对重型运输直升机传动系统构型与技术特点的分析

苏江

摘要：随着我国工业发展水平的不断提升，重型运输直升机凭借其载重大、效率高等特点在军用领域以及民用领域当中都发挥了至关重要的作用，相关研究人员也应不断加强对重型运输直升机的研究力度。基于此，本文从重型运输直升机的重要作用与发展现状出发，对其传动系统构型加以分析，并以此为基础探讨了其构件尺寸大且结构复杂、输入转速较大、功率密度较大以及功率传递路径多等方面的技术特点。

关键词：重型运输直升机;传动系统;技术特点

中图分类号：V275.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0058-02

0  引言

重型运输直升机主要指的是起飞质量在20t以上的直升机，最早出现在20世纪60年代。重型运输直升机在军、民领域都发挥了十分关键的作用，不仅可以在机动作战中完成对兵力以及装备的运输，还可以有效克服地理环境限制，迅速完成运输、补给以及搜救等方面的需求，在各类灾害的救援工作中都起到了十分重要的作用。因此有必要針对重型运输直升机的传动系统构型以及相关技术特点展开进一步地研究。

1  重型运输直升机的重要作用与发展现状

1.1 重要作用

一般情况下，重型直升机为起飞重量超过20t、内载和外吊挂能力超过8t、运送人数可以在50人以上的直升机，相较于其他的直升机，重型运输直升机具备载重大、运输效率高的优势;而相较于常规固定翼飞机，则具备机动性强、不受场地限制等特点。在军事领域当中，重型运输直升机的作用主要体现在短时间内完成机动、部署以及突防等方面;而在民用领域当中，重型直升机的突出作用主要集中在物资、装备的运输上。

1.2 发展现状

现阶段，在使用过程中较为常见的重型直升机主要有米-26系列、V-22系列、CH-47系列以及CH-53E系列，其中米-26与V-22为俄制，而CH-47和CH-53E为美制[2]。重型直升机的构型主要包括单旋翼带尾桨式、纵列式、横列式以及倾转旋翼式等多种类型，就当前的使用情况来看，单旋翼带尾桨式、纵列式以及倾转旋翼式技术为最常见的三种构型。

2  重型运输直升机传动系统构型分析

2.1 单旋翼带尾桨构型传动系统

单旋翼带尾桨构型传动系统是一种最为基本的传动系统构型，其中主旋翼的作用是提供直升机升力，而尾旋翼的作用则是平衡直升机反扭矩。该传动系统主要由主减速器、中间减速器、尾减速器以及动力轴与尾轴组构成，通过这样“三器两轴”的结构模式组成了完整的传动系统，另外部分直升机为优化减速换向功能还会选择在主减速器和发动机之间安装一个头部减速器。对于单旋翼带尾桨构型传动系统来说，主减速器作用的发挥是整个系统的关键所在，主减速器需要承接发动机功率进而有效完成大功率、大转速比传动。为进一步实现大功率流、大转速比，还需要对主减速器进行相应的优化升级，保证可以将发动机传递的功率分流以后再集中。当前最为常见的单旋翼带尾桨构型传动系统主要是米-26直升机主减速器以及CH-53K直升机主减速器。其中，米-26直升机由两台3级减速传动的发动机提供动力，总动力经过第一级螺旋锥齿轮以及两路斜齿轮后完成分流与减速，而第三级斜齿轮副则完成动力并车。考虑到较大的输入功率，米-26直升机主减速器首次使用了分扭传动结构，从而可以有效实现最后一级减速的大传动比，为减轻主减速器的设计质量提供充足的条件。而CH-53K直升机传动系统则是以CH-53E直升机的基础上完成了传动系统的改造与升级，其中包括增加发动机数量至3台;在保持原有转向和转速的基础上取消CH-53E的两个头部减速器，改为由第一级螺旋锥齿轮负责换向，由第二级经直齿轮负责分流减速。从总体来看，每一台发动机的功率分成4路传递，同时有效对相应的弹性轴结构增加各功率均载，最终由第三级人字齿轮副完成并车，与此同时还需要将功率传输到主旋翼系统当中。米-26直升机和CH-53K直升机在这一方面的设计是十分相似的，都针对最后一级减速对大传动比设计进行优化，从而进一步实现了直升机主减速器设计质量的有效降低。

2.2 纵列式双旋翼构型传动系统

纵列式双旋翼构型传动系统在直升机上的主要表现为在机身前后会设置旋翼塔座，将旋翼安装在塔座上并设置相反的旋转方向，有效实现直升机旋翼反方向扭矩的稳定与平衡。当前，纵列式双旋翼构型传动系统最为直接的体现就是CH-47D系列直升机，该系列直升机采用两台发动机提供动力，其中主要可以分为头部减速器、并车减速器以及前、后主减速器等，通过各个减速器之间的连接有效实现动力传动。两个发动机提供的动力在经过头部减速器之后会产生换向与减速的作用，再通过并车减速器进行汇流，在通过前主减速器以及后主减速器的过程中，发动机动力需要通过3级换向减速传动，有效将发动机动力分别传递到前旋翼系统以及后旋翼系统。

2.3 倾转旋翼构型传动系统

倾转旋翼构型传动系统主要由左右两个发动机、左右旋翼减速器、倾转减速器以及机翼减速器等部件构成，而其倾转方案也主要是通过发动机、减速器、旋翼的作用而实现的。为了抵消倾转旋翼构型传动系统运行过程中产生的反扭矩效应，会选择在旋翼减速器当中安装惰轮结构改变转向，进而有效在发动机输出转速不变的情况下令旋翼进行相反方向的旋转。其中最为直接的倾转旋翼构型传动系统是V-22系列直升机，其中V-22旋翼减速器主要通过一级斜齿轮传动以及两级行星齿轮传动共3级减速传动;而与之相似的AW609旋翼减速器一共也需要通过3级减速传动，但区别是前两级为人字齿轮传动，最后一级是行星齿轮传动。

3  重型运输直升机传动系统技术特点

3.1 构件尺寸大且结构复杂

通常情况下，重型运输直升机具备着载荷复杂、功率大的特点，因此相较于其他类型的直升机，重型运输直升机内部构件的尺寸需要更大，而针对相关力学指标的要求也更为严格。因其零部件在设计、工艺、生产等方面均提出了更高的要求，因此航空制造企业难以对其中一部分零部件进行有效制造。

3.2 输入转速较大

相较于传统的直升机，重型运输直升机具备着独特的技术特征，就当前的发展水平来看，由于很多重型运输直升机发动机内部没有设置相应的减速箱，因此发动机的输出速度最大可以达到20000r/min。针对这样的情况，在进行传动系统主减速器设计的时候也要提升对高输入速度的控制水平，进而有效满足重型运输直升机的传动需求。

3.3 功率密度较大

因为重型直升机的载重量要比普通的直升机高出很多，所以在进行传动系统设计安装的过程中应提升其功率密度，进而有效实现降低直升机净重的目的，与此同时，使用高功率密度的传动系统对提升直升机有效负载与整体性能也起到了至关重要的作用。为进一步提升传动系统的功率密度，可以在其中使用高强度材料以及高效的润滑系统，就当前的研究水平来看，主减速器质量系数最低已经可以降到0.06以下。

3.4 功率传递路径较多

功率传递路径较多是倾转旋翼构型传动系统独有的技术特点，相较于另外两种传动系统，倾转旋翼传动系统的传递过程更为复杂，在功能以及结构上也需要更为繁琐的流程。倾转旋翼传动系统在运行的过程中需要保证直升机两侧动力可以均匀传递，满足功率的双向传递需求，为保证传动系统在各个情况下的正常运转奠定基础。与此同时，倾转旋翼传动系统还具备大姿态倾转的特征，区别于常规构型的直升机，倾转旋翼传动系统的工作姿态可以控制在0～90°，使得滑油油位可以获得更大的变化幅度，这也是功率传递路径更多、更复杂的主要原因。实际上，滑油分布以及回油速率将会受到多种因素的影响，且当润滑系统参数存在不匹配问题时还会进一步导致滑油压力和流量变化幅度变大，严重的时候还可能会出现断油现象。

3.5 具备良好的可靠性与稳定性

当前，重型运输直升机在使用时间上要明显长于普通的直升机，因此在传动系统方面也要有效延长使用寿命，进一步降低重型运输直升机的生命周期成本。与此同时，一部分关键的零部件对传动系统乃至整个直升机的运行都起到了十分关键的作用，一旦发生故障将会导致难以预计的严重后果，因此还需要进一步提升传动系统的可靠性与可维护性，但这也显著提升了传动系统在设计、制造以及维护等环节的困难程度[3]。

3.6 具备良好的运行效率

考虑到重型运输直升机旋翼转速和发动机输出转速之间的差异，传动系统当中需要安装多种齿轮系，这对变速箱的传动效率也将会产生直接的影响。因此为进一步提升运行效率，应在传动系统当中安装传动元件，进而不断提升其应用效率。现阶段，主减速器的传动效率最大已经可以达到97%。

3.7 生存能力强

重型直升机在实际工作的过程中很容易因各种客观原因出现润滑油泄露的问题，因此在进行传动系统设计的过程中应保证其可以在没有润滑油的情况下还可以运行一段时间。除此以外，还需要提升重型直升机的防撞性，保证其生存能力可以符合作业的实际需求。

3.8 减速器采用多路分扭传动

考虑到重型运输直升机传动系统的质量特点与功率需求，应进一步对传动系统的结构空间和質量限制做出优化，进而最大限度地减少结构尺寸、降低结构质量。为充分满足这一设计需求，在当前的重型运输直升机传动系统当中普遍采用分扭传动的方式，例如米-26与CH-53K使用的都为斜齿轮或人字齿轮分扭传动;而是CH-47D、V-22等使用的都是行星齿轮传动。与此同时，传动系统分扭传动的技术需求较为复杂，因此需不断完善均载结构，从而合理实现各路功率流的均匀分配。

4  结语

综上所述，重型运输直升机在装备运输以及抢险救援等方面均发挥了重要的作用，而传动系统作为其中的重要部件更是对直升机的整体布局产生直接影响。通常情况下，重型运输直升机的传动系统具备着单机配套、构建复杂以及研究技术难度大等特点，重型运输直升机的构型发生改变，其对应的传动系统也会出现一定的差异，因此应有效从相应的技术特点出发，为我国重型直升机传动系统的升级奠定基础。

参考文献：

[1]李明.美国新重型直升机CH-53K接近形成初始作战能力[J].航空动力，2019（06）：25-28.

[2]张青，赵少锋.加强陆军运输直升机投送力量建设研究[J].军事交通学院学报，2019，21（03）：8-11.

[3]孙雪杰，黄英洁，占丽，等.公路运输直升机防护措施研究[J].中国物流与采购，2020（20）：40.

[4]杨显昆，谢俊岭，万振华，等.直升机传动系统复合材料尾传动轴铆接承载能力分析[J].机械强度，2019（2）：488-492.

[5]罗慕成，李波，林雨生.某型直升机飞控系统故障诊断的研究[J].机械研究与应用，2018（2）：130-133，137.

[6]徐英帅，王细洋，孙伟，等.直升机动力传动系统故障诊断方法[J].失效分析与预防，2012（2）：77-81.

[7]刘婷婷.基于升维处理的直升机传动系统故障诊断方法研究[D].南昌航空大学，2019.

[8]李荃.直升机传动系统先进性及成熟度评价方法研究[D].南京航空航天大学，2017：1-116.