范名忠，陳少峰，李滿福

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)是一個(gè)不斷變革的關(guān)鍵系統(tǒng)，自20世紀(jì)70年代彈性軸承正式應(yīng)用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)以來(lái)，旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。作為旋翼槳轂的關(guān)鍵功能件，彈性軸承除可傳遞離心力、扭轉(zhuǎn)和揮擺力矩外，還有實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運(yùn)動(dòng)的作用。隨著彈性軸承技術(shù)的不斷完善，目前歐美直升機(jī)旋翼系統(tǒng)都已經(jīng)廣泛采用各種結(jié)構(gòu)形式的彈性軸承，其中組合彈性軸承是主要的發(fā)展方向。

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)用單個(gè)彈性軸承的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，就是槳葉傳遞來(lái)的所有載荷和運(yùn)動(dòng)都要通過(guò)單個(gè)彈性軸承承擔(dān)，導(dǎo)致彈性軸承的使用壽命偏低，更換較為頻繁，影響直升機(jī)的出勤率和使用維護(hù)成本。組合彈性軸承是一種先進(jìn)的彈性軸承技術(shù)，由于組合彈性軸承一般由兩個(gè)或兩個(gè)以上不同構(gòu)型的彈性軸承組成，與單個(gè)彈性軸承相比，由槳葉傳遞來(lái)的載荷和運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)多個(gè)彈性軸承分別承擔(dān)，能有效減少單個(gè)彈性軸承的負(fù)荷，大幅度提高彈性軸承的使用壽命。組合彈性軸承是彈性軸承技術(shù)的一大進(jìn)步，在直升機(jī)旋翼系統(tǒng)廣泛應(yīng)用將極大地提高直升機(jī)的出勤率并降低使用維護(hù)成本。本文整理分析了國(guó)外使用組合彈性軸承的旋翼構(gòu)型的技術(shù)特點(diǎn)，可為國(guó)內(nèi)直升機(jī)的研制和發(fā)展提供借鑒。

1 典型彈性軸承基本構(gòu)型

直升機(jī)旋翼系統(tǒng)用彈性軸承主要是層狀彈性軸承。作為最普遍的彈性軸承，層狀彈性軸承由橡膠和金屬隔片經(jīng)過(guò)硫化粘接復(fù)合而成，一般是將內(nèi)層金屬隔片和外層金屬附件按照設(shè)計(jì)要求定位在模具中，然后將橡膠膠料壓入各金屬隔片層間硫化粘接成型。

組合彈性軸承通常由多個(gè)不同構(gòu)型的典型彈性軸承組成。典型彈性軸承的基本構(gòu)型主要有以下五種，如圖1-圖5所示[1]。

推力彈性軸承(圖1)主要用來(lái)承受高的軸向壓縮載荷，同時(shí)通過(guò)橡膠彈性體的剪切變形可實(shí)現(xiàn)一定的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)。

徑向彈性軸承(圖2)由同心圓柱形的橡膠/金屬疊層構(gòu)成，這種構(gòu)型的徑向剛度非常大，同時(shí)通過(guò)橡膠的剪切變形能夠?qū)崿F(xiàn)一定的扭轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)。

球面彈性軸承(圖3)可以在承受非常大的軸向載荷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)繞三個(gè)相互垂直軸的角運(yùn)動(dòng)，還可以通過(guò)調(diào)整橡膠/金屬疊層的內(nèi)外徑角度來(lái)調(diào)整其承受徑向載荷的能力。一個(gè)球面彈性軸承可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)或三個(gè)以上單個(gè)傳統(tǒng)軸承所能實(shí)現(xiàn)的功能。

球面徑向彈性軸承(圖4)可以承受非常大的徑向載荷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)繞三個(gè)相互垂直軸的角運(yùn)動(dòng)，另外還具有一定的軸向承載能力，其軸向承載能力取決于橡膠/金屬疊層的幾何形狀。

錐形彈性軸承(圖5)能夠在軸向和徑向兩個(gè)方向同時(shí)承受很大的載荷，通過(guò)橡膠的剪切變形還可以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種構(gòu)型的軸向剛度和徑向剛度都很高，扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較低。

本文中提到的組合彈性軸承主要是指以上5種典型彈性軸承基本構(gòu)型的組合。

2 組合彈性軸承的發(fā)展及應(yīng)用分析

當(dāng)前國(guó)外采用組合彈性軸承旋翼構(gòu)型的直升機(jī)主要有UH-60、CH-53D、Mi-28、EC665、EH101、V-22等，以及DART彈性萬(wàn)向鉸原理驗(yàn)證機(jī)。

2.1 UH-60

美國(guó)20世紀(jì)70年代研制的10噸級(jí)UH-60“黑鷹”直升機(jī)旋翼采用了推力彈性軸承(圖1構(gòu)型)和球面彈性軸承(圖3構(gòu)型)組合結(jié)構(gòu)，其支臂結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 UH-60直升機(jī)旋翼槳轂支臂剖視圖

該構(gòu)型兩個(gè)軸承都承受離心力，球面彈性軸承承擔(dān)切向力和彎矩，推力彈性軸承則實(shí)現(xiàn)主要的變距運(yùn)動(dòng)以減小球面彈性軸承的變形量。具體來(lái)說(shuō)，槳葉變距時(shí)產(chǎn)生的扭矩是通過(guò)軸頸右端部的花鍵傳到推力彈性軸承上，推力彈性軸承通過(guò)接頭連接傳到球面彈性軸承上，兩個(gè)彈性軸承共同承受扭轉(zhuǎn)變形，但變形量并不相同，因?yàn)橥屏椥暂S承的扭轉(zhuǎn)剛度比球面彈性軸承的要低很多。分析表明，該構(gòu)型下槳葉變距運(yùn)動(dòng)的85%由推力彈性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)，其余15%由球面彈性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。球面彈性軸承主要承受彎曲變形，提供槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng)。

該構(gòu)型方案組合彈性軸承的壽命達(dá)到了2500飛行小時(shí)[2]。

2.2 CH-53D

美國(guó)20世紀(jì)70年代研制的30噸級(jí)CH-53D直升機(jī)旋翼采用了球面彈性軸承(圖3構(gòu)型)和中心彈性軸承組合結(jié)構(gòu)，其中心彈性軸承又由徑向彈性軸承(圖2構(gòu)型)和球面徑向彈性(圖4構(gòu)型)軸承組合而成。CH-53D旋翼槳轂支臂結(jié)構(gòu)如圖7所示，中心彈性軸承組合結(jié)構(gòu)如圖8所示。

該組合構(gòu)型中，球面彈性軸承和中心彈性軸承為共球心設(shè)計(jì)，槳轂支臂主要的離心力作用在球面彈性軸承上，而揮舞和擺振方向的切向力主要由中心彈性軸承來(lái)承擔(dān)。此方案通過(guò)兩種彈性軸承在對(duì)應(yīng)方向上剛度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷分配。同時(shí)，球面彈性軸承和中心彈性軸承共同來(lái)實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與UH-60相比，這一結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)彈性軸承均裸露在外面，處于目視可見(jiàn)的位置，從而使用戶對(duì)彈性軸承的表面檢查變得簡(jiǎn)單，易于判斷彈性軸承的狀態(tài)。

圖7 CH-53D直升機(jī)旋翼槳轂支臂剖視圖

圖8 CH-53D旋翼槳轂中心彈性軸承結(jié)構(gòu)圖

此組合彈性軸承的設(shè)計(jì)壽命超過(guò)1500飛行小時(shí)。

2.3 Mi-28

俄羅斯20世紀(jì)80年代研制的Mi-28直升機(jī)，最大起飛重量為11.4噸，其旋翼同樣采用了組合彈性軸承構(gòu)型(圖9)。

圖9 Mi-28直升機(jī)旋翼槳轂支臂結(jié)構(gòu)圖

與其他采用組合彈性軸承的直升機(jī)不同的是，Mi-28采用了球面彈性軸承(圖3構(gòu)型)和金屬桿端關(guān)節(jié)軸承的組合，二者共球心設(shè)計(jì)。Mi-28的彈性軸承組合構(gòu)型原理，同CH-53D基本相似。球面彈性軸承主要承受離心力，而揮舞和擺振方向的切向力主要通過(guò)金屬桿端關(guān)節(jié)軸承傳遞到中央件上。這種構(gòu)型下金屬桿端關(guān)節(jié)軸承在切向力方向剛度很大，其承擔(dān)的切向力遠(yuǎn)大于球面彈性軸承。

Mi-28的彈性軸承組件壽命指標(biāo)為1500小時(shí)[1]。與此構(gòu)型類似的還有波音-伏托爾公司研制的HLH直升機(jī)(圖10)。

圖10 波音-伏托爾公司HLH直升機(jī)槳轂軸承組件

2.4 EC665

法國(guó)和德國(guó)20世紀(jì)80年代聯(lián)合研制的EC665專用武裝直升機(jī)(“虎”式直升機(jī))，最大起飛重量為6.1噸，其旋翼槳轂同樣采用了彈性軸承組合的構(gòu)型(圖11)。EC665的每個(gè)支臂包含一個(gè)徑向彈性軸承(圖2構(gòu)型)和一個(gè)錐形彈性軸承(圖5構(gòu)型)(圖12)，錐形彈性軸承主要承受離心力，徑向彈性軸承、錐形彈性軸承共同承受擺振和揮舞方向的彎矩和切向力。該結(jié)構(gòu)型式下，兩個(gè)彈性軸承相當(dāng)于兩個(gè)鉸支點(diǎn)，切向力通過(guò)鉸接點(diǎn)到力作用點(diǎn)的距離(即力臂)來(lái)實(shí)現(xiàn)分配，力臂越短分配的力越大，力臂越大則力越小。

從構(gòu)型上看，EC665直升機(jī)旋翼槳轂設(shè)計(jì)利用鉸支原理使用不同形式的彈性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)傳力路徑與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不對(duì)彎矩進(jìn)行卸載，獲得高的操縱功效。這個(gè)構(gòu)型方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是極大地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，取消了限動(dòng)裝置，整個(gè)旋翼除螺栓螺母襯套外只有20個(gè)主要零件[3]。

圖11 EC665直升機(jī)旋翼槳轂結(jié)構(gòu)圖

圖12 EC665直升機(jī)旋翼槳轂支臂剖面圖

2.5 EH101

英國(guó)和意大利20世紀(jì)80年代聯(lián)合研制的EH-101直升機(jī)，最大起飛重量為14.6噸，該機(jī)旋翼槳轂使用的彈性軸承組合構(gòu)型類似于CH-53D，同樣采用了球面彈性軸承(圖3構(gòu)型)和中心彈性軸承，中心彈性軸承為徑向彈性軸承(圖2構(gòu)型)與球面徑向彈性軸承(圖4構(gòu)型)的組合(圖13)。球面彈性軸承和中心彈性軸承采用共球心設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)揮舞、擺振、變距和傳遞主槳葉載荷功能。該直升機(jī)處于飛行狀態(tài)時(shí)，大部分升力載荷通過(guò)中心彈性軸承的芯軸傳遞到主槳轂中心，只有一小部分通過(guò)彈性軸承作用到中央件上。這種設(shè)計(jì)減小了球面彈性軸承的載荷，有利于提高球面彈性軸承的壽命。

圖13 EH-101直升機(jī)旋翼槳轂支臂結(jié)構(gòu)圖

該構(gòu)型同CH-53D在原理上有諸多相似之處，但CH-53D球面彈性軸承離旋轉(zhuǎn)中心較近，而中心彈性軸承離旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)，而EH-101則反之，中心彈性軸承離旋轉(zhuǎn)中心較近，而球面彈性軸承離旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)。傳力方面，EH-101中央件袖孔上承受的切向力更小，有助于提高結(jié)構(gòu)件壽命，而中心彈性軸承的芯軸采取滑動(dòng)式連接，卸載了中心彈性軸承的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但對(duì)芯軸的耐磨性要求較高。

2.6 V-22與DART彈性萬(wàn)向鉸

V-22是美國(guó)20世紀(jì)80開(kāi)始研制的24噸級(jí)橫列式傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其旋翼系統(tǒng)采用了組合彈性軸承，其槳轂支臂如圖14所示。V-22旋翼槳轂中使用的彈性軸承有：中央件彈性軸承(圖3構(gòu)型)、離心力彈性軸承(圖1構(gòu)型)和變距彈性軸承(圖2或圖4構(gòu)型)。其中央件彈性軸承分為上、下中央件彈性軸承，通過(guò)將彈性體硫化到中央件上，上、下組合后放置于整個(gè)槳轂中心，起到萬(wàn)向鉸的作用，實(shí)現(xiàn)槳葉的揮舞和擺振運(yùn)動(dòng)。離心力彈性軸承放置在星形件支臂末端，主要承擔(dān)槳葉離心力；而變距運(yùn)動(dòng)由靠近離心力彈性軸承的外側(cè)變距彈性軸承和安裝在星形件袖孔里的內(nèi)側(cè)變距金屬軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖14 V-22直升機(jī)旋翼槳轂支臂結(jié)構(gòu)圖

圖15 V-22直升機(jī)的旋翼槳轂支臂實(shí)物圖

DART是歐直21世紀(jì)初開(kāi)始研制的彈性萬(wàn)向鉸原理驗(yàn)證機(jī)，其槳轂如圖16所示。DART旋翼槳轂中包含四種彈性軸承：中央件彈性軸承(圖3構(gòu)型)、離心力彈性軸承(圖1構(gòu)型)、外側(cè)變距彈性軸承(圖2或圖4構(gòu)型)、內(nèi)側(cè)變距彈性軸承(圖2或圖4構(gòu)型)[3]。其軸承的布置與型式與V-22有諸多相似之處，中央件彈性軸承(圖15)、離心力彈性軸承(圖16)、外側(cè)變距彈性軸承的型式與布置同V-22基本一致。不同的是，DART將V-22內(nèi)側(cè)變距金屬軸承也用彈性軸承進(jìn)行了替代。

圖16 DART旋翼槳轂結(jié)構(gòu)

圖17 DART使用的中央件彈性軸承

圖18 DART使用的離心力彈性軸承

該構(gòu)型下，槳轂可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向鉸功能，主要應(yīng)用在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上。這種三個(gè)或四個(gè)彈性軸承組合的方式并不常見(jiàn)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)選擇這種構(gòu)型有動(dòng)力學(xué)、傾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等方面的考量，但其基本思路依然是充分利用不同彈性軸承型式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的承力和受力進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)提高相關(guān)部件的使用壽命。這種彈性萬(wàn)向鉸構(gòu)型自成一體，特點(diǎn)鮮明。

3 結(jié)束語(yǔ)

組合彈性軸承是當(dāng)前直升機(jī)彈性軸承技術(shù)的發(fā)展方向，美國(guó)、歐洲、俄羅斯均在開(kāi)展組合彈性軸承的研究。組合彈性軸承可以充分發(fā)揮不同構(gòu)型彈性軸承的優(yōu)點(diǎn)，并使得旋翼槳轂整體結(jié)構(gòu)件的受力和傳力得到優(yōu)化，使雙方獲得高的壽命增益。

從已有應(yīng)用來(lái)看，最早研制的CH-53D構(gòu)型是較為經(jīng)典的組合彈性軸承構(gòu)型，其設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)單清晰，能有效提高彈性軸承壽命，后續(xù)的Mi-28、EH101等型號(hào)與其類似。

同時(shí)，組合彈性軸承也被應(yīng)用到了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、共軸高速機(jī)等新一代旋翼飛行器上，這是組合彈性軸承未來(lái)發(fā)展及應(yīng)用的新領(lǐng)域。