0.182kg。

3 强度分析

3.1 有限元分析

在悬停回转工况下，采用设计要求的限制载荷分别对方案1和方案2减速器机匣进行有限元强度计算，具体见表1。

表1 有限元计算结果

3.2 强度校核

根据4.1有限元分析结果可知，方案1在安装腿与薄壁结构过渡处存在应力集中，最大应力为211MPa，远远超出机匣强度极限，不符合设计要求；方案2中的加强筋消除了该过渡处的应力集中，高应力区为机匣最大当量，应力为77.4MPa，比改进前降低1%，最大主应力为78.0MPa，比改进前降低10%。采用最大当量应力对限制载荷作用下方案2中减机匣静强度进行校核，校核结果见表2。

由表2可知，方案2中减机匣屈服安全系数和极限安全系数均高于改进前中减机匣，满足静强度设计要求。根据某型传动系统结构强度设计准则，采用疲劳载荷作用下的最大主应力对方案2中减机匣进行疲劳强度校核，中减机匣高周疲劳强度满足设计准则要求，具有无限寿命，低周疲劳寿命具备3594h。

表2 机匣静强度校核对比

4 结语

“三防”设计对海上用直升机的重要性不言而喻，除镀涂防护和合理的选材外，合理的结构设计也能大大地提高机匣的抗腐蚀性能，而不良的结构形式是一种先天性缺陷，很难在以后弥补。机匣设计过程中，不仅要考虑结构的铸造和加工的工艺性，还应保证其便于安装、拆卸，避免安装、拆卸过程中产生碰伤和额外的装配应力，保证外表结构镀涂的工艺性，同时避免凹槽、盲孔、缝隙、孔隙、尖角，应使腐蚀性介质不滞留和聚焦。