直升机旋翼弹性轴承失效影响分析

覃海鹰，贾良现，杨华高

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西景德镇 333000)

0 引言

球面推力弹性轴承(弹性轴承)是星型柔性桨毂和球柔性桨毂的核心弹性元件，它取代了传统铰接式桨毂的挥舞铰、摆振铰和变距铰，在承受桨叶旋转所产生的巨大离心力的同时实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。弹性轴承在桨毂上的应用简化了桨毂结构，降低了桨毂制造成本，提高了桨毂的使用寿命，使桨毂的维护十分简便。弹性轴承由大接头、小接头和金属隔片与橡胶复合而成的弹性体叠层组成(图1)。金属隔片与橡胶通过粘结形成弹性体，大接头、小接头与弹性体叠层通过粘结形成一个整体。弹性轴承通过弹性体叠层的承受压缩和径向载荷的能力承受桨叶的离心力和挥舞摆振载荷，通过弹性体叠层中的橡胶的剪切变形实现大、小接头间的相对扭转和弯曲变形。

弹性轴承的关键部分是由金属隔片和橡胶复合而成的弹性体叠层，弹性轴承承受的所有载荷均要通过弹性体叠层传递，承受的所有变形均通过弹性体叠层中的橡胶的剪切变形实现。其受力特点是能承受很大的压缩载荷，几乎不能承受拉伸载荷;在承受很大的压缩载荷时，可以承受较大的径向载荷;在承受较小的压缩载荷时，可以承受的径向载荷很小。弹性轴承在使用中会由于弹性体叠层的橡胶疲劳或是制造缺陷等原因发生失效，图2为两种典型的失效模式。弹性轴承失效后会对直升机造成怎样的影响，是用户及维护人员十分关心的问题。本文对弹性轴承在直升机几种典型工况下的受力进行了分析，分析了弹性轴承失效后对直升机的影响，提出了弹性轴承失效后相应的处理措施和使用建议。

图1 弹性轴承结构

图2 弹性轴承两种典型的失效模式

1 弹性轴承受力分析

弹性轴承主要有旋翼不装桨叶、装桨叶旋翼不旋转、装桨叶旋翼旋转三种典型工作模态，各工作模态弹性轴承受力有所不同。

1.1 旋翼不装桨叶时弹性轴承受力分析

由于弹性轴承的弯曲刚度一般可以克服桨毂支臂重力引起的弯矩，此处假定桨毂支臂下限动块未与下限动环接触，下限动装置不起作用。图3为弹性轴承在旋翼的受力示意图，显然在不装桨叶的情况下，弹性轴承不承受压缩载荷。弹性轴承的力平衡方程如下:

图3中:F1:中央件支臂对弹性轴承小接头的径向支反力;G:桨毂支臂重力;M:弹性轴承弹性所受的弯矩;L:桨毂支臂重心到弹性轴承球心的距离。

图3 弹性轴承受力分析(不装桨叶)

1.2 旋翼装桨叶不旋转时弹性轴承受力分析

在桨叶重力作用下，下限动块与限动环接触，下限动装置起作用，图4为弹性轴承在旋翼装桨叶不旋转时的受力示意图，弹性轴承承受压缩载荷，其大小等于F3。弹性轴承的力平衡方程如下:

图4 弹性轴承受力分析(装桨叶不旋转)

图4中:F1:中央件支臂对弹性轴承小接头的径向支反力;F2:限动环对限动块的支反力;F3:中央件支臂对弹性轴承小接头的轴向支反力;G:桨叶(含桨毂支臂)的重力;M:弹性轴承弹性所受的弯矩;L1:桨叶(含桨毂支臂)重心到弹性轴承球心的距离;L2:限动环对限动块的轴向支反力作用点到弹性轴承球心的距离。

1.3 旋翼装桨叶旋转时弹性轴承受力分析

图5为弹性轴承在旋翼装桨叶旋转时的受力示意图。为便于分析，进行了一定简化，没考虑在桨叶升力作用下弹性轴承的弯曲变形。

当桨叶离心力和升力未使下限动块与限动环脱开时，弹性轴承承受压缩载荷，其大小等于F1。弹性轴承的力平衡方程如下:

当桨叶离心力和升力使下限动块与限动环脱开时，弹性轴承承受压缩载荷，其大小等于F1。弹性轴承的力平衡方程如下:

图5中:F1:中央件支臂对弹性轴承小接头的轴向支反力;F2:桨叶(含桨毂支臂)的离心力;F3:限动环对限动块的支反力;F4:中央件支臂对弹性轴承小接头的径向支反力;G:桨叶(含桨毂支臂)的重力;M:弹性轴承弹性所受的弯矩;T:桨叶升力;L1:桨叶(含桨毂支臂)重心到弹性轴承球心的距离;L2:桨叶升力作用点到弹性轴承球心的距离;L3:限动环对限动块的轴向支反力作用点到弹性轴承球心的距离。

图5 弹性轴承受力分析(装桨叶旋转)

2 弹性轴承完全失效后的影响分析

弹性轴承完全失效对直升机的影响显然比局部失效要严重，为此针对弹性轴承的三种典型工作模态进行弹性轴承完全失效的影响分析。

2.1 旋翼不装桨叶时弹性轴承完全失效的影响

对于阻尼器且采用传统布置的主桨毂，如1.1分析，在旋翼不装桨叶时，弹性轴承不受任何压缩载荷，当弹性轴承发生类似胶层完全脱开的完全失效时，在桨毂支臂重力作用下，下限动块靠上下限动环，此时弹性轴承的受力类似于旋翼装桨叶不旋转的情况，弹性轴承会较小的压缩载荷，桨毂支臂不会从弹性轴承失效部位脱开，不会对安全造成影响。

对于采用粘弹阻尼器且采用臂间布置的主桨毂，在旋翼不装桨叶弹性轴承完全失效后，弹性轴承会沿失效部位完全脱开，但也正是由于粘弹阻尼器弹性刚度约束，桨毂支臂不会从弹性轴承失效部位脱开，不会对直升机安全造成影响。

2.2 旋翼装桨叶不旋转时弹性轴承完全失效影响

对于阻尼器且采用传统布置的主桨毂，如1.2分析，在旋翼装桨叶不旋转时，弹性轴承承受较大压缩载荷，当弹性轴承发生类似胶层完全脱开的完全失效时，在桨毂支臂和桨叶重力共同作用下，下限动块靠上下限动环，弹性轴承会有较大的压缩载荷，确保桨毂支臂不会从弹性轴承小接头上脱开，不会对直升机安全造成影响。

对于采用粘弹阻尼器且采用臂间布置的主桨毂，当弹性轴承发生类似胶层完全脱开的完全失效时，桨毂支臂和桨叶重力共同作用可以克服粘弹阻尼器的弹性约束，使弹性轴承依然产生一定的压缩载荷，确保桨毂支臂不会从弹性轴承小接头上脱开，不会对直升机安全造成影响。

停车，有阵风情况下，桨叶产生一定升力使下限动块脱离下限动环，桨叶和桨毂支臂的重力由桨叶升力和失效部位的摩擦力平衡，失效部位产生很小的错位，但桨毂支臂不会从弹性轴承小接头上脱开，不会对直升机安全造成影响。

停车状态进行变距操纵，对于阻尼器采用传统布置的主桨毂影响不大，对于采用粘弹阻尼器且采用臂间布置的主桨毂，由于桨叶重力引起弹性轴承金属橡胶叠层承受的压缩载荷仅能平衡操纵引起的弹性轴承受拉载荷，可能会导致失效部位错位，但不会有安全问题。

2.3 旋翼装桨叶旋转时弹性轴承完全失效的影响

2.3.1 飞行中弹性轴承完全失效后的安全性分析

弹性轴承结构如图6所示，靠近小接头的胶层包角比大接头大，因此靠近大接头的胶层破坏对安全的影响最大，假定在飞行中靠近大接头的胶层完全分层失效，在离心力作用下的弹性轴承受力分析如图6所示。

以某直升机为例，将弹性轴承球面保守简化为锥面，假定离心力为18.9吨，则

F11=F12=9.45 吨

F1=F2=F11/cos20≈10吨

F12=F22=F11×tg20≈3.6吨

查金属与橡胶的摩擦系数为0.75，由于胶层分层后分层部位表面会有部分胶黏剂或橡胶，其摩擦系数还会大于0.75，计算仍取摩擦系数为0.75。

当分层部位有错位趋势时，其离心力可以认为全部施加到阻止错位的半球，此时

F11或F12=18.9吨

F1或F2=F11/cos20≈20吨

F12或F22=F11×tg20≈7.2吨

分层部位出现错位必须克服的摩擦力为

f=F1或 F2×0.75≈15吨

失效部位出现错位必须克服的力为

F12 或 F22+f≈22.2 吨

根据弹性轴承载荷谱，飞行中加在弹性轴承大接头上摆振方向的径向载荷最大为3.2吨(过载3g俯冲拉起)，因此即使弹性轴承大接头部位完全分层失效，弹性轴承功能不会丧失，不影响直升机的飞行安全。

图6 离心力作用下弹性轴承大接头分层失效受力分析

2.3.2 停车、开车过程中弹性轴承完全失效后的安全性分析

在停车和开车过程中旋翼转速不高，弹性轴承承受的离心力载荷较小，如果进行正常启动和制动，弹性轴承完全失效对直升机安全性影响不大;如果紧急刹车或刹车启动，对于阻尼器采用传统布置的旋翼，由于阻尼器的作用，弹性轴承会受到很大的径向载荷，有可能导致失效部位错位，甚至完全脱开，影响直升机安全。对于阻尼器叶间布置的旋翼，无论弹性轴承是否失效，如果紧急刹车或刹车启动，旋翼整体扭转，桨叶带动桨毂支臂产生较大的前摆或后摆运动，导致桨毂支臂的摆振限动片与摆振限动块非正常撞击，造成桨毂其他结构件严重损伤。

2.3.3 弹性轴承完全失效对孤立旋翼动力学的影响分析

对球柔性旋翼来说，其动力学模型相当于带铰偏置与弹簧约束的铰接式旋翼，对于基阶模态，包含在球柔性旋翼基阶模态中的弯曲将是很小的，不考虑弹性变形以及挥舞与摆振的哥氏力耦合，其挥舞与摆振基阶模态频率如下:

其中:

从以上表达式可以看出，影响挥舞基阶模态频率的因素包括离心力与铰偏置量以及弹性轴承的约束刚度;与挥舞相比，由于离心力的作用方式不同，离心力在挥舞平面为平行力系，而在摆振面为中心力系，因此影响摆振基阶模态频率的因素主要是铰偏置量以及弹性轴承的约束刚度。

以某型机为算例，外伸量为4.418%，弹性轴承刚度为56.5N·m/°，旋翼转速 212r/min，弹性轴承失效前后其挥舞、摆振基阶频率如下表:

摆振一阶 挥舞一阶有弹性轴承约束0.2671 1.0348无弹性轴承约束0.2628 1.0338

从算例可以看出，挥舞基阶模态频率主要是由离心力与铰偏置量决定的，弹性轴承约束所起到的作用有限，即使在弹性轴承失效的极端情况下，对挥舞基阶模态频率的影响也很小。摆振基阶模态频率相比挥舞来比，弹性轴承约束所起的作用更大一些，但主要的因素还是铰偏置量。

由此可以认为弹性轴承失效对球柔性旋翼的动力学特性影响很小。

2.3.4 停车、开车过程中弹性轴承完全失效对“地面共振”的影响分析

由于弹性轴承的摆振刚度相对于桨叶摆振约束刚度很小，当弹性轴承部分或完全失效后，只是桨叶摆振约束刚度略有减小，对桨叶一阶摆振频率影响有限，在桨叶离心力的作用下，弹性轴承的球铰功能依然有效，因此可以认为停车、开车过程中弹性轴承部分或完全失效对“地面共振”分析的影响不大，原来进行的“地面共振”分析有效，不会引起额外的动力学不稳定问题。

3 结论与建议

对于球柔性构型旋翼，无论配装的阻尼器是液压阻尼器还是粘弹性阻尼器，无论阻尼器布置方式是传统布置方式还是叶间布置方式，弹性轴承失效都不会危及直升机飞行安全，对孤立旋翼动力学特性和全机动力学特性影响很小，不会引起额外的动力学不稳定问题。但在直升机停车和开车过程中，对于阻尼器叶间布置方式的旋翼，紧急刹车或刹车启动会导致桨毂支臂与摆振限动块的非正常碰撞;对于阻尼器传统布置方式的旋翼，会导致弹性轴承承受较大的径向载荷，导致弹性轴承薄弱部位部分或完全失效、甚至失效部位完全脱开，影响直升机的安全。

建议在直升机使用中应尽量避免紧急刹车或刹车启动，防止桨毂支臂与摆振限动块的非正常碰撞，防止弹性轴承薄弱部位部分或完全失效、甚至失效部位完全脱开，影响直升机安全。

［1］Belytschko T，Liu W K，Moran B.Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures［J］.John Wiley ＆Sons，2000.

［2］Simo J C.On fully three-dimensional finite strain viscoelastic damage model:Formulation and computational aspects［J］.Comput.Meth.In Appl.Mech.Eng.1987，60:153-173.