摘要：在我国快速发展的过程中，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，针对某型直升机传动系统的动力传动轴的两种设计构型，计算了动力传动轴两种构型的静强度和临界转速，得到构型Ⅱ动力传动轴是最优设计的结论。动力传动轴的静强度和临界转速计算方法为同类产品的研制提供了参考和依据。
关键词：直升机；传动系统；动力传动轴；静强度；临界转速
引言
传动系统是直升机三大动部件之一，其功能是在涡轴发动机和旋翼间传递功率和转速，是直升机的关键部件。由于动力传动轴采用薄壁结构，工作负荷大、质量轻、转速高，而且在工作环境中存在各种不同的激励力，因此，其故障率较高，是直升机传动系统的关键零件。为了较好地补偿发动机输出轴线与传动系统输入轴线之间的角向和轴向偏差，现代直升机的动力传动轴主要采用膜片联轴器和膜盘联轴器的结构形式。根据研究所研制动力传动轴的经验，某型直升机动力传动轴有两种构型设计，分别采用膜片联轴器和膜盘联轴器的结构形式。由于直升机对动力传动轴的安全性要求非常苛刻，要求使用寿命长，因此需要选择较优的动力传动轴构型来进行新产品试制。文中从动力传动轴的静强度和临界转速两方面进行对比分析，设计出满足设计要求的动力传动轴。
1动力传动轴
某型直升机动力传动轴的正常工作转速为6000r/min，允许的最高工作转速为7200r/min，允许传递的最大转矩为1134N•m。根据某型直升机动力传动轴的传动特点，动力传动轴的设计构型有以下两种：构型Ⅰ：动力传动轴组件两端通过膜片联轴器与发动机输出轴、主减速器输入齿轮轴连接。膜片联轴器由十多片薄不锈钢片组成，不需要润滑，安全可靠，装卸方便，能适应较大范围的转速和转矩，但是补偿的角度偏斜较小。构型Ⅰ动力传动轴模型及结构如图1所示。图1a中主减表示直升机主减速器输入轴及其支承轴承的组合；图1b中A，B，C均表示直升机主减速器输入轴的支承轴承，D表示发动机输出轴的支承轴承。构型Ⅱ：动力传动轴组件由轴管、膜盘和法兰盘焊接组成，两端通过法兰盘与发动机输出轴、主减速器输入齿轮轴连接。膜盘联轴器属于金属弹性元件绕性联轴器，膜盘具有很好的柔性，能够承受较大的角向和轴向变形，补偿的角度偏斜较大。构型Ⅱ动力传动轴模型及结构如图2所示。
图2构型Ⅱ的模型及结构示意图
2动力传动轴静强度
构型Ⅰ动力传动轴的材料是9310，构型Ⅱ动力传动轴管和法兰盘的材料是9310，膜盘的材料是00Ni18Co8Mo5TiAl，材料性能如表1所示。
表1材料性能
通过NASTRAN软件分析得到两种构型动力传动轴的当量应力分布，如图3所示。由图3可见，两种动力传动轴的最大当量应力是584MPa，静强度裕度足够。
图3两种构型动力传动轴的当量应力分布图
3动力传动轴临界转速
对于非滑动型传动轴，由于其截面不变，满足经验公式的条件，用经验公式即可获得较精确的结果，但对于滑动型传动轴而言，由于截面是变化的，故使用经验公式计算会有较大误差。应用转子动力特性分析软件SAMCEF/ROTOR计算动力传动轴的临界转速，采用八节点四边形单元对传动轴进行网格划分，应用轴承单元模拟各支承点，建立二维轴对称有限元模型。动力传动轴各支承轴承的刚度如表2所示。两种动力传动轴的有限元模型如图4所示。
图4动力传动轴的有限元分析模型
SAMCEF/ROTOR软件中二维轴对称单元是基于傅立叶级数而展开的。位移域的傅立叶级数：设定ur，uz，uθ，准r，准z，准θ为局部坐标系下的位移分量，将它们沿θ向按傅立叶级数展开：
式中：n—波数；m—相位数。其中，每个谐函数（n，m）对应一个结构的基本变形。动力传动轴计算得到的临界转速和安全裕度如表3所示。由于动力传动轴的低阶临界转速容易被激起，因此，只提取动力传动轴的前3阶临界转速进行分析。构型Ⅰ动力传动轴的前3阶振型如图5所示，构型Ⅱ动力传动轴的前3阶振型如图6所示。
表2动力传动轴各支承轴承的刚度值
图5构型Ⅰ动力传动轴的前3阶振型
图6构型Ⅱ动力传动轴的前3阶振型
由表3动力传动轴的临界转速可知：构型Ⅰ动力传动轴的2阶和3阶临界转速均高于正常工作转速，具备足够的安全裕度，但构型Ⅰ动力传动轴的1阶临界转速处于6000～7200r/min之间，由于轴系的临界转速通常以某恒定转速为中心波动的转速带形式存在，因此，构型Ⅰ动力传动轴在正常工作转速范围内存在共振转速，容易导致破坏。构型Ⅱ动力传动轴的1阶临界转速远低于50％正常工作转速，由于动力传动轴的慢车转速为3000r/min，因此，在工作转速范围内不存在共振转速，构型Ⅱ动力传动轴的2阶和3阶临界转速均高于正常工作转速，具备足够的安全裕度。由此可见，构型Ⅱ动力传动轴的动态特性优于构型Ⅰ动力传动轴的。
表3动力传动轴的临界转速和安全裕度
4有限元法的计算结果与实验验证
对于如图7所示的滑动式传动轴模型，由于花键啮合长度不同，其尺寸如表4所示。对上述三种情况的传动轴，分别利用ANSYS单元库中的三维梁单元和实体单元进行计算，并采用激振法进行传动轴的临界转速测量，计算结果与实验测量结果如表4所示。使用实体单元进行计算的好处是显而易见的：①有限元模型更加接近实际情况，计算的结果比使用其它单元精确，实验数据也验证了这一点。②为模拟传动轴的实际工作情况打好了基础，可以在这个基础上进行不平衡量激励下的谐分析和路面随机激励下的谱分析，这些分析都是建立在摸态分析的基础上。
表4 不同的传动轴尺寸
表5 计算结果与实验结果对照
结语
构型Ⅰ动力传动轴和构型Ⅱ动力传动轴的静强度均满足设计要求，但构型Ⅰ动力传动轴1阶临界转速处于工作转速范围内，存在共振风险，而构型Ⅱ动力传动轴的前3阶临界转速裕度均满足设计要求，因此，构型Ⅱ动力传动轴是最优设计构型。动力传动轴的设计构型、静强度和临界转速的计算方法为同类产品的研制提供了参考和依据。
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论文作者:霍同雷1,张峰2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签：传动轴论文; 构型论文; 动力论文; 转速论文; 临界论文; 联轴器论文; 所示论文; 《基层建设》2018年第36期论文;