直升机主减速器

迄今六十多年的直升机发展大致经历了五代。从30年代末到50年代中期的第一代，以木质混合式旋翼、金属铰接式桨毂和活塞式发动机为主要特点，最大飞行速度小于200公里/小时，旋翼和主减速器的总寿命低于600小时；从50年代初至60年代中期的第二代，具有金属桨叶和铰接式桨毂，装涡轮轴发动机，飞行速度近250公里/小时，旋翼和主减速器的总寿命达1200小时；从60年代中期至70年代中期的第三代，发展了玻璃钢桨叶、无铳式桨毂和新的涡轮轴发动机，飞行速度近300公里/小时，旋翼寿命达3600小时，主减速器的总寿命达2400、3600小时；从70年代至80年代初的第四代，发展了复合材料桨叶和桨毂以及新的涡轴发动机，飞行速度已超过300公里/小时，旋翼视情维修，主减速器的总寿命达4500。6000小时；从80年代中期至现在，正在发展无轴承、球柔性或无铰旋翼流，最大飞行速度超过370公里/小时(在海平面、定翼机状态最大可达510公里/小时)，直升机的其他性能(如振动、噪声水平、减轻重量、增加安全性、可靠性、主减的输入转速等)均有了新的提高，特别是主减速器的总寿命已达9000～13500小时。

由于直升机具有它的独特优点，国内外在军民用领域中的使用日益广泛，数量逐年增加。因此它对主减速器的翻修间隔期(TBO)和总寿命、可靠性、可维修性、生存力等要求也日益提高。

近几年来，国外直升机主减速器发展的主要特点是：

(1)轴-轴承-齿轮采用一体化设计，减轻重量和降低成本，提高可靠性；

(2)采用单元体设计，维护方便、降低成本、提高可靠性和维修性；

(3)采用镀层或阻尼系统设计以降低噪声：

(4)提高干运转能力(试验已达1小时)，即提高生存能力：

(5)提高翻修间隔期和总寿命；

(6)提高主减速器的安全性，如抗弹击设计和损伤容限设计：

(7)主减速器大量采用复合材料，如轴类零件和减速器机匣等。

主减速器的工作特点是减速、转向及并车。它将高转速小扭短的发动机功率变成低转速、大扭矩传递给旋翼轴，并按转速、扭矩需要将功率传递给尾桨、附件等，在直升机中它还起作中枢受力构件的作用，它将直接承受旋翼产生的全部作用力和力矩并传递给机体。根据主减速器的工作特点，对其性能有如下要求：

传递功率大、重量轻

随着直升机技术不断发展，要求主减速器传递的功率越来越大，齿轮啮合处的载荷也大得惊人。一台限制传递功率为3000kW直升机主减速器，其中有的一对啮合齿轮要承受高达10000kg的力，为了保证齿轮、轴的强度，减速器不得不付出相当大的重量代价。比如直升机的主减速器重量一般要占整个直升机结构重量的1/7~1/9。

减速比大，传递效率高

主减速器的减速比即传动比，也就是发动机功率输出轴转速与旋翼转速之比；传递效率即传递过程中功率的损失。由于旋翼与发动机输出轴转速相差十分悬殊，有的直升机总减速比高达120。转速差越大，旋翼轴的扭矩也越大，齿轮载荷就越高。为了减轻载荷，就必须采取多级传动和复杂的齿轮传动系等卸载措施，这势必给传递效率带来不利影响。一般现代直升机减速器的传递效率大致保持在0.985左右。

寿命长、可靠性好

尽管设计时，现代直升机的主减速器多数零件包括齿轮、轴和机匣都是按无限寿命设计的，但实际上却是按有限寿命使用。因此要求在实际使用中每工作一段时间后，要从直升机上卸下主减速器送往工厂翻修；更换被耗损的零件，检查合格后再装上直升机重新投入使用。这样的翻修可以进行数次，每两次送厂翻修的间隔时间称作翻修间隔期，或称主减速器翻修寿命。对于主减速器的可靠性，常用平均故障间隔时间(MTBF)表示，即主减速器在实际使用中，所发生故障的次数对工作时间的平均值(或每两次故障之间的平均时间)。

干运转能力强

由于主减速器内部齿轮多、载荷重，工作时需要滑油循环流动行润滑，以保证主减速器正常工作，一旦失去滑油，齿轮之间、轴与轴之间便会因过热而“烧蚀”，后果十分严重。为了保证飞行安全，特别是军用直升机应要求主减速器一旦断油后，有一定干运转能力。现代直升机上主减速器一般有30—40min的于运转能力，使飞行员能够继续完成作战任务，能安全返场或紧急着陆。

图1在直升机上主减速器是一个独立的部件，安装在机身上部 的减速器舱内，用支架支撑在机体承力结构上。主减速器由机 匣、减速齿轮及轴系和润滑系统组成。见某直升机的主减速器 外形和部面图（图1）。

该主减速器机匣为铝合金(或镁合金)铸件，构成主减速 器的主要承力构件，内部装有带游星齿轮及轴系的减速装置和 滑油润滑系统附件。旋翼轴从顶部伸出，四周有两个与发动机 动力输出轴相连的安装座以及尾传动轴、其他附件传动轴相联 的安装座，最下方为滑油池。

1、减速器的原理与结构具有通用性，可根据不同功率的 主机，按比例有规律地缩、放，设计出其衍生机型，降低后续机 型的研发时间和费用，使设计一劳永逸。

2、采用新材料、新技术，提高减速器的功率重量密度和 功率体积密度，降低齿轮齿面的接触压强，提高高压油膜润滑 在齿面滑动接触的厚度和时间，降低磨损，减少发热，延长维 护周期和使用寿命。

3、采用鼓形齿，变位渐开线等新技术，提高精度和齿面 强度，优化齿面的接触区域，降低对安装精度的要求，使齿轮 在大功率运转时，保持良好的啮合特性。

4、主减速器的终极采用差动行星减速，并在其行星架上 加入均载机构，使各行星的受力情况趋于一致，从而更好地发 挥出虚约束在传动合力上的增强作用。 使承载能力大幅增加， 而减速器的总重量几乎不变。

主减速器必须设置独立、自主式润滑系统，用于减少齿轮 和轴承面的摩擦和磨损，防过热、防腐蚀、防划伤并通过滑油 循环流动以排出磨损产物。 主减速器润滑系统应保证在各种工作条件下润滑可靠，散 热充分，系统密封好，滑油消耗小，带有金属磨损物探测报警 装置维护检查方便。

由于使用中不可能采用目视查看和直接检测的方法检查主 减速器内部零件的技术状态，除使用时空勤人员可通过滑油温 度和压力指示，以及滑油系统中金属屑报警装置等判断滑油系 统是否工作正常，还应通过定期检查减速器中滑油的状态来判 断这减速器零件的技术状态，因为使用时间到翻修间隔期后， 要及时返厂翻修，这样方能保证直升机关键部件——主减速器 的安全可靠工作。

动力传动系统是直升机中最主要的机械系统,它直接决定了直升机的飞行寿命、机动性能以及飞行的安全性能,但是往往也比较容易发生故障,引起严重的后果。传动系统故障主要发生在行星齿轮系上,常见的齿轮故障形式主要包括齿面磨损、齿面胶合、齿面疲劳以及轮齿折断等,齿轮产生故障的原因有很多种,主要原因包括超载、操作失误、润滑不良以及制造产生的误差等。在实际的应用中,直升机遇到的齿轮故障往往不是单一的故障形式,通常是多种故障形式同时出现,因而要根据故障的主要特征判断出现故障的主要原因,特别是对于齿轮折断这种情况,要引起足够的重视,避免重大事故的发生。同时齿轮故障会引起振动信号的变化,研究振动信号波形和齿轮状态时应该考虑旋转振动信号、速度信号、位移信号等等,利用时域分析方法和域频分析方法来解决相关的故障问题。

机械结构中有摩擦就会有发热的现象,这也就是常说的热故障,主要出现在轴承、齿轮、导轨等这些位置。直升机主减速器即使在良好的润滑条件下正常工作,也会因为自身结构比较紧凑、体积小等设计特点,在高速和重载的情况下,使得整个主减速器系统产生比较大的温差,使温度急速上升,高温会对主减速器的正常工作产生不利的影响。例如,由于元件之间的摩擦以及润滑油粘性的作用,使得轴承内部快速升温,当达到一定的温度,润滑油的粘度就会下降,使轴承表面的材料过早地失效,出现胶合咬死的情况,影响了轴承的使用寿命。对于齿轮来说,温度的变化既能影响齿轮传动性能和润滑功能,也能引起齿轮的变形,影响正常的运作。

滑油故障也是直升机主减速器中常出现的一类问题,首先滑油中容易出现金属屑,这是因为主减速器的齿轮以及轴承等零件是由合金材料制成的,在运行中由于磨损会出现一定量的金属屑,其次还会出现滑油渗漏,滑油渗漏一般是由于荷载、磨损、污染等原因使得密封件的密封性能下降,从而引起了滑油的渗漏。另外还会出现滑油压力异常的情况,滑油压力是主减速器的重要监控参数,一旦失去滑油压力,主减速器的机械部件就会严重损坏,直接影响了飞行的安全。滑油在为机械部件提供润滑功能的同时,还能够起到冷却的作用,因而要严格控制滑油的温度。

1、加强故障诊断分析能力

对于直升机的状态监控系统中,主要采用波形分析来提高对故障的分析能力,其中时域分析、频域分析是最常见的波形分析方法。此外常运用应用遗传算法、BP神经网络以及SVP对于齿轮故障进行诊断,对于发电机的故障一般采用离散小波变换以及广义回归神经网络等进行诊断,同时也结合了小波包变换和小波神经网络对于直升机主减速器的故障进行诊断。加强对这些故障诊断技术和分析技术的掌握,对于提高诊断分析能力具有重要的作用。

2、提高故障预测能力

直升机主减速器的故障主要是由Kalman滤波、DWT以及神经网络相结合构成,具体来说是使用振动传感器采集直升机主减速器上的振动信号,在重新采样和去除噪音之后进行离散小波变换,然后进行Kalman滤波预算,从而达到对于主减速器故障进行提前预测的能力。目前来说,应该加强预测能力和诊断能力的一体化,充分运用诊断网络,实现对信号的故障进行预测的能力。对于故障进行预测可以避免因为过度维修造成资源的浪费,准确地预测故障是维修的前提,为维修提供了科学依据,还可以防止维修不足而导致事故的发生,降低事故的发生率。

3、进行定期检查维修

为了降低主减速器的故障的发生率,要加强对于主减速器的日常维修,要定期检查滑油的液面以及有无渗漏,保证滑油的油量符合要求,同时还要定期检查主减速器的磁堵油滤状况,保证滑油的清洁干净没有金属屑,对于滑油的散热装置也要进行定期检查,确保滑油冷却装置的正常工作。对于动力传动系统也要做到定期检查,确保齿轮能够运作正常,对于直升机主减速器系统进行传热节点划分,建立热传递的网络模型,对于主减速器的温度场进行分析,进而确保主减速器内部温度的稳定,尽量排除直升机主减速器的故障发生率,确保飞行安全。