■ 佘定君/中國航發(fā)動研所

直升機主減速器潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，齒輪、軸承等將處于無潤滑油工作狀態(tài)，主減速器在短時間內(nèi)損壞，造成災難性的后果。通過對直升機主減速器干運轉(zhuǎn)失效機理進行分析、提出設計思路，歸納總結出一些可提高直升機主減速器干運轉(zhuǎn)能力的典型設計方法。

傳動系統(tǒng)是直升機三大關鍵動部件之一，直接影響到直升機的生存，而干運轉(zhuǎn)能力是對直升機傳動系統(tǒng)最嚴苛的要求之一。主減速器在失去潤滑條件下，會迅速進入干運轉(zhuǎn)狀態(tài)，大量的摩擦會引起零部件熱變形，使得其齒輪嚙合側(cè)隙或滾動軸承正常游隙消失，引起接觸表面的塑性變形、膠合和過度磨損，導致主減速器在短時間內(nèi)被損壞，完全失去傳動主旋翼、尾槳及附件的功能，造成災難性后果。有鑒于此，業(yè)界確立了一個公認的標準：直升機減速器在失去潤滑的情況下，應至少維持30min以上的干運轉(zhuǎn)能力，以使直升機在這一時間內(nèi)可以迅速撤離危險環(huán)境并安全著陸。

研究現(xiàn)狀

21世紀初，美國國家航空航天局（NASA）和美國陸軍聯(lián)合多家大型直升機制造公司實施了先進旋翼傳動系統(tǒng)研究（ART）計劃，該計劃將延長直升機傳動系統(tǒng)干運轉(zhuǎn)條件下的生存壽命作為重要內(nèi)容。經(jīng)過不斷地研究、探索和改進，目前世界上主要的武裝直升機，例如，A129、AH-64A、AH-64D、PAH-2、RAH-66、卡-50、米-18、米-35等均達到減速器在干運轉(zhuǎn)條件下生存壽命超過30min的要求，其中，做得較好的AH-64的主減速器的干運轉(zhuǎn)能力達到1h。

另外，為了給直升機減速器的生存能力設計提供理論支撐，科研人員在干運轉(zhuǎn)條件下的齒輪傳動熱特性和熱變形方面做了大量工作，先后開展了行星齒輪傳動在失去潤滑的條件下熱分析研究、弧齒錐齒輪熱分析方法研究、干運轉(zhuǎn)條件下運轉(zhuǎn)齒輪的磨損分析研究、失去潤滑情況下圓柱齒輪嚙合溫度的試驗與仿真分析研究、圓柱齒輪的干運轉(zhuǎn)能力研究等。

干運轉(zhuǎn)失效機理分析

主減速器干運轉(zhuǎn)的出現(xiàn)主要是由于潤滑系統(tǒng)不再正常工作引起的，從而極大地影響到主減速器的正常運行。主減速器從正常潤滑到出現(xiàn)干運轉(zhuǎn)及失效，須通過從貧油潤滑狀態(tài)到邊界潤滑狀態(tài)，再到完全干運轉(zhuǎn)狀態(tài)三個過程。

在潤滑油路出現(xiàn)損傷后，因滑油流失而造成潤滑系統(tǒng)壓力降低，但此時仍有大部分滑油回流到主減速器機匣內(nèi)部，這部分滑油通過飛濺潤滑方法，使齒輪和軸承等需要潤滑冷卻的零件保持貧油潤滑狀態(tài)工作。

隨著潤滑油的進一步流失，齒輪和軸承等摩擦副表面由物理吸附或化學吸附得到的吸附油膜開始起主要作用，保證摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)，這一階段的時間長短與滑油蒸發(fā)率及吸附油膜的抗解吸能力（脫吸能力）有很大關系。

在吸附油膜被破壞后，進入完全干運轉(zhuǎn)狀態(tài)，摩擦副的摩擦狀況取決于材料的熱強度、塑性變形、氧化速度和氧化膜的去除速度之間的競爭，如果氧化膜生成速度大于氧化膜的去除速度，因氧化物具有一定的潤滑性能，基體材料又有足夠的支撐強度，則摩擦副仍然可以工作；待氧化膜的去除速度大于氧化膜生成速度，則會進入劇烈黏著磨損階段，這種基體與基體之間的直接接觸磨損，一方面使溫度進一步升高，齒輪、軸承等材料強度降低，同時磨損本身會使摩擦副材料所受應力增加，造成摩擦副之間出現(xiàn)膠合，直至出現(xiàn)斷齒、軸承滾動體卡死等損傷。

影響主減速器干運轉(zhuǎn)能力的主要因素

主減速器的結構設計對干運轉(zhuǎn)能力至關重要，影響主減速器干運轉(zhuǎn)能力的因素主要有以下幾點。

齒輪和軸承的工作間隙

干運轉(zhuǎn)狀態(tài)時的熱量使齒輪或軸承間的間隙消除，導致減速器失效，需要選擇適當?shù)膬?nèi)部間隙，以保持熱平衡，使干運轉(zhuǎn)能力得到提升。

主減速器的結構強度和剛度

減速器的機匣、齒輪、軸和軸承的剛度、齒輪的支承形式和安裝剛度會影響到構件的干運轉(zhuǎn)能力。如果構件的剛度不夠，或材料的剛度對溫度的變化率過高，就可能導致干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下結構過度變形，從而引起傳動件安裝位置的變化，造成齒輪的偏載和間隙的減小。

主減速器的溫升率

構件的溫升率決定著溫度場的分布以及局部溫升，局部溫度過高往往意味著失效的開始。因此，需要深入進行構件的熱分析，減少局部高溫區(qū)的數(shù)量和發(fā)熱量，以改善散熱條件，保持均勻的內(nèi)部溫度場。

傳動件的材料與熱處理

在干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主減速器高速輸入級的局部溫度可達500℃，因此齒輪和軸承等構件的熱強度對其干運轉(zhuǎn)能力影響很大。采用真空熔煉的M-50鋼軸承和鍍銀的中碳鋼保持架，可使軸承在430℃下長期工作，保持架鍍銀可增加潤滑性。此外，熱處理方式對構件的干運轉(zhuǎn)能力也有很大影響，例如，回火溫度較高的氮化處理構件就比回火溫度較低的滲碳處理構件表面熱強度高。

潤滑劑的性能

潤滑油的蒸發(fā)率高，意味著干運轉(zhuǎn)狀態(tài)會迅速到來。例如，在250℃時，MIL-L-7808滑油的蒸發(fā)率比MIL-L-23699滑油高3倍，意味著采用MIL-L-23699滑油可顯著延長工作時間。

主減速器的工作轉(zhuǎn)速和載荷

主減速器工作轉(zhuǎn)速越高、載荷越大，干運轉(zhuǎn)能力就會越低，溫升越快。干運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸承在20000r/min工作時，干運轉(zhuǎn)能力僅為10000 r/min時的15%左右。載荷是影響干運轉(zhuǎn)能力的另一重要因素。在失去潤滑后，功率的加大會使主減速器溫度大大提高，壽命大大縮短。相對載荷較低的中、尾減速器及附件傳動就比主減速器有更高的干運轉(zhuǎn)能力。

應急潤滑系統(tǒng)或儲油裝置

主減速器設置應急潤滑系統(tǒng)或儲油裝置，可減小干運轉(zhuǎn)狀態(tài)時的溫升率，使主減速器平穩(wěn)升溫，推遲干運轉(zhuǎn)狀態(tài)的發(fā)生。

干運轉(zhuǎn)設計思路

根據(jù)上述干運轉(zhuǎn)失效機理分析及干運轉(zhuǎn)能力的影響因素分析，主減速器干運轉(zhuǎn)設計時應從避免滑油損失的出現(xiàn)、降低功率損失、提高耐高溫能力和增加殘留滑油設計措施等四個主要方面進行考慮。

避免滑油損失

為避免主減速器出現(xiàn)滑油損失，可采取如下設計措施：

● 機匣采用內(nèi)部油路，盡量不采用外部油路，減少潤滑系統(tǒng)受損的機會；

● 采用防滑油漏泄設計，在機匣靠近軸端密封裝置旁應設置尺寸較大的回油孔，即使密封裝置受損后也不會引起全部滑油漏光；

● 采用雙滑油泵工作，提供冗余潤滑系統(tǒng)。

降低功率損失

為降低主減速器運轉(zhuǎn)過程中的功率損失，可采取如下設計措施：

● 降低齒輪和軸承表面粗糙度，減小摩擦系數(shù)，相應減小摩擦發(fā)熱量；

● 增加構件的剛度，保證機匣、齒輪、軸等構件有足夠的剛度和熱強度，在干運轉(zhuǎn)的高溫狀態(tài)下不至于引起齒輪、軸承的偏載和間隙的消除；

● 避免在高速和中高速軸上使用圓錐滾子軸承，盡量選用干運轉(zhuǎn)能力較強的圓柱滾子軸承和球軸承；

● 精確控制和設置球軸承和錐軸承的最小名義預載荷；

● 采用陶瓷滾動體，以減小發(fā)熱量；

● 提高輪齒和軸承滾道表面加工精度（通過整體精磨或超精加工方法來保證）；降低齒輪偏差，包括齒形偏差、齒向偏差和齒距偏差；

● 齒輪采用表面改性技術，例如，離子注入技術、表面固體潤滑技術等；在球軸承和密封保持架上采用低摩擦系數(shù)的涂層，例如，DLC金剛石碳膜涂層、碳化鎢。

提搞耐高溫能力

提高主減速器耐高溫工作能力，可采取如下設計措施：

● 適當加大軸承游隙、齒頂間隙和嚙合側(cè)隙，可允許齒輪和軸承具有一定的熱膨脹量，在高溫下仍保證運動部件和所有的摩擦接觸部位之間存有間隙，避免齒輪卡死或軸承抱軸現(xiàn)象；

● 齒輪和軸承采用高熱硬性材料，避免零件由于高溫的性能軟化，齒輪選用具有較好耐高溫性能的齒輪材料，主要有X-53和CSS-42L鋼；軸承選用熱硬性好的材料，主要有M50和M50NiL鋼；

● 優(yōu)化軸承內(nèi)部幾何尺寸，將軸承由外環(huán)引導變?yōu)閮?nèi)環(huán)引導，使內(nèi)環(huán)的發(fā)熱量少于外環(huán)，便于散熱，有利于保證徑向間隙，防止球軸承因滑動和磨損加劇導致3點或4點接觸失效；軸承保持架采用高耐熱性鍍銀的鋼保持架。

增加殘留滑油

主減速器采取殘留滑油設計，當主減速器出現(xiàn)漏油時，主減速器內(nèi)儲油裝置殘存的滑油仍可對齒輪、軸承等傳動元件起一定的潤滑作用，相應延長主減速器的干運轉(zhuǎn)能力，具體可采取如下設計措施：

● 主減速器設計儲油箱；

● 齒輪內(nèi)孔增加油芯，正常運轉(zhuǎn)時儲存滑油，失去供油時放出滑油；

● 在機匣等的軸承部位增加油兜，為提高行星齒輪調(diào)心滾子軸承的干運轉(zhuǎn)能力，將行星架設計成具有儲油作用的銷軸式結構；

● 軸承增加擋油盤，尤其是對于干運轉(zhuǎn)能力較差的錐軸承；

● 設置應急潤滑系統(tǒng)，當主減速器主潤滑系統(tǒng)受損后，滑油泄漏時，由應急潤滑系統(tǒng)供油，可減少內(nèi)部零件因無油工作造成的損傷。

干運轉(zhuǎn)設計舉例

儲油箱

在機匣上部設置殘余滑油儲油箱，設置一個專門的噴油嘴，將壓力油噴入到儲油箱中，滑油通過溢流口和導油管向下排泄到齒輪軸內(nèi)孔。導油管流出的滑油經(jīng)甩油管上的甩油孔和輸入主動錐齒輪上的甩油孔，在離心力作用下流入到各軸承潤滑點。

油芯儲油

油芯設置在齒輪軸內(nèi)腔中，油芯材料可最大限度地存貯滑油，在正常潤滑條件下，噴嘴噴入齒輪軸內(nèi)腔的滑油，通過油芯上沿周向布置的一排小孔經(jīng)軸上的孔甩入軸承處。在干運轉(zhuǎn)條件下，儲油構型仍將釋放滑油，給軸承提供部分潤滑，延長干運轉(zhuǎn)時間，如圖1所示。

圖1 齒輪軸內(nèi)腔設置的油芯結構

行星架銷軸儲油

主減速器在最末級均會設置行星減速級，一般認為由于行星輪系的工作轉(zhuǎn)速較低，干運轉(zhuǎn)過程中不會是最薄弱的部位，事實上行星減速齒輪一直是干運轉(zhuǎn)風險較大的部分，因為從太陽輪到機匣外表面的熱傳導不是直接的，同時行星齒輪必須找到合適的路徑來傳遞其由于雙齒面嚙合的特性以及行星齒輪內(nèi)部軸承積累的熱量，熱量通過行星齒輪架轉(zhuǎn)移到支承軸上，然后再通過軸承最終傳熱到機匣上。此外，行星齒輪軸承除承受行星齒輪的嚙合力外，還承受行星齒輪隨行星架公轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，這兩種力的合成使得行星齒輪軸承承受很大的載荷。

圖2 主減速器行星架利用銷軸儲油

為了提高行星齒輪軸承的干運轉(zhuǎn)能力，可利用行星架銷軸兜孔作為儲油裝置，如圖2所示。當潤滑系統(tǒng)失效，進油管沒有滑油供應時，該銷軸的兜孔中存在的余油仍能潤滑冷卻行星齒輪軸承，延長軸承干運轉(zhuǎn)工作時間。

軸承設置擋油盤

在軸承外環(huán)設計擋油盤，如圖3所示。利用噴油嘴將滑油噴入到擋油盤中潤滑軸承，當出現(xiàn)干運轉(zhuǎn)情況時，因擋油盤存儲有一定量的滑油，可延長軸承的干運轉(zhuǎn)時間，從而提高軸承的干運轉(zhuǎn)能力。

圖3 主減速器軸承設置擋油盤

設置應急潤滑系統(tǒng)

典型的主減速器應急潤滑系統(tǒng)如圖4所示，主滑油泵和應急滑油泵共用一個底部油池，在主減速器正常工作狀態(tài)時，主滑油泵提供潤滑油，潤滑油經(jīng)外部管路流到散熱器冷卻后再通過滑油濾進入主減速器內(nèi)部各潤滑點。當外部管路或散熱器被損壞后，主減速器油池的油面會由于滑油不斷損失而逐漸降低，直到主滑油泵吸不到潤滑油時，應急滑油泵才單獨供油，此時潤滑油不流經(jīng)散熱器冷卻而直接進入滑油濾。

圖4 主減速器應急潤滑系統(tǒng)原理圖

結束語

為提高直升機主減速器干運轉(zhuǎn)能力，可采取避免滑油損失的出現(xiàn)、降低功率損失、提高耐高溫能力、增加殘留滑油設計等措施。

由于主減速器內(nèi)部結構復雜，各轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速相差較大，每種設計方法均有局限性，單純依靠一種方法會有很大的技術難度，成本也高。如選用合適的兩種或多種方法，利用其協(xié)同效應，效果會更好，可降低成本。對于不同結構、轉(zhuǎn)速和功率等主要性能參數(shù)，齒輪和軸承等摩擦副材料不同的主減速器，要提高其干運轉(zhuǎn)能力是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，除考慮上述設計方面外，還需要考慮加工精度、裝配等試制工藝，且需要做大量的試驗研究來進行驗證。