1、1某型直升飞机主减速器齿轮疲劳试验台润滑系统的设计摘 要:直升机主减速器是直升机关键的组成部分之一,其作用是将发动机的功率和转速按一定比例传递到旋翼、尾桨和各附件。主减速器中有非常多组齿轮副啮合运转，因此主减速器中的齿轮疲劳寿命以及润滑系统的性能都是决定其稳定性与可靠性的关键因素。设计试验台，并用现场模拟的方法对直升机主减速器进行研究，从而可以进行齿轮疲劳寿命的试验，同时有助于润滑系统的性能测试及设计指导。本论文对于该齿轮疲劳试验台的润滑系统进行设计研究。首先，本文收集了一系列国内外对该类型试验台的研究成果，从中总结出本论文的主要工作。结合齿轮试验台对润滑系统的需求，制定了设计该试验台润滑系统
2、的设计方案。其次，对试验中特定的齿轮副进行了生热量以及需要完成对该齿轮副润滑以及冷却所需要的滑油量的计算，结合试验台要求以及实际情况，对润滑系统的各个部件进行设计计算或选型，包括喷嘴、液压阀、管路、油箱、冷却装置以及检测装置等。关键词：主减速器；压力润滑；生热计算；喷嘴The design of lubrication system for gear fatigue test bench of a certain type of helicopter transmissionAbstract: The helicopter transmission is one of the key part
3、 of helicopter and the main function of it is to transfer power and speed to rotor, tail and other accessories in a certain percentage. The helicopter transmission contains lots of gear pairs running inside, therefore the fatigue strength of the gears and the lubrication system are key factors of th
4、e stability and reliability of it. Design a text bench to imitate the 2helicopter transmission to do researches so we can text the fatigue strength of the gears and improve the lubrication system. In this paper, the lubrication system of the text bench is studied.Firstly, a large number of research
5、findings, both internal and abroad, are collected and summarized the main work of this paper. Design the scheme of the lubrication system base on the need of the main project.Secondly, the main part of the paper is to calculate the heat and the oil quantity to lubricate and cooling of a specific gea
6、r pair in test. Then design the component of the lubrication system, including the spray nozzle, the hydro valves, the hydraulic tubes, the oil tank, the cooler and the detectors, base on the needs and reality.Key words: Transmission; Pressure lubrication; Heat calculation; Spray nozzle1 前言直升机技术的发展是
7、一个及其曲折的历史，比起固定翼式飞机要困难许多，从人类第一台人驾驶直升机 1907 年在法国飞离地面 1 至今已经经历了 100 多年的历史，但是人类从来没有停止过对这项技术的研究与提高。尤其是在战略角度，武装直升机以其灵活多变的作战功能受到各国军方的高度重视，所以在上个世纪初，也就是直升机刚刚开发出来的时候，各国军方就已经开始研究武装直升机，并且在第一次世界大战中一些强国就开始应用，在“越南战争”中被第一次大规模的使用，成为现代陆军空兵的主要的主战装备 2。在直升机技术中，主加速器技术是一个绝对重点，也是技术壁垒非常严重的一个点。主减速器的作用就是连接发动机与主旋翼系统、尾传动系统和附件传动
8、系统的中枢部件，将发动机的功率和转速按照所需要的比例传送给以上各系统，并且直接承受和传递来自主旋翼系统的升力和力矩 3 ，可以说它的性能对直升机的整体性能有着非常大的影响 4 ，因此对主减速器的设计与改进一直是一个重点的研究方向。随着科技的进步，对主减速器的研究也有了很多突破性的进展，在研究中主要采用两种方法，分别是分析软件模拟以及实验室试验台模拟。分析软件模拟的方法通过电脑的模拟分析得出的结果，这样靠计算机工作，不耗费材料，成本小，而且过程安3全，基本没有风险。实验室试验台模拟，这也是研究中不可或缺的方法，一般在完成分析软件模拟步骤后，将分析得到的结果实际装配试验，这样可以更直观的得到数据结
9、果。这些结果的得出一方面可以用于对过去计算机模拟的结果进行对比与完善，另一方面也是未来实体应用与开发的重要依据。本论文就是对某型直升飞机主减速器齿轮疲劳试验台润滑系统进行设计，该实验台的主要作用是模仿直升机减速器齿轮箱，从而试验检测减速器齿轮的疲劳寿命以及润滑系统的可靠性与合理性。1.1 论文课题来源本论文来自纵向课题，总装预研项目：分扭构型主减速器热分析与润滑系统设计仿真平台研究。该课题的研究目标为：掌握直升机主减速器热分析和润滑系统设计的先进理论与方法，研发直升机主减速器热分析和润滑系统数字化设计与性能仿真分析平台，提高直升机主减速器润滑系统的设计水平与工作性能的分析能力。1.2 论文设计
10、的目的与意义1.2.1 设计目的根据某型直升飞机主减速器齿轮疲劳试验台的特点,本文设计的润滑系统需满足如下要求：（1）润滑系统符合试验台结构需求，保证试验台正常运转，在正常试验情况下完成润滑与冷却。（2）可以满足将来在该试验台上进行的针对齿轮或润滑系统的正常试验以及破坏试验的各项基本要求。1.2.2 设计意义润滑系统的良好性能是保证主减速器稳定性和可靠性的关键条件，所以润滑系统也是试验台的一个不可缺少的重要组成部分。拥有一个优质的润滑系统，试验台可以进行润滑系统附件的性能测试以及在各种不同润滑条件下的齿轮、轴承的润滑试验，从而验证仿真分析的结果以及测量部分参数，为将来的直升机主减速器及其润滑系
11、统4的设计和研究打下基础1.3 国内外研究现状1.3.1 国外对齿轮疲劳试验台润滑系统的研究在战争强国，对武装直升机这种重要的作战装备的研究一直在高速的进行之中。在这项研究中，主减速器的研究可谓是重中之重，其稳定性决定了整个直升机的稳定性和可靠性。而在主减速器的研究方法中，主要的就是数字建模以及试验台仿真模拟，常常这两种方式会以先数字建模后试验台模拟的顺序先后被使用，以确保最后的成品的可靠性。在制作试验台研究中，美国航空航天局 NASA Lewis Center 是最早一批也是最权威的，在 1972 年，NASA Lewis Center 就已经开发出航空用的齿轮疲劳试验台，至今连同直升机测试
12、台共有 6 台，他们分别是：500 马力直升机传动测试台，3000 马力直升机传动系统测试台，行星轮齿轮测试台，直齿轮失效测试装置，螺旋齿轮装置，以及高速齿轮测试台。其中直齿轮失效测试装置在 1972 年运行，在齿轮材料，润滑油和寿命方面提供了有价值的数据，该测试台采用皮带驱动，通过更换带轮可以以几种固定的速度运转。测试台能够在转速 10000rpm 情况下，传递 75kW 的功率，可以全天 24 小时、每周 7 天连续运转，以提供表面疲劳测试所需的庞大测试周期数 5 。为维持如此高速并且长时间的疲劳测试，试验台必须有合适的润滑系统作为保障，齿轮的疲劳测试其实也可以是对润滑系统稳定性与可行性的
13、测试。齿轮的润滑与冷却方法有很多种：飞溅润滑、滴油润滑、汽/油雾润滑及增压喷油润滑等。有效润滑的方法通过取决于具体的运行条件，比如对于中速和高速运转的齿轮，有必要采用增压喷油润滑来防止齿轮轮齿的擦伤。在研究中表明，从润滑的角度看轮齿擦伤是由于轮齿之间的弹性流体动力学（EHD）油膜过薄造成的，而造成 EHD 膜过薄的原因通常是因为冷却不够充分，而不是润滑油不足 6 。因为冷却不足首先是会导致齿轮啮合面温度过高到齿轮不可接受的程度，其次是会改变滑油的物理以及化学性质，从而影响正常润滑 7 。同时，国外还进行了 LOL（失去润滑）的极端条件下传动系统的测试与改进。如NASA Lewis 实验室中 O
14、H-58C 主减速器 LOL 试验已达到 57-104 分钟。5这些研究成果的得出，为齿轮疲劳试验台的改进做出了巨大的贡献，也为直升机事业的发展奠定了很好的基础。1.3.2 国内对齿轮疲劳试验台润滑系统的研究我国的武装直升机事业起步较晚，但是发展迅速，目前对于主减速器的润滑系统的研究已经比较深入，使用压力润滑的方案也已经设计完成了很多，对其热稳态的分析、软件模拟设计等工作都在持续的进行中，这些结果的得出都大大提高了武装直升机的作战以及生存能力 89 。而制作试验台对其进行试验校核也是一直使用的方法。齿轮疲劳试验台最早是运用在汽车等交通工具的齿轮设计上，在这方面我们也积累了很多的经验。在我国早期
15、的传动试验台的研制存在自动化程度低，很难按事先设计的试验过程进行试验，不易实现多参数自动控制 10 。而进入21世纪，在齿轮试验台的研制进入了一个新的“井喷期” ，试验台的设计主要分为开放式和封闭式，封闭式又分为机械封闭式和电能封闭式两类 11 ，试验台同时也大都具有齿轮疲劳试验以及润滑系统可靠性试验等多种功能，从而希望从中得到最平衡的设计方案，同时满足齿轮疲劳要求又满足润滑要求的直升机主减速器。1.4 本文的主要工作主要针对直升机主减速器的润滑冷却系统进行设计计算：将整体的直升机减速器润滑系统的设计步骤以及设计方法进行整理，具体对一对传动比为 0.66 的一对定尺寸直齿轮在 2900r/mi
16、n 左右的转速下主要发热部件（齿轮和轴承）的润滑系统进行了方案设计，参数计算，以及各组件的设计和选型。2 直升机主减速器齿轮疲劳试验台润滑系统设计方案2.1 直升机主减速器齿轮疲劳试验台介绍直升机主减速器齿轮疲劳试验台以实验室模拟的方法，验证计算机仿真的有效性，并开展试验获取更多的实际参数。该试验台由试验齿轮箱、试验轴承箱、驱动齿轮箱、连接轴以及电动机等部分组成。试验齿轮箱与试验轴承箱分开，试验齿轮在最靠边位置，为悬臂结构，在试验齿轮箱边开有观察孔，方便试验观察。总体设计如图 1：61 电动机，2 驱动齿轮轴承箱，3 断路离合器，4 弹性扭力轴，5 加载离合器，6 扭矩加载装置，7 试验轴承箱
17、，8 试验齿轮箱，9 观察孔1 Motor, 2 The driving gear and bearing box, 3 Circuit breaker clutch, 4 Elastic torque axis, 5 Loading clutch, 6 The loading device, 7 The text bearing box, 8 The text gear box, 9 The observation hole图 1 试验台总体设计Fig 1 General design scheme of the test bench该试验台可以完成齿轮生热测试，疲劳试验测试，温度场的分析，
18、干润滑，轴承环向润滑，喷油测试等试验，通过这些试验获得数据，从而优化直升机主减速器及其润滑系统的设计。2.2 直升机主减速器齿轮疲劳试验台主要试验2.2.1 轮齿温度测试试验试验目的：测试不同条件（转速、扭矩）对齿轮生热的影响。试验方法：（1）齿轮装置将在不同转速下进行，施加相同的切向载荷，保持润滑系统正常工作，测定试验中齿轮表面的温度；（2）齿轮在稳定的相同转速下运行，分别施加不同大小的切向载荷，保持润滑系统正常工作，测定实验中齿轮表面温度。72.2.2 不同条件下齿轮疲劳寿命实验试验目的：测试不同扭矩加载的情况下齿轮疲劳寿命试验方法：将齿轮传动轴上加载不同扭矩、改变主齿轮转速或改变滑油喷油
19、压力，保持以上三变量中两个，以剩下的一个作为变量，使齿轮运转，直到试验齿轮达到疲劳寿命而被破坏。2.3 直升机主减速器试验台润滑系统总设计方案为满足上述试验的要求，本试验台润滑系统由四大部分组成，分别是供油系统、回油冷却系统、喷嘴以及监测系统。供油系统又过滤器、滑油泵、压力调节阀、流量调节阀以及流向调节阀组成，确保滑油进入喷嘴的压力与清洁度，流量可以达到要求；回油冷却系统由冷却器和过滤器组成，确保回到油箱的滑油冷却到合适的温度与清洁度流回油箱；喷嘴需要选用合适的孔径、数量以及布置方案，确保齿轮以及轴承可以得到所需的润滑效果；监测系统布置在供油系统、回油冷却系统以及喷嘴前端，用于收集试验数据并确
20、保润滑系统的工作参数在试验要求范围内，否则报警提示操作人员。由此该润滑系统的总设计方案如图 23 润滑系统相关量计算3.1 生热计算在直升机实际情况中，齿轮箱热量主要来自齿轮、轴承等摩擦生热，以及从发动机传导或辐射而来的热量，但是由于试验台没有大功率发动机，因此忽略传导或辐射带来的热量，即： （1）=+式中：Q减速器滑油散热量，kW；齿轮总功率损失， kW；轴承总功率损失，kW；81 油箱，2 、17 过滤器，3 冷却器，4、8、10、18 温度计，5 金属探测器及其指示灯，6 陪试齿轮、轴承箱喷嘴组合，7 试验轴承箱喷嘴组合，9 试验齿轮箱喷嘴组合，11 压力计，12 流量计，13 单向阀，
21、14 节流阀，15 减压阀，16 滑油泵1 Tank, 2,17 Filter, 3 Cooler, 4,8,10,18 Thermometer, 5 Metal detector with alarm light, 6 The spray nozzles of driving gear and bearing box, 7 The spray nozzles of text bearing box, 9 The spray nozzles of text gear box, 11 Pressure gauge, 12 Flow meter, 13 One-way valve, 14 Thro
22、ttle valve, 15 pressure relief valve, 16 Pump图 2 直升机主减速器试验台润滑系统总设计方案Fig 2 General design scheme of the lubrication system of the helicopter transmission text bench93.1.1 试验齿轮生热计算国外学者研究得出齿轮功率损失的计算方法主要有：Anderson and Loewenthal, Buckingham, Chiu, Merritt 和 Shipley 五种方法 12。 Neil Anderson 和 Stuart Loewen
23、thal通过对着五种方法计算结果与试验结果的对比，发现只有他们的研究方法能够在不同负载、转速和喷油条件下，持续给出比较好的功率损失预测结果 13 。Anderson-Loewenthal 的方法中，齿轮生热主要来源是齿轮传动中的功率损失，其中包括三部分：滑动、滚动和风阻损失 1415。本论文的研究对象为试验台要求的一对直齿轮，齿轮的基本参数如表 1 所示，其功率损失即可以按照 Anderson-Loewenthal的公式直接进行计算。表 1 试验齿轮的参数Table 1 parameter of tested gears型号 齿数 模数 压力角 齿宽 齿顶圆半径 传动比 最大转速大齿轮 24
24、0.0045m20 0.020m0.05625m 2900小齿轮 16 0.0045m20 0.020m0.044385m0.66 43931、 齿轮啮合线长度（2）=（ 2121） 0.5+（ 2222） 0.5（ 1+2） 式中：g啮合线长度，m；齿顶圆半径， m；基圆半径，m；r节圆半径，m；10压力角， （） ；下标：1主动齿轮；2从动齿轮。计算得齿轮啮合线长度为 0.0625m2、 平均滑动速度（3）=0.026181（ 1+2） 2式中： 平均滑动速度， ； z齿数n转速， 。计算得平均滑动速度为 11.86283、 平均滚动速度（4）=0.2094110.125（ 21） 2式中： 平均滚动速度， 。 计算得平均滚动速度为 13.59004、 扭矩（5）1=95491式中： 扭矩，Nm；1P转动功率， KW。
