«Повышение эффективности эксплуатации втулки несущего винта вертолета Ми-8»

Мировой опыт вертолетостроения показал, что при использовании других технологических решений по исполнению втулки несущего винта, таких как бесшарнирная втулка и втулка с металлофторопластовым подшипником и торсионом, эксплуатация может осуществляться более эффективно.

Рассмотренные в ВКР варианты реализации бесшарнирной втулки несущего винта и втулки несущего винта с металлофторопластовым подшипником на вертолете Ми-8 позволят оценить возможность повышения эффективности технической эксплуатации втулки несущего винта.

Масло в определенном количестве заливается в полости указанных шарниров через воронку или специальным штоковым шприцем.

По мере наработки несущим винтом определенного числа часов масло загрязняется, и его смазывающие качества ухудшаются. Поэтому регламентом технического обслуживания предусматривается периодическая замена масла.

Несоблюдение сроков замены масла приводит к преждевременному износу опорных поверхностей подшипников и выходу их из строя. К таким же последствиям приводит и применение сортов масла, не предусмотренных для смазки подшипников.

Практика показывает, что игольчатые подшипники наиболее долговечно работают при смазке их специальным гипоидным маслом, а шариковые подшипники - при смазке моторным маслом [1].

Общую тенденцию процесса развития разработки и конструирования втулок несущих винтов вертолетов не так просто последовательно проследить, поскольку каждая конкретная вертолетная фирма, как правило, применяет втулки определенной конструкции.

Однако, можно отметить возрастающую сложность конструкции втулокнесущих винтов с шарнирным креплением лопастей при одновременном улучшении их весовых характеристик, надежности и усталостной прочности, что достигается более тщательной проработкой, деталей конструкции с учетом более глубокого понимания условий работы несущего винта.

В последнее время большой интерес проявляется к упрощенной конструкции втулки несущего винта, в которой шарниры заменяются упругими элементами. Существует несколько путей достижения этой цели, отличающиеся своими принципиальными и конструктивными особенностями у различных авиационных фирм. Вряд ли при переходе к бесшарнирному креплению лопастей можно рассчитывать на существенное снижение веса втулки. Достигаемое усовершенствование конструкции нацелено на повышение эффективности за счет снижения себестоимости и эксплуатационных расходов и на улучшение характеристик управляемости ввиду значительного увеличения мощности управления. Эти улучшения достигался ценой преодоления значительных трудностей вследствие усложнения процессов, расчета.

Весовое совершенство втулки, характеризующееся коэффициентом:

, (1.1)

где mвт –масса втулки;

z - число лопастей;

Р - центробежная сила;

К - коэффициент.

Весовое совершенство втулки существенно повышается за счет: замены стали на титановые сплавы; применения проволочных торсионов в конструкции осевого шарнира (ОШ) и самосмазывающихся подшипников в рычагах поворота лопасти; модернизации центробежных ограничителей свеса; использования пружинно-гидравлических демпферов, снижающих действующие в полете переменные нагрузки в плоскости вращения; некоторого повышения напряженности конструкции с учетом современных конструктивно технологических мероприятий, ( рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Весовое совершенство втулок несущего винта различных типов

Стремление максимально облегчить конструкцию, снизить ее стоимость и упростить техническое обслуживание в эксплуатации привело к созданию втулокиз композиционных материалов без обычных горизонтальных шарниров (ГШ), такие втулки называют бесшарнирными [2].

1.2 Типы втулок несущего винта вертолета

В настоящее время практически применяется восемь основных схем втулок несущих винтов, кинематические схемы которых приведены в рисунке 1.2. Рассмотрим наиболее широко применяющиеся конструкции втулок и определим преимущества и недостатки каждой схемы.

Классическая схема втулки несущего винта с шарнирным креплением лопастей: допасти крепятся посредством горизонтальных, вертикальных и осевых шарниров. В этом случае существенную роль играет величина разноса (расстояния от оси втулки) горизонтальных и вертикальных шарниров, которая определяет конструкцию втулки.

Несущий винт с совмещенными горизонтальными шарнирами и вертикальными шарнирами достаточно приемлем в конструктивном отношении, допускает использование простой методики при определении напряжений.

.

а - классическая трехшарнирная; б - с совмещенными ГШ и ВШ; в - с вынесенным ВШ; г - с вынесенным ГШ и ВШ; д - на кардане; е - с эластомерным общим шарниром; ж - полужесткие винты; з - жесткие винты

Рисунок 1.2 - Кинематические схемы втулок несущего винта

Однако, вертолет с таким несущим винтом неустойчив, имеет неудовлетворительные характеристики управляемости, подвержен опасности возникновения самовозбуждающихся колебаний на земле и в воздухе. Втулка такого несущего винта тяжела и сложна, должна также включать демпферы колебания лопасти относительно вертикальных шарниров и упора-ограничителя, ограничивающего перемещение лопастей в шарнирах.

Несущий винт с вертикальными и горизонтальными шарнирами, имеющими небольшой разнос, обладает значительно лучшими характеристиками устойчивости к управляемости, но ему присущи, в определенной степени, все остальные недостатки схемы с совмещенными вертикальными и горизонтальными шарнирами.

Несущий винт с большим разносом горизонтальных и вертикальных шарниров имеет превосходные характеристики устойчивости и управляемости, подбором увеличенного разноса вертикальных шарниров и соответствующих характеристик демпфировании устраняются самовозбуждающиеся колебания вертолета. Однако втулка и комлевые части лопастей получаются неизбежно тяжелее и сложнее, чем у несущего винта с совмещенными шарнирами. Большой разнос шарниров привлекает внимание конструкторов также в связи с проблемой уменьшения срыва потока на отступающей лопасти.

Схемы втулок несущих винтов с шарнирным креплением лопастей помимо того, что они отличатся взаиморасположением шарниров и величиной их разноса, могут иметь и другие отличия, например, проушины горизонтального шарнира могут быть смещены так, что ось вертикального шарнира не совпадает с радиальным положением продольной оси лопасти.

Втулка несущего винта с эластомерным подшипником обладает всеми преимуществами системы с шарнирным креплением лопастей при значительно упрощенной конструкции втулки. Эластомерный подшипник состоит из чередующихся сферических слоев эластомера (резины) и металла. Под действием центробежной силы лопасти эластомерный подшипник сжимается, а перемещения лопастей в плоскости взмаха и в плоскости вращения, а также изменение угла установки лопасти - приводят к сдвигу эластомера.

Втулка несущего винта на кардане не имеет сложных элементов, свойственных схеме с шарнирной подвеской лопастей и является, по-видимому, самой простой в конструктивном выполнении. В ней отсутствуют вертикальные шарниры и демпферы для демпфирования колебаний лопастей относительно вертикальных шарниров. Недостатком этой схемы является неприменимость ее для больших вертолетов вследствие ограничений, связанных с постоянным углом конусности лопастей несущего винта. Кроме того, несущему винту на кардане свойственен особый вид неустойчивости типа аэродинамического флаттера, получивший название "волнение" несущего винта (от волнообразной траектории, прочерчиваемой в пространстве концами лопастей).

Жесткий несущий винт не имеет ни горизонтальных, ни вертикальных шарниров. Однако, при отсутствии шарниров, лопасти могут крепиться к втулке несущего винта жестко или посредством упругих элементов - торсионов, поэтому точнее следует называть такие несущие винты винтами с бесшарнирным креплением лопастей. Жесткое крепление лопастей может быть применено на небольших вертолетах, чтобы избежать чрезмерной величины переменного изгибающего момента, действующего в комле лопасти. Отклонение лопастей в плоскости взмаха и в плоскости вращения несущего винта, в этом случае, осуществляется благодаря упругой деформации самих лопастей, которые, следовательно, должны бить выполнены достаточно упругими.

При креплении лопастей к втулке посредством упругих элементов-торсионов, последние воспринимают действующие на лопасти центробежные силы и позволяют лопастям отклоняться в плоскости взмаха и в плоскости вращения несущего винта. Жесткий несущий винт обладает рядом преимуществ: допускает значительное смещение центровки вертолета, быстро реагирует на управление и обеспечивает хорошие характеристики устойчивости вертолета.

Экспериментально было определено, что мощность управления жесткого несущего винта вдвое превышает мощность управления несущего винта на кардановом подвесе, причем, теоретические расчеты показали, что жесткий винт имеет в 14 раз большую потенциальную возможность управления в сравнении с винтом на кардане. У вертолета с жестким несущим винтом может быть обеспечена хорошая продольная управляемость без хвостового оперения.

Применение жесткого несущего винта допускает использование наклоняющегося пилона, обеспечивающего возможность изменения угла атаки несущего винта и благодаря этому возможность установки в полете фюзеляжа в положение, соответствующее минимальному сопротивлению вертолета, что особенно существенно для скоростных вертолетов. Кроме того, жесткое крепление лопастей несущего винта позволяет перераспределять аэродинамическую нагрузку на ометаемую площадь несущего винта (путем бокового смещения центра тяжести вертолета) таким обрезом, что это может быть использовано для отдаления срывного режима на отступающей лопасти, уменьшения вибраций и увеличения максимальной скорости полета вертолета.

1.3 Особенности использования эластомерных подшипников

У втулки несущего винта с эластомерными подшипниками маховое движение, перемещение в плоскости вращения и изменение угла установки каждой лопасти обеспечивается одним эластомерным подшипником (рисунок 1.3). Для сохранения постоянного положения геометрического центра эластомерного подшипника применяется дополнительный самосмазывающийся подшипник, воспринимающий только небольшие поперечные нагрузки, перпендикулярные продольной оси лопасти.

1-вал несущего винта , 2- лопасть , 3- эластомерный подшипник.

Рисунок 1.3 - Схема втулки несущего винта с эластомерным подшипником

Эластомерный подшипник должен выполнять следующие четыре функции:

- воспринимать полную центробежную силу лопасти;

- обеспечивать изменение угла установки лопасти;

- обеспечивать маховое движение лопасти;

- обеспечивать перемещение лопасти в плоскости вращения.

Одновременное выполнение всех этих четырех функций одним подшипником возможно прежде всего лишь в том случае, если подшипник имеет сферическую форму. Сферический эластомерный подшипник состоит из чередующихся слоев стали и резины склеенных друг с другом Центробежная сила сжимает весь подшипник, который имеет очень высокую степень упругости при сжатии, более высокую, чем предполагалось при расчетных исследованиях, что является большим преимуществом данной конструкции, так как дает при сжатии незначительное смещение относительно оси несущего винта как центра подшипника, так и комля лопасти.

Изменение угла установки лопасти и перемещения ее в плоскости взмаха и в плоскости вращения вызывает относительное смещение металлических пластин подшипника, ограничиваемое силами, возникающими в слоях резины при их сдвиге.

По сравнению с обычными шарнирами эластомерный подшипник, в котором угловые перемещения лопастей осуществляются за счет сдвига упругих (эластомерных) элементов, имеет следующие преимущества:

- уменьшается количество деталей;

- упрощается техническое обслуживание;

- отсутствует истирание, износ или проскальзывание вращающихся элементов;

-устранено загрязнение рабочих деталей (шарнирных подшипников) присутствующими в окружающей среде грязью, пылью, водой.

В качестве эластомерного (упругого) элемента в эластомерном подшипнике выбирают натуральный каучук, обладающий рядом преимуществ, важных для выполнения намечаемых функций, в то время как недостатки его не вызывают серьезных конструктивных проблем.

Преимуществами выбранного материала в данном случае являются превосходные прочностные характеристики. Недостатками являются: ограниченный диапазон рабочих температур; чувствительность к воздействию света, озона, загрязнению маслом; старение.

Кратко рассмотрим возможное влияние недостатков натурального каучука, при использовании его в эластомерном подшипнике, на рабочие характеристики изделия. Диапазон рабочих температур втулки несущего винта изменяется, примерно, от -54°С до +71°С. Путем определенных добавок к натуральному каучуку получены сорта резины эффективный диапазон температур которых изменяется от -54°С до +82°С, что перекрывает диапазон рабочих температур втулки.

Для выяснения влияния повышенных температур на усталостную прочность эластомерного подшипника были проведены 500 часовые динамические испытания подшипника при температуре 93°С, На рисунке 1.4 показана зависимость деформации подшипника от нагрузки до и после 500 часовых испытаний на усталостную прочность. Как следует из графиков рисунка 1.4, после 500 часовых испытаний при температуре 93°С степень упругости испытываемого образца оставалась в пределах производственных допусков.

1-до динамических испытаний 2 – после 500-часовых динамических испытаний на усталость при температуре 93º

Рисунок 1.4 - Графики зависимости деформации эластомерного подшипника от нагрузки

При предельной отрицательной температуре (-54°С) резко увеличивается жесткость резины. Характеристика хрупкости при этом не достигает критической точки, которая наступает при температуре (-62°С) Динамические испытания, проведенные при температуре (-64°С), показали, что несмотря на увеличение жесткости в 22 раза по сравнению с жесткостью при комнатной температуре, подшипник продолжает нормально работать без разрушения.

Одним из основных преимуществ втулки с эластомерным подшипником является отсутствие смазки, так что опасность загрязнения эластомерного подшипника маслом практически исключается. Однако, в демпфере лопасти (при ее перемещении в плоскости вращения несущего винта) применяется гидравлическая жидкость. Для защиты от возможного загрязнения эластомерного подшипника гидравлической падкостью и от воздействия солнечного света и озона может быть применено защитное покрытие подшипника.

Для резины характерно изменение ее физических свойств с течением времени, т.е. старение. Процесс старения усиливается от воздействия таких факторов, как солнечный свет, кислород, озон, тепло, дождь и другие неблагоприятные влияния окружающей среды при эксплуатации вертолета. За процессом старения эластомерного подшипника должен быть установлен строгий контроль с регулированием условий хранения для ограничения его старения с момента вулканизации подшипника и до постановки втулки с этим подшипником на вертолет.