自动倾斜器防扭臂组件的疲劳鉴定

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0.引言

自动倾斜器是指在直升机中改变旋翼倾斜方向和桨叶倾角的专用装置。直升机驾驶员可以通过自动倾斜器将操纵指令从不旋转的机身传递到旋转的桨叶，拉动桨叶周期性的改变桨距，使旋翼旋转平面发生倾斜，从而使直升机沿着旋翼拉力水平分量的方向飞行，达到控制直升机飞行方向的目的[1]。防扭臂组件是直升机自动倾斜器中一个不可或缺的关键部件，防扭臂组件两端分别连接不动环和主减速器壳体以防止不动环随动环转动。直升机在不同的周期操纵情况下，防扭臂组件中的方形臂和三角臂、方形臂和支座之间会存在高速的周期性摆动。与此同时，防扭臂组件在工作中还要承受来自变距拉杆沿动环或阻力器沿不动环的周向不平衡力。因此，防扭臂组件疲劳寿命的长短将直接影响自动倾斜器的使用寿命和直升机的飞行性能。本文从试验设计方案、试验加载方式、疲劳寿命评估等方面对直升机自动倾斜器防扭臂组件疲劳试验进行了阐述。

1.防扭臂组件结构及安装加载方式

1.1 防扭臂组件结构

防扭臂组件主要由三角臂和方形臂构成。三角臂与方形臂、方形臂与试验安装支座均通过防扭臂螺栓、WC垫圈和WC直衬套等零部件相连。防扭臂螺栓安装结构如图1所示，WC垫圈和WC直衬套分别置于防扭臂螺栓两侧穿入方形臂。在试验过程中保证WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙在0.3mm～1mm。

图1 防扭臂螺栓安装结构示意图

1.2 防扭臂组件安装加载方式

按疲劳鉴定试验要求对直升机防扭臂组件进行安装和边界条件模拟。防扭臂组件安装在自行设计的配套装置上，同实际装机情况一致。防扭臂方形臂和支架连接的一端与方形臂安装支座相连，防扭臂三角臂的一端与载荷加载机构连接。在试验过程中，防扭臂组件的方形臂和三角臂的夹角要保持在117.3°，试验安装如图2所示。试验时，通过载荷加载机构对防扭臂组件施加一个与旋翼旋转方向相同的载荷，试验过程中采用正弦波波形加载。

图2 防扭臂组件试验安装示意图

2.试验问题分析与解决方案

2.1 试验问题分析

从多次的自动倾斜器防扭臂组件疲劳试验可以发现，试验过程中WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙经常出现异常，即不符合“试验过程中保证WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙在0.3mm～1mm”的试验安装要求。根据以往经验，导致WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙异常的原因有很多。比如当防扭臂螺栓的拧紧力矩丢失时，防扭臂螺栓发生松动而使WC垫圈与方形臂凸肩衬套之间的间隙增大，大于试验要求的0.3mm～1mm，这会导致防扭臂螺栓在试验过程中的“窜动”幅度变大，使得防扭臂螺栓的受力与真实装机状态不符，可能引起防扭臂螺栓的提前失效。试验过程中，WC直衬套比较容易发生磨损或者破裂现象，这也会导致防扭臂螺栓与方形臂凸肩衬套的工作状态发生变化，使WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙减小，加快了防扭臂螺栓光杆部位的磨损速度，在螺栓的光杆部位形成了一个个小台阶，导致防扭臂螺栓不能沿着其轴线方向正常的游隙，发生“卡滞”现象。三角臂在疲劳试验过程中持续受到沿X方向的切向载荷F的作用，如果WC垫圈与方形臂凸肩衬套间的间隙过小，无法平衡方形臂所受到的切向力，将会导致防扭臂螺栓的两端受到额外的弯矩作用[2]。在周而复始的额外弯矩作用下，防扭臂螺栓的疲劳寿命将会受到较大影响。此外，方形臂凸肩衬套的脱胶或破裂也是造成试验过程中WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙异常的常见原因。总而言之，WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙异常将会导致防扭臂螺栓与方形臂间的工作状态发生改变，不仅对防扭臂螺栓造成损伤，异常的工作状态有时也会对三角臂和方形臂产生一定影响，导致三角臂和方形臂的提前破坏。每当试验过程中出现WC直衬套磨损严重或破裂、方形臂凸肩衬套脱胶等情况时，试验件都需要进行返厂修理。不仅大大延长了试验周期，有时甚至会对三角臂、方形臂等重要部件造成不可逆的损伤，使其疲劳寿命降低，严重时导致防扭臂组件疲劳寿命不合格，影响该组件的批产交付工作。因此寻求合适的解决方案减少或避免这类情况的发生显得尤为重要。

2.2 解决方案

针对上述对试验中WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙异常问题的分析，可以从以下两方面解决问题。

（1）载荷波形监控工作间隙是否异常。试验过程中需保证WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙在0.3mm～1mm，有时却难以确认工作状态下的防扭臂组件间隙是否异常，因此利用载荷波形监控试验成为了一种选择。在疲劳试验过程中，利用协调加载控制系统，通过命令指令和反馈指令实时监控施加在防扭臂组件上的载荷大小。当WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙正常时，在采集的载荷波形图中，反馈指令在过零点附近会出现“小台阶”，如图3所示。这是因为防扭臂螺栓在受到拉压载荷，沿轴线方向正常游隙的过程中，防扭臂组件所受载荷为0，使得反馈指令在零点附近滞后于命令指令，从而在零点附近形成“小台阶”形状的波形。WC垫圈与方形臂凸肩衬套之间的间隙过大或者过小，都会导致“小台阶”形状变大或者变小。因此我们可以在试验过程中，通过观察“小台阶”的变化判断防扭臂组件的工作状态是否异常。当发现间隙异常时，及时通过更换WC直衬套、防扭臂螺栓等方法避免防扭臂组件非正常工作状态下对三角臂、方形臂等造成进一步损伤。

图3 防扭臂疲劳试验正常载荷波形图

（2）定期更换WC直衬套及相关配套装置。试验过程中WC直衬套容易发生磨损或者碎裂，导致WC垫圈与方形臂凸肩衬套的间隙减小，防扭臂组件工作状态异常。因此在试验周期中，定期更换WC直衬套可以有效解决这一问题。相比于返厂检修，更换WC直衬套大大缩短了试验周期和防扭臂组件不必要的损伤。此外，由于WC垫圈与方形臂凸肩衬套之间间隙的存在，防扭臂螺栓在试验过程中会有一定程度的“窜动”，导致WC直衬套不断撞击方形臂安装支座的端面，在端面上形成凹坑，如图4所示。凹坑使得防扭臂螺栓不能沿着其轴线方向正常的游隙，发生“卡滞”现象，引起防扭臂螺栓与方形臂凸肩衬套的工作状态发生变化。所以定期更换试验中的相关配套装置也尤为重要。

图4 试验前后方形臂支座端面照片

3.寿命评估分析

自动倾斜器防扭臂组件批产抽检试验完成1件有效件，试验件在完成第一级载荷50万次后，进行载荷升级，并在第二级载荷进行至6万多次时，由于方形臂破坏，试验终止。根据批产抽检疲劳试验结果计算各部件平均疲劳极限，见表1。

表1 自动倾斜器防扭臂组件疲劳极限

小批量生产产品的抽样检验判断时，取统计变量：

式中：S∞0、σ为原产品疲劳极限对数平均值和标准差；S∞m、n为抽样件疲劳极限对数平均值和抽样件数。

假设统计变量U服从正态分布，因此对应于显著性水平α1=5%的警告线和α2=0.2%的不合格线的标准正态偏量分别为UH=Uα1=-1.65和UL=Uα2=-2.90，即当U＞UH时，说明产品合格，当U＜UL时，则产品不合格，而当UL＜U＜UH时，产品的合格性受到怀疑，应查找原因，并增加抽检数量，再重新进行计算、判断，直到得出合格或不合格的结论为止。

由直升机自动倾斜器防扭臂组件疲劳寿命评定，可知鉴定试验中自动倾斜器防扭臂组件的平均疲劳极限S∞0与标准差σ，抽检试验件的平均疲劳极限S∞m取自表1，n取1，按照式（1）计算得到此批产抽检疲劳试验的U值，见表2。

表2 自动倾斜器防扭臂组件抽检结果

计算得到此批产抽检疲劳试验的各危险部位U值均大于警告界限，该批产品抽检样件合格。

4.结语

本文介绍了防扭臂组件疲劳试验设计方案。并就试验过程中出现的防扭臂组件状态异常的问题进行了探讨分析，并提出了相应的解决方案。将文中所述的方案运用到实际中，大大缩短了试验周期，为试验件批产交付工作提供了有力的保障。根据试验结果与统计原理，得出该防扭臂组件合格的结论。