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直升机尾传动轴如何“添乱”

2019-05-28

　　单旋翼带尾桨是直升机的经典构型，综合来说，至今没有其它构型能超越其在直升机界的地位。但是人们依然在孜孜不倦的研究，很大一部分原因就想解决“带尾桨”的问题。今天我们就把视线聚焦尾传动轴，从这个角度看看“带尾桨”为什么让直升机设计者如此头疼，想尽各种办法将其替换或取消，在直升机的使用过程中，尾轴如何“添乱”，通过实际案例，引起读者特别是一线维护人员对这一部分的重视。

　　一、引言

　　单旋翼直升机，因为旋翼对机身有反扭矩，所以必须采取抵消措施，所以“带尾桨”就成了单旋翼直升机甩不掉的“包袱”。

　　这一部分包括长长的尾梁，以便将尾桨安置在旋翼桨盘之外，确保用Z小功率损耗平衡反扭矩并实现航向操纵。

　　尾桨旋转需要驱动力，必须要有传动轴；

　　驾驶员需要操纵尾桨，还需要操纵传动机构；

　　如果操纵力过大，还需要液压系统和助力机构。

　　所以“带尾桨”带来的不仅仅是尾桨，还有尾梁、尾传动轴、尾桨操纵和助力机构。

　　尾梁对于人们的印象就是静止在那里，好像不会出什么问题，也不需要过多的关注，但是在直升机运行过程中，尾梁并不是静止不动的，它更像“单悬臂梁”。

　　单悬臂梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力）。

　　二、尾轴为什么容易“添乱”

　　尾桨传动轴（尾轴）主要实现功率从主减或发动机到尾桨的传送。

　　1、传动轴较长且刚度低，并且固定在刚度较小的尾梁上，当尾梁在载荷的作用下产生弯曲变形时，就要强迫支撑在其上的尾传动轴一起弯曲；

　　2、尾传动轴一般不在尾梁的中性层上，尾梁的弯曲变形还会引起尾传动轴拉长或缩短。这就是说，当尾梁弯曲变形时，会使尾传动轴受到附加的弯矩和轴向力；

　　3、由于结构材料不同，环境温度的变化也会在尾传动轴中产生附加的轴向力；部分机型尾传动轴位于发动机尾喷管下方，发动机排出的高温气体在旋翼下洗流作用下直接吹向尾轴，导致尾轴长期在高温下工作。

　　4、尾轴输出端、尾减速器和各轴承座之间的不同心度及尾梁与传动轴制造时的长度误差，都会加剧尾轴承受的附加载荷。

　　虽然尾轴中有能实现角度补偿的联轴节长度补偿的花键，但是所受的附加载荷不可能完全消除。同时尾轴大部分部附件在直升机运转过程中处于高速旋转状态，上述附加载荷转化为与旋转频率相关的交变载荷。

　　由上述分析可知尾轴的部附件容易出现由交变载荷引起的各类故障，例如疲劳老化、磨损甚至断裂等。外场维护中，直升机尾桨传动系统多次发生花键磨损、卡箍断裂，轴承内环与减震环错位等故障现象，这些故障或发生突然或不易察觉，但都时刻威胁着飞行安全。

　　二、尾轴及其部附件故障

　　尾轴在直升机安全飞行中起着至关重要的作用，但是由于其承受的附加载荷较多，在实际工作中容易出现故障。

　　故障一：图3所示某直九系列直升机在机械日工作中发现尾传动轴轴承半卡箍断裂。此部件位于发动机后部灭火瓶舱中，外部有灭火瓶舱整流罩。图4给出了该部件的安装位置。通过对故障部位的观察可以发现，断痕为一次性发生，进一步检查发现本机卡箍内两个半圆形衬垫安装位置不符合《维护手册》规定（维护手册规定两个半圆形衬垫上端距离不超过50mm），通过轴承橡胶衬套的压痕判断已经超过规定范围，两个内部垫片安装位置偏下，导致半圆形卡箍底部应力集中，长时间承受传动轴的振动及交变载荷，导致卡箍断裂。另外经检查发现轴承支座出现明显磨损痕迹，如图5所示，轴承支架为金属材质，与之直接接触的部件为橡胶衬套，如果轴承支架出现明显磨损，则橡胶衬套的损伤更为严重。进一步说明此处的交变载荷较大。

　　故障二：图6为尾轴挠性联轴节实物图，它由数片不锈钢片叠合而成。传动轴的输入和输出轴法兰盘分别用三个等距分布的螺栓与不锈钢叠片弹性组件连接，并且使输入轴与输出轴法兰盘的连接点错开，螺栓连接处用特殊形式的垫片和衬套，使弹性组件在螺栓连接处的挠曲不产生应力集中。这种联轴节借助于元件的弹性变形实现角度补偿，适用于角位移补偿较小的传动系统。因为其重量轻，结构简单且维护方便，在轻型和中型直升机的传动系统中应用非常广泛。图7所示某架直升机尾传动轴前段与中段之间挠性联轴节出现叠片断裂。

　　故障三：轴承环形箍带断裂。此类故障在直九系列直升机中发生了多次，且断裂的部位均为箍带端部铆钉处，如图8所示。裂纹（如图9所示）Z先发生在箍带的内侧，从外侧难以察觉。通过查阅其中四架直升机的履历本发现两架直升机卡箍的断裂发生在更换尾减后的100余小时；一架故障发生在更换主减后50余小时。图10给出了断裂处的细节图，图11为正常安装的轴承环形箍带。

　　故障四：尾轴轴承内环与紧靠轴承的橡胶弹性减震环之间出现相对运动；轴承外环与轴承减振器之间出现相对运动。正常工作时轴承内环紧紧的贴在橡胶减震环上，跟随尾轴一起转动，轴承外环和轴承减振器一起固定在轴承支架上。

　　建议：做如下标记线：橡胶外圈与外部固定环，橡胶外圈与轴承外圈，轴承内圈与内圈橡胶衬套及轴，每次检查检查标记线是否错位。

　　若发现轴承与减振环之间有相对运动，应及时检查尾轴振动值。

　　故障五：尾传动轴支架裂纹

　　尾传动轴轴承支座是轴承和机身连接的关键部位，轴承的交变载荷直接传递给支座。

　　三、导致尾传动轴及相关部附件故障主要原因：

　　1、传动轴同轴度不好，轴承及支架长期承受较大的交变载荷，使类似的问题反复发生。

　　2、尾传动轴振动值较大，不好的尾轴同轴度是导致振动的原因之一，另外部附件特别是旋转部附件长期使用，由于磨损、变形等原因都会加剧尾轴的振动。

　　3、部件老化，强度或韧性不能满足要求。

　　4、部分机型轴承处于发动机尾气的直吹范围，轴承外橡胶套在温度的作用下变软，失去减震功能，甚至转动与外部整流罩摩擦，这样在发动机工作时，振动值和相位会时常变化，导致部附件故障。

H125直升机尾桨振动检查
（来源：航空维修）