唐鈺婧，孟俊杰，夏富春

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引 言

花鍵聯(lián)接因具有導(dǎo)向性及對中性好、受力勻稱、多鍵齒接觸承載能力大、齒根應(yīng)力集中較小等優(yōu)點(diǎn)，在直升機(jī)減速器及液壓泵、交流電機(jī)等附件中得到廣泛應(yīng)用。由于直升機(jī)減速器與附件中多為浮動(dòng)花鍵，其軸向竄動(dòng)和偏心較大，潤滑不充分，磨損顆粒易堆積，使得齒面磨損嚴(yán)重[1]。在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)型號研制及在役機(jī)型中因浮動(dòng)花鍵過度磨損導(dǎo)致零部件提前失效的問題已發(fā)生多起，是制約直升機(jī)減速器壽命和可靠性提高的關(guān)鍵技術(shù)之一。

增加花鍵的耐磨性可通過以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：更換材料、改善表面處理工序、改善潤滑條件、減少偏心量和浮動(dòng)量以及減小載荷等[2]。但對于直升機(jī)減速器浮動(dòng)花鍵，存在一定的限制：直升機(jī)減速器大量采用一體化設(shè)計(jì)，其花鍵的材料性能改善還需兼顧到齒輪等材料性能的影響，因此在花鍵材料的更換方面受到一定限制；直升機(jī)傳動(dòng)軸系在裝配過程中對于偏心的控制已經(jīng)非常嚴(yán)格，尾傳動(dòng)軸系的角度偏差一般控制在6分以內(nèi)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提升勢必會(huì)帶來安裝調(diào)整以及外場維護(hù)的工作量，因此在偏心控制方面提升有限；花鍵浮動(dòng)主要由于尾梁變形、軸系工況的影響所導(dǎo)致，針對花鍵本身難以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；所以直升機(jī)減速器花鍵耐磨性改善主要應(yīng)該通過改善潤滑條件和表面處理工序來實(shí)現(xiàn)[3]。

筆者建立直升機(jī)尾傳輸出浮動(dòng)花鍵模型，計(jì)算不同摩擦系數(shù)下浮動(dòng)花鍵副的齒面接觸應(yīng)力及齒面相對滑動(dòng)速度，從而得出不同潤滑條件和表面處理工藝下浮動(dòng)花鍵副磨損情況，證明不同潤滑條件和表面處理工藝對花鍵磨損有較大影響。

1 模型建立

本章建立了由連接主減部分、花鍵、尾傳軸、連接尾減部分以及膜片聯(lián)軸器等組成的浮動(dòng)花鍵副分析仿真模型，基于漸開線浮動(dòng)花鍵副仿真分析模型，計(jì)算不同表面處理的浮動(dòng)花鍵副齒面接觸應(yīng)力以及齒面相對滑動(dòng)速度。

1.1 Archard磨損模型

Archard磨損模型是現(xiàn)在研究磨損計(jì)算量最常用的損耗計(jì)算模型，并由著名學(xué)者Archard在20世紀(jì)50年代提出，該模型最主要的應(yīng)用在于計(jì)算黏著磨損。模型的基本思路是利用屈服應(yīng)力和滑移的距離來表述試驗(yàn)件的體積磨損量，達(dá)到計(jì)算表面磨損體積的目的[4-5]。Archard磨損計(jì)算公式如下：

(1)

式中：V1是材料的表面磨損量；L是相對滑移長度；N是法相接觸面壓力；K是無量綱單位。此模型給出了磨損量和相對滑移距離、載荷和材料的硬度的線性關(guān)系，磨損量隨著施加載荷和滑移量的增大而增大，與材料的硬度成反比。而相比于磨損體積，我們往往更想得到花鍵齒面的磨損深度，對式(1)各變量進(jìn)行如下等效變換：

(2)

(3)

N=PA

(4)

(5)

(6)

由式(6)可知，花鍵副的磨損深度與花鍵嚙合面的相對速度以及接觸應(yīng)力正相關(guān)。

1.2 仿真模型

為更真實(shí)的對直升機(jī)主減速器尾傳輸出浮動(dòng)花鍵開展仿真分析，建立尾傳系統(tǒng)整體仿真模型，整體模型主要由主減部分、花鍵、尾減部分以及膜片聯(lián)軸器等組成，如圖1所示。

圖1 尾傳系統(tǒng)模型

將上述尾傳系統(tǒng)網(wǎng)格模型在有限元前處理軟件ANSYS中進(jìn)行有限元邊界條件的施加及設(shè)置，其中主減部分輸入轉(zhuǎn)速為313.16 rad/s；尾減部分轉(zhuǎn)矩為76.6 N·m,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示，對各軸承外圈進(jìn)行固定約束，最后得到尾傳系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖2 加載曲線

圖3 尾傳系統(tǒng)仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

采用已經(jīng)建立的尾傳系統(tǒng)仿真分析模型，計(jì)算不同潤滑方式下浮動(dòng)花鍵副的齒面接觸應(yīng)力及齒面相對滑動(dòng)速度。

材料在干摩擦和充分油潤滑條件下的抗磨特性相差極大，潤滑油可在兩摩擦接觸表面生成一層油膜，油膜的產(chǎn)生可以避免摩擦副的直接接觸，也可以有效的降低接觸表面的磨損，因此探究不同潤滑條件下花鍵副齒面磨損具有十分重要的意義[6]?；ㄦI副鍵齒的接觸屬于非線性問題[7]，本節(jié)通過有限元仿真技術(shù)，將花鍵齒之間的接觸類型設(shè)置為面-面接觸模式，通過改變內(nèi)外花鍵副接觸齒面的動(dòng)摩擦因數(shù)來模擬不同潤滑條件，動(dòng)摩擦因數(shù)越小說明花鍵副所處花鍵潤滑條件好摩擦力小[8]。此次研究三組不同摩擦因數(shù)下花鍵副齒面應(yīng)力的變化規(guī)律，具體參數(shù)見表1。

表1 花鍵副摩擦因數(shù)變化表(花鍵偏心值0°)

(1)摩擦因數(shù)0.01花鍵副受力分析

對花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦因數(shù)為0.01(偏心值0°)的花鍵仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出該因素下花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

提取花鍵副齒面最大接觸應(yīng)力的曲線及花鍵副齒面相對滑動(dòng)速度曲線，通過仿真分析可以得到，該花鍵模型在內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.01時(shí)，花鍵副齒面平均接觸應(yīng)力達(dá)到72 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對滑動(dòng)速度最大約為1.89 m/s。

圖4 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

(2)摩擦因數(shù)0.1花鍵副受力分析

對花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦系數(shù)為0.1(偏心值0°)的花鍵模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖5所示，可以看出花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖5 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

提取花鍵副齒面接觸應(yīng)力最大位置處的接觸應(yīng)力曲線及齒面相對滑動(dòng)速度曲線，通過仿真分析可以得到，內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.1時(shí)，花鍵副齒面間的平均接觸應(yīng)力達(dá)到92 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對滑動(dòng)速度最大約為1.54 m/s。

(3)摩擦因數(shù)0.5花鍵副受力分析

對花鍵副內(nèi)外花鍵接觸摩擦系數(shù)為0.5(偏心值0°)的花鍵模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分別提取內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖，如圖6所示，可以看出花鍵齒面應(yīng)力分布的非常均勻，幾乎沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 內(nèi)外花鍵應(yīng)力云圖

提取花鍵副齒面接觸應(yīng)力最大位置處的接觸應(yīng)力曲線及齒面相對滑動(dòng)速度曲線，通過仿真分析可以得到，內(nèi)外花鍵齒面接觸摩擦因數(shù)為0.5時(shí)，花鍵副齒面接觸應(yīng)力達(dá)到109 MPa，內(nèi)外花鍵齒面相對滑動(dòng)速度最大約為1.36 m/s。

通過對不同潤滑條件下(摩擦因數(shù)不同)的花鍵副進(jìn)行仿真分析，可以得到不同摩擦因數(shù)下，花鍵齒面應(yīng)力分布較均勻，且隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增大，花鍵副接觸面間的摩擦力增大，齒面平均接觸應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大，花鍵副齒面相對滑動(dòng)速度隨著摩擦因數(shù)的增大而減小。但相對于齒面相對滑動(dòng)速度減小的速度，齒面接觸應(yīng)力增大的速度更大。根據(jù)磨損深度計(jì)算公式可知，隨著潤滑條件逐漸變差，花鍵副齒面間的磨損將逐漸加劇。

3 結(jié) 語

本文通過有限元仿真的方法研究了不同潤滑方式及表面處理對直升機(jī)減速器花鍵副磨損的影響，仿真分析結(jié)果表明：不同摩擦因數(shù)下花鍵齒面應(yīng)力分布較均勻，且隨著動(dòng)摩擦因數(shù)的增大，花鍵副接觸面間的摩擦力增大，齒面平均接觸應(yīng)力隨著摩擦因數(shù)的增大而增大，花鍵副齒面相對滑動(dòng)速度隨著摩擦因數(shù)的增大而減小。但相對于齒面相對滑動(dòng)速度減小的速度，齒面接觸應(yīng)力增大的速度更大。根據(jù)磨損深度計(jì)算公式可知，隨著潤滑條件逐漸變差，花鍵副齒面間的磨損將逐漸加劇。研究結(jié)果表明，可以通過改善潤滑條件以及提高表面處理的方法提高直升機(jī)減速器浮動(dòng)花鍵副的抗磨損能力。