基于正交设计的直升机传动组件磨损影响因素可靠性试验技术研究

刘松宇，沈亚斌

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

基于正交设计的直升机传动组件磨损影响因素可靠性试验技术研究

刘松宇，沈亚斌

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

以直升机传动系统组件为研究对象，采用正交设计，设计了一套新的磨损影响因素可靠性试验，通过极差分析法和方差分析法对试验数据进行处理分析，比较两者优劣，确定对直升机机械组件磨损的主、次要影响因素，以此证明该可靠性试验技术的实用性与合理性。

正交设计;磨损影响因素;可靠性试验

0 引言

国内外直升机型号繁多，不同机型的传动装置结构都有所不同，而且根据使用目的的不同亦需选择相对应的传动方式，有以传动杆和摇臂为主要组件的硬式传动，有以滑轮和钢索为主要组件的软式传动，也有软/硬混合式传动，但以上不同的传动方式都不可避免地遇到同一个问题——传动装置组件因相对运动而产生摩擦，经过一定的工作时间后会导致磨损失效。有些时候，某些组件发生磨损失效，最终会导致整个传动系统发生故障，停止工作［1，2］。例如，某型号直升机在执行任务过程中，旋翼一般由发动机通过传动轴(即减速器)等组成的机械传动系统来驱动［3］，在这一系列复杂组件中，无法避免磨损失效问题的发生，所以对于装置中扮演重要角色的机械组件，如何准确地判断维修更换时间，如何延长其安全寿命，这些问题都极具研究价值，至此对其进行磨损可靠性研究便显得尤为必要［4］，而任何研究都离不开试验数据的采集。

本文基于上述技术背景，特以直升机系统中的较为常见的机械组件为研究对象，采用正交设计技术，设计了一套新的磨损可靠性试验方法;同时，分别利用极差分析法和方差分析法对试验数据进行处理，比较两者的优劣，最终确定对直升机传动系统组件磨损的主、次要影响因素。

1 试验准备

1．1 主要试验参试样品

传动齿轮、滚针衬套、主轴、连接齿套等。

1．2 试验条件

1)试验设备要求

动力:可采用650KW电机;

液压设备:需提供移动式液压源。

2)试验测量设备和仪表

外形测量:游标卡尺0150mm，千分尺050mm;

压力测量:试验平台压力值测量见表1;

温度测量:红外测温仪;

试验用油:试验用油与实机相关装置用油一致。

表1 压力测量参数

2 磨损影响因素正交试验设计

2．1 试验目的

通过该试验判断载荷、转速、硬度等影响因素与传动齿轮磨损的关系。

2．2 试验方法

利用正交表头设计正交试验，根据现场经验，选取三个主要影响因素，每个因素确定4个水平，共设计16组载荷、转速、硬度不同组合的正交磨损试验，按节点记录传动齿轮磨损量(表2、表3)。

特别说明:正交表头具有“整齐可比，均匀分散”的正交性，必须保证设计的正交表头满足此两点性质;因本正交试验是三因素四水平的，故选用L16(43)的正交表头［5，6］。

表2 因素水平表

表3 正交试验方案表

2．3 试验方案设计

1)对原始传动齿轮进行600次磨合，保证进入稳定磨损阶段。

2)磨合结束后，每200次换挡对传动齿轮厚度进行测量，共测量10次(即共换挡2000次)，按节点记录传动齿轮磨损量。

3)重复上述两步，按照正交表头L16(43)共完成16组试验。

3 试验结果及数据分析

3．1 测量结果

整理16组测量数据，见表4。

表4 磨损影响因素正交试验结果测量表

3．2 数据分析

考虑到正交试验的独特性，运用极差分析法和方差分析法两种分析方法对试验结果进行处理分析，准确判断各影响因素与传动齿轮磨损的关系。

3．2．1 极差分析法

极差分析法的原理是通过极差的大小确定影响因素的主次关系。极差分析法的结果分析见表5。

表5中，Ki为任一列上水平号是i(i=1，2，3，4)时所得试验指标值的总和;ki:ki=Ki/s，其中s是各水平在任意一列上出现的次数，故ki为任一列上，因素取水平i(i=1，2，3，4)时所对应试验结果的算术平均值;R:称为极差，即在任意一列上，R=max {K1，K2，K3，K4}－min{K1，K2，K3，K4}，或R=max {k1，k2，k3，k4}－min{k1，k2，k3，k4}。

表5 正交试验结果的极差分析

各列的极差通常是不相等的，这也正表示各个因素水平的改变会对正交试验指标值产生不同等级的影响。极差R愈大，说明在一定范围内该列影响因素的变化会导致试验指标值(即传动齿轮磨损率w(t))产生愈大的变化，故极差R最大的一列便为最主要影响因素，据此依次可对因素主次进行排列。

通过表5可知，R(转速)=19．75远大于R(油压)=3．25和R(硬度)=2．75，故转速为影响传动齿轮磨损的最主要因素，而且影响效力远大于载荷和硬度;R(油压)=3．25虽稍大于R(硬度)= 2．75，但仍属同一等级，二者影响效力相当。

3．2．2 方差分析法

方差分析法能够把由因素水平变化所导致的测量结果的差异和测量误差分开来，若某因素水平的变化导致测量结果的变动与测量误差相差较大，即认为该因素对试验测量结果存在显著的影响;反之，即认为该因素对试验测量结果影响不显著。主要分析过程是先算取因素和误差的离差平方和，再依次计算自由度、均方、F值，最后进行F检验。

具体计算过程如下，见式(1)－式(20):

1)计算离差平方和

①总离差平方和SST

则总离差平方和:

②各因素引起的离差平方和SSj

式中，j=1，2，3，4为某因素所在的列号，r为其水平数，如因素A在第1列上，即SSA=SS1，依次同理，则有:

③试验误差的离差平方和SSe

试验方案表3中的空列是误差列，目的是作方差分析的对比项，误差的离差平方和在计算过程中是求取所有空列对应的离差平方和的总和，即:

2)计算自由度

总自由度:

各因素自由度:

误差自由度:

3)计算均方(即平均离差平方和)

各因素均方:

误差均方:

但发现MSA＜MSe，MSC＜MSe，说明因素A和C对试验指标值的影响较小，是次要因素，故二者均归入误差里，这样误差的离差平方和、自由度、均方也随之变化，即:

新误差离平方和:

新误差自由度:

新误差均方:

4)计算F值

F值是各影响因素对应的均方与误差均方的比值(本试验因为因素A、C都算入误差里，所以不需计算A、C的F值，真正意义上的主要影响因素仅为B，即转速):

5)F检验

在显著性水平确定的前提下，检验影响因素是否对试验指标值存在显著性影响。即先通过F分布表查得临界值，再对F值和临界值进行数值比较，若，则因素B对试验指标值存在显著性影响，反之不存在。通常F值和临界值之间的相差愈大，表示该因素对试验指标影响愈为显著，即该因素愈为关键。

本正交试验经查表得:F0．05(3，12)=3．49，F0．01(3，12)=5．95，故对应于给定的显著性水平α= 0．05，α=0．01，FB=15．7755542＞F0．05(3，12)= 3．49，FB=15．7755542＞F0．01(3，12)=5．95，即影响因素B对试验指标值(即传动齿轮磨损率w(t))存在非常显著的影响，最后将分析结果列于表6。

表6 正交试验方差分析表

方差分析法的分析结果是影响因素B(转速)对传动齿轮磨损有显著性影响，而影响因素A(载荷)和C(硬度)相对来说均为次要因素，有影响，但效力并不显著，这也与极差分析法的分析结果一致。

综上所述，得到磨损影响正交试验结论:

1)影响传动齿轮磨损的众多因素里，转速影响作用最大，即为最主要影响因素;

2)相对于转速，载荷和硬度影响效力相当，但影响作用不大，即为次要影响因素。

3)方差法充分考虑试验误差的存在，把由因素水平变化所导致的测量结果的差异和测量误差分开来，相较于极差法，方差法的分析结果更为真实可靠。

4 结论

本文以直升机传动系统组件——齿轮为试验研究对象，结合部队外场环境，选取三项对机械磨损最为重要的影响因素(载荷、转速、硬度)，采用正交设计技术，设计磨损影响因素试验，确定了转速是对齿轮磨损影响最大的主要因素，同时载荷和硬度为效力相当的次要因素。

磨损影响因素可靠性正交试验获得的试验结果，较为准确地反映了对直升机机械组件磨损影响因素的主次要关系，比较了极差分析法和方差分析法的数据处理技术，成功建立了实用的确定主要磨损影响因素的可靠性试验新技术，该试验技术具有相当的应用价值，符合工程实际。

［1］ 陶梅贞，现代飞机结构设计［M］．西安:西北工业大学出版社，1997．

［2］ 《飞机设计手册》总编委会编，编．飞机设计手册第12册［M］．北京:航空工业出版社，2003．

［3］ 陈怡枢［J］．展望21世纪直升机技术的新进展［J］．直升机技术，2000(121):45－49．

［4］ 黄洪钟．机械传动可靠性理论与应用［M］，北京:科学出版社，1995．

［5］ 徐仲安，王天保，李常英．正交试验设计法简介［J］，科技情报开发与经济，2002，12(5):148－150．

［6］ 陈 东，黄 平，王 欢．用正交设计伏化半金属摩擦材料的配方［J］，机械工程材料，2004，28(5):35－37．

Research on the Wear Reliability Test Technique of the Transmission System Assembly Influential Factors of Helicopter based on Orthogonal Test Design

LIU Songyu，SHEN Yabin
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

In this paper，with helicopter transmission system as its research object，adopted the orthogonal designing method to design a new test for determining the reliability of wear influential factors．To verify the practicability and reasonability of technology test，the test data were processed and analyzed using range analysis method and variance components method to compare the advantages and disadvantages of the two and determine major and secondary influence factors for abrasion of helicopter mechanical components．

orthogonal design;influential factors;reliability test

V216．6

A

1673-1220(2017)02-056-05

2016－10－08

刘松宇(1989－)，男，河北安国人，硕士，助理工程师，主要研究方向:直升机五性设计。