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摘要：针对某型直升机旋翼桨毂轴颈使用损伤故障进行分析，从工作原理和损伤情况等方面查找故障原因，并提出了相应的解决措施，为直升机维护和故障的排除提供参考。
关键词：轴颈；直升机；氧化
Keywords：journal；helicopter；oxidation
0 引言
直升机为了实现与固定翼飞机相同的平稳飞行状态，从其诞生起旋翼桨毂就是直升机特有且必备的系统。旋翼桨毂主要由摆式减振装置、中央件壳体组件、上下挥舞限动装置、液压减摆装置、弓形架组件、轴颈组件等组成，承担向主旋翼桨叶传递来自主减速器的扭矩，同时承受主旋翼桨叶产生的空气动力，并将其传给主减速器和直升机机体。根据旋翼桨毂的工作原理，轴颈不仅要传递主旋翼桨叶的惯性离心力，同时还要传递弯矩，是影响旋翼桨毂寿命的主要构件之一，因此，轴颈故障需要在维护和修理时重点关注。
由于铰接式结构旋翼桨毂的轴颈密封在轴向壳体内，只能通过观察油杯油液的异常情况或在定时翻修时才能发现轴颈的损伤情况，而此时故障已经发生，机件性能下降、修复难度大且可修复程度往往不尽人意。通过对零件工作原理和损伤部位特征进行分析，查找引发产品故障的主要原因，降低故障率和受损程度，正是本文研究探讨的目的。
1 工作原理分析
1.1 旋翼桨毂工作原理
为了给直升机提供与固定翼飞机相似的升力，直升机设计将固定机翼换成了旋转的带锥度底向上桨盘平面。旋转形成的桨盘平面上产生的总升力垂直于桨盘平面，当向上的升力大于直升机自重时，直升机就可以垂直上升飞行；当升力小于直升机自重时，直升机就可以垂直向下降落；而当升力等于直升机自重时，直升机可以在空中任意位置悬停，这也是直升机特有的飞行姿态。通过操纵驾驶杆控制桨盘平面向前、后、左、右等方向倾斜，就可以改变主旋翼的升力指向，从而调整直升机往不同方向飞行。
随着对直升机的深入研究，人们逐渐发现，这种旋转形成的桨盘平面中前行主桨叶的相对气流速度比后行主桨叶的更大，从而产生的升力也是前行主桨叶大于后行主桨叶，因此造成直升机兩侧升力不均匀，构成滚转力矩，如果不采取措施，直接后果就是引起直升机失去平衡向某一边翻转。为了解决这个问题，在旋翼桨毂结构上设计了一个水平关节，通过设置一个横向轴孔连接，允许主桨叶做一定幅度范围内的上下挥舞运动，前行主桨叶升力大，便绕水平关节向上挥舞，后行主桨叶升力小，便绕水平关节向下挥舞，从而消除主桨叶根部的弯矩。有了水平铰后，主桨叶上下挥舞又带来了新的问题，那就是会产生哥氏力，为了消除哥氏力引发主桨叶根部变弯或疲劳断裂的不利影响，旋翼桨毂结构上又设计了一个垂直关节，通过设置一个垂向轴孔连接，允许主桨叶在前后小幅度范围内摆动。同时，为了实现主桨叶安装角的改变，旋翼桨毂在结构上设计了轴向变距关节，其作用在于使主桨叶绕轴线在一定范围内偏转，从而调整主桨叶产生的升力。
直升机旋翼桨毂结构复杂，水平挥舞关节、垂直摆动关节、轴向变距关节三个铰的设置皆因其受力和工作特点决定（见图1），挥舞关节减少桨叶根部在挥舞面内的弯矩以及直升机横侧不平衡力矩，摆动关节消除哥氏力，轴向变距关节改变主桨叶角度。多种方向的运动集合，使得旋翼桨毂同时承受多种交变载荷，部件长时间运转后，很容易出现交变载荷引起的磨损和疲劳断裂，这就要求旋翼桨毂构件不仅要有足够的强度和刚度，而且还要有足够的抗疲劳能力。
1.2轴颈工作原理
轴向变距关节的主体是轴颈，在轴颈上安装有2个推力球轴承、1个间隔衬套、1个平面止推轴承、1个止推环以及1对碟形弹簧及轴颈螺母等，轴颈外部的轴向壳体装满滑油密封轴颈组件，装有磁螺塞和油杯，用于检查轴向变距关节内各零件磨损情况。轴向变距关节作为旋翼桨毂最外端的部件，轴向壳体梳形接头通过主桨叶安装螺栓直接与主旋翼桨叶相连接。直升机飞行时，主旋翼桨叶高速旋转运动、上下挥舞运动、前后摆动运动以及轴向变距偏转运动产生的各种交变载荷，皆通过轴向变距关节传递。
轴颈作为轴向变距关节的基体部件，不仅传递桨叶的惯性离心力，还传递弯矩，因此其出现损伤的几率远高于其他零件，成为影响旋翼桨毂寿命的主要构件之一。直升机开车后，轴颈承受桨叶高速旋转带来的惯性离心力，同时轴向壳体的梳形接头受到弯矩作用，这个弯矩既可以通过两个推力球轴承以力偶形式传给轴颈，又可以通过夹在间隔衬套和止推环之间的平面止推轴承沿圆周上不同位置的不均匀的压力传给轴颈。分析旋翼桨毂工作时所受载荷（见图2）可知，轴颈头部的推力球轴承承受绝大部分弯矩，平面止推轴承和轴颈尾部的推力球轴承承受少部分弯矩，故轴颈头部与推力球轴承配合部位出现磨损、腐蚀的概率大于其余部位。
2 故障原因分析
某型直升机多年的修理过程中发现了多起旋翼桨毂轴颈腐蚀、划伤等损伤现象，现选取3种最常出现的代表性故障现象进行分析。
2.1 轴颈与推力球轴承结合处腐蚀
如图3所示，某故障件轴颈于1997年3月12日制造出厂，发现故障时总使用时间为1471h41min。分解检查发现轴颈与推力球轴承配合面有多条环形划痕，轴颈划伤面直径Φ89.95～Φ89.96mm，超出产品规定初始标准。
故障发生部位位于轴颈头部与推力球轴承配合处，此处轴颈承受推力球轴承传递来的弯矩较大，故障发生机理为推力球轴承内环绕轴颈发生小角度转动摩擦，许多在微动腐蚀磨损过程中产生的细小粉末在轴颈表面受到挤压而形成数条短划痕。经过测量，此处推力球轴承与轴颈配合间隙符合规定标准，故零件已使用了近一个翻修期仍只有轻微磨损。
图4所示的另一个故障件轴颈于2005年10月31日制造出厂，发现故障时总使用时间为1472h25min。分解检查发现轴颈存在表面偏磨、密集点蚀坑和与推力球轴承内环宽度相等的磨痕，圆柱面上磨损总面积约为2738mm2，腐蚀总面积约为1295mm2，测量故障部位直径为Φ89.945～Φ89.955mm，超出产品规定初始标准。同时，油液中发现红褐色杂质，经理化分析该杂质是以Fe2O3为主体的金属氧化物。 故障发生部位同样位于轴颈头部与推力球轴承配合面上半周，通过故检测量数据分析，该损伤是由于轴颈与推力球轴承配合间隙超差导致轴承内环绕轴颈发生小角度转动频率升高，最初两接触表面在表面凸出处直接接触，转动磨损使轴颈表面二硫化钼涂层脱落，并破坏轴颈表面氧化膜，经过长时间磨损，形成两条明显的分界线即中间低两边高。该部位在使用过程中受力大、温度高，轴颈与推力球轴承内环之间产生金属粘接，而轴颈材料硬度低于推力球轴承内环材料硬度，轴颈表面金属与推力球轴承内环发生金属粘附后，轴颈表面金属被撕裂下来。撕裂下来的钢铁碎屑大部分被氧化成Fe2O3，在一对相互运动的表面中间不断被碾压成为细的粉末，由于氧气和水汽的吸附成为腐蚀活性介质，这些粉末夹在轴颈和轴承内环之间，使这一对接触表面的氧化膜不断破裂，加速了微动腐蚀磨损的速度。碾压成细粉末的氧化粒子陷入两摩擦面之间，在载荷作用下使零件局部温度升高，促进了氧化膜的形成。在这种反复作用下最终在轴颈表面形成了许多微坑，随着使用时间增加，微坑逐渐扩展，面积增大，数量增多。
2.2 轴颈与止推环结合处腐蚀
如图5所示，故障件轴颈于1992年2月21日制造出厂，发现故障时总使用时间2575h33min。分解检查发现轴颈与止推环配合面有长约80mm的离散腐蚀点带，超出产品规定初始标准。
故障发生部位位于轴颈与止推环配合面。根据旋翼桨毂工作原理及轴颈受力分布分析，在桨叶的周期变距、上下挥舞以及前后摆动中，止推环绕轴颈发生小角度转动，转动磨损使轴颈表面二硫化钼涂层脱落，并破坏轴颈表面氧化膜，脱落的氧化膜加入止推环和轴颈间的摩擦，使局部温度升高，形成新的氧化膜，氧化膜不断脱落后又重新形成，加速了止推环和轴颈间接触表面的磨损。虽然使用时间较长，但由于该处受力较小，配合间隙也在规定范围内，因此腐蚀现象较轻微。
3 故障修理
轴颈承受的载荷大且复杂，与相邻零件摩擦频繁，易发生疲劳破坏，軸颈表面一点微小的缺陷都会导致整件轴颈的强度严重降低，因此在修理过程中需对轴颈部位从严控制。修理时，首先用细砂布将轴颈圆柱面上的二硫化钼去净，然后进行故检和尺寸测量，严格控制推力球轴承、止推环和平面止推轴承与轴颈的配合尺寸，对合格可用的轴颈圆柱面先进行磷酸盐氧化处理，增加二硫化钼涂层的附着力，除氢后喷涂厚度为0.005～0.013mm的二硫化钼涂层。
4 故障预防措施
1）补充完善修理工艺，在装配环节严格控制轴颈与各零件的配合尺寸；轴颈圆柱面上的二硫化钼涂层对减轻微动腐蚀磨损和金属粘接有重要作用，增加二硫化钼粒度要求，控制二硫化钼均匀喷涂在轴颈配合表面。
2）降低氧化腐蚀，加强对油杯中存水情况的检查，发现存在水时及时更换滑油，同时关注轴向铰内的油量，当油杯中油量不足时应及时加油，避免太多空气进入轴向铰内。更换滑油时，应先将滑油加热以去除滑油内可能存在的水。日常存放时，应注意避免在高温天气长时间日照，以免橡胶加速老化，引起漏气。
参考文献
[1] 米-17直升机维护手册[Z] .俄罗斯.
[2] 张尔卿.机械密封端面状态检测及寿命预测关键技术研究[D] .成都：西南交通大学，2015.
[3] 罗继伟，马伟.滚动轴承分析[M] .北京：机械工程出版社，2009.
[4] 魏龙，顾佰勤，孙见君，等.机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J] .润滑与密封，2008（6）：38-41.
关键词：轴颈；直升机；氧化
Keywords：journal；helicopter；oxidation
0 引言
直升机为了实现与固定翼飞机相同的平稳飞行状态，从其诞生起旋翼桨毂就是直升机特有且必备的系统。旋翼桨毂主要由摆式减振装置、中央件壳体组件、上下挥舞限动装置、液压减摆装置、弓形架组件、轴颈组件等组成，承担向主旋翼桨叶传递来自主减速器的扭矩，同时承受主旋翼桨叶产生的空气动力，并将其传给主减速器和直升机机体。根据旋翼桨毂的工作原理，轴颈不仅要传递主旋翼桨叶的惯性离心力，同时还要传递弯矩，是影响旋翼桨毂寿命的主要构件之一，因此，轴颈故障需要在维护和修理时重点关注。
由于铰接式结构旋翼桨毂的轴颈密封在轴向壳体内，只能通过观察油杯油液的异常情况或在定时翻修时才能发现轴颈的损伤情况，而此时故障已经发生，机件性能下降、修复难度大且可修复程度往往不尽人意。通过对零件工作原理和损伤部位特征进行分析，查找引发产品故障的主要原因，降低故障率和受损程度，正是本文研究探讨的目的。
1 工作原理分析
1.1 旋翼桨毂工作原理
为了给直升机提供与固定翼飞机相似的升力，直升机设计将固定机翼换成了旋转的带锥度底向上桨盘平面。旋转形成的桨盘平面上产生的总升力垂直于桨盘平面，当向上的升力大于直升机自重时，直升机就可以垂直上升飞行；当升力小于直升机自重时，直升机就可以垂直向下降落；而当升力等于直升机自重时，直升机可以在空中任意位置悬停，这也是直升机特有的飞行姿态。通过操纵驾驶杆控制桨盘平面向前、后、左、右等方向倾斜，就可以改变主旋翼的升力指向，从而调整直升机往不同方向飞行。
随着对直升机的深入研究，人们逐渐发现，这种旋转形成的桨盘平面中前行主桨叶的相对气流速度比后行主桨叶的更大，从而产生的升力也是前行主桨叶大于后行主桨叶，因此造成直升机兩侧升力不均匀，构成滚转力矩，如果不采取措施，直接后果就是引起直升机失去平衡向某一边翻转。为了解决这个问题，在旋翼桨毂结构上设计了一个水平关节，通过设置一个横向轴孔连接，允许主桨叶做一定幅度范围内的上下挥舞运动，前行主桨叶升力大，便绕水平关节向上挥舞，后行主桨叶升力小，便绕水平关节向下挥舞，从而消除主桨叶根部的弯矩。有了水平铰后，主桨叶上下挥舞又带来了新的问题，那就是会产生哥氏力，为了消除哥氏力引发主桨叶根部变弯或疲劳断裂的不利影响，旋翼桨毂结构上又设计了一个垂直关节，通过设置一个垂向轴孔连接，允许主桨叶在前后小幅度范围内摆动。同时，为了实现主桨叶安装角的改变，旋翼桨毂在结构上设计了轴向变距关节，其作用在于使主桨叶绕轴线在一定范围内偏转，从而调整主桨叶产生的升力。
直升机旋翼桨毂结构复杂，水平挥舞关节、垂直摆动关节、轴向变距关节三个铰的设置皆因其受力和工作特点决定（见图1），挥舞关节减少桨叶根部在挥舞面内的弯矩以及直升机横侧不平衡力矩，摆动关节消除哥氏力，轴向变距关节改变主桨叶角度。多种方向的运动集合，使得旋翼桨毂同时承受多种交变载荷，部件长时间运转后，很容易出现交变载荷引起的磨损和疲劳断裂，这就要求旋翼桨毂构件不仅要有足够的强度和刚度，而且还要有足够的抗疲劳能力。
1.2轴颈工作原理
轴向变距关节的主体是轴颈，在轴颈上安装有2个推力球轴承、1个间隔衬套、1个平面止推轴承、1个止推环以及1对碟形弹簧及轴颈螺母等，轴颈外部的轴向壳体装满滑油密封轴颈组件，装有磁螺塞和油杯，用于检查轴向变距关节内各零件磨损情况。轴向变距关节作为旋翼桨毂最外端的部件，轴向壳体梳形接头通过主桨叶安装螺栓直接与主旋翼桨叶相连接。直升机飞行时，主旋翼桨叶高速旋转运动、上下挥舞运动、前后摆动运动以及轴向变距偏转运动产生的各种交变载荷，皆通过轴向变距关节传递。
轴颈作为轴向变距关节的基体部件，不仅传递桨叶的惯性离心力，还传递弯矩，因此其出现损伤的几率远高于其他零件，成为影响旋翼桨毂寿命的主要构件之一。直升机开车后，轴颈承受桨叶高速旋转带来的惯性离心力，同时轴向壳体的梳形接头受到弯矩作用，这个弯矩既可以通过两个推力球轴承以力偶形式传给轴颈，又可以通过夹在间隔衬套和止推环之间的平面止推轴承沿圆周上不同位置的不均匀的压力传给轴颈。分析旋翼桨毂工作时所受载荷（见图2）可知，轴颈头部的推力球轴承承受绝大部分弯矩，平面止推轴承和轴颈尾部的推力球轴承承受少部分弯矩，故轴颈头部与推力球轴承配合部位出现磨损、腐蚀的概率大于其余部位。
2 故障原因分析
某型直升机多年的修理过程中发现了多起旋翼桨毂轴颈腐蚀、划伤等损伤现象，现选取3种最常出现的代表性故障现象进行分析。
2.1 轴颈与推力球轴承结合处腐蚀
如图3所示，某故障件轴颈于1997年3月12日制造出厂，发现故障时总使用时间为1471h41min。分解检查发现轴颈与推力球轴承配合面有多条环形划痕，轴颈划伤面直径Φ89.95～Φ89.96mm，超出产品规定初始标准。
故障发生部位位于轴颈头部与推力球轴承配合处，此处轴颈承受推力球轴承传递来的弯矩较大，故障发生机理为推力球轴承内环绕轴颈发生小角度转动摩擦，许多在微动腐蚀磨损过程中产生的细小粉末在轴颈表面受到挤压而形成数条短划痕。经过测量，此处推力球轴承与轴颈配合间隙符合规定标准，故零件已使用了近一个翻修期仍只有轻微磨损。
图4所示的另一个故障件轴颈于2005年10月31日制造出厂，发现故障时总使用时间为1472h25min。分解检查发现轴颈存在表面偏磨、密集点蚀坑和与推力球轴承内环宽度相等的磨痕，圆柱面上磨损总面积约为2738mm2，腐蚀总面积约为1295mm2，测量故障部位直径为Φ89.945～Φ89.955mm，超出产品规定初始标准。同时，油液中发现红褐色杂质，经理化分析该杂质是以Fe2O3为主体的金属氧化物。 故障发生部位同样位于轴颈头部与推力球轴承配合面上半周，通过故检测量数据分析，该损伤是由于轴颈与推力球轴承配合间隙超差导致轴承内环绕轴颈发生小角度转动频率升高，最初两接触表面在表面凸出处直接接触，转动磨损使轴颈表面二硫化钼涂层脱落，并破坏轴颈表面氧化膜，经过长时间磨损，形成两条明显的分界线即中间低两边高。该部位在使用过程中受力大、温度高，轴颈与推力球轴承内环之间产生金属粘接，而轴颈材料硬度低于推力球轴承内环材料硬度，轴颈表面金属与推力球轴承内环发生金属粘附后，轴颈表面金属被撕裂下来。撕裂下来的钢铁碎屑大部分被氧化成Fe2O3，在一对相互运动的表面中间不断被碾压成为细的粉末，由于氧气和水汽的吸附成为腐蚀活性介质，这些粉末夹在轴颈和轴承内环之间，使这一对接触表面的氧化膜不断破裂，加速了微动腐蚀磨损的速度。碾压成细粉末的氧化粒子陷入两摩擦面之间，在载荷作用下使零件局部温度升高，促进了氧化膜的形成。在这种反复作用下最终在轴颈表面形成了许多微坑，随着使用时间增加，微坑逐渐扩展，面积增大，数量增多。
2.2 轴颈与止推环结合处腐蚀
如图5所示，故障件轴颈于1992年2月21日制造出厂，发现故障时总使用时间2575h33min。分解检查发现轴颈与止推环配合面有长约80mm的离散腐蚀点带，超出产品规定初始标准。
故障发生部位位于轴颈与止推环配合面。根据旋翼桨毂工作原理及轴颈受力分布分析，在桨叶的周期变距、上下挥舞以及前后摆动中，止推环绕轴颈发生小角度转动，转动磨损使轴颈表面二硫化钼涂层脱落，并破坏轴颈表面氧化膜，脱落的氧化膜加入止推环和轴颈间的摩擦，使局部温度升高，形成新的氧化膜，氧化膜不断脱落后又重新形成，加速了止推环和轴颈间接触表面的磨损。虽然使用时间较长，但由于该处受力较小，配合间隙也在规定范围内，因此腐蚀现象较轻微。
3 故障修理
轴颈承受的载荷大且复杂，与相邻零件摩擦频繁，易发生疲劳破坏，軸颈表面一点微小的缺陷都会导致整件轴颈的强度严重降低，因此在修理过程中需对轴颈部位从严控制。修理时，首先用细砂布将轴颈圆柱面上的二硫化钼去净，然后进行故检和尺寸测量，严格控制推力球轴承、止推环和平面止推轴承与轴颈的配合尺寸，对合格可用的轴颈圆柱面先进行磷酸盐氧化处理，增加二硫化钼涂层的附着力，除氢后喷涂厚度为0.005～0.013mm的二硫化钼涂层。
4 故障预防措施
1）补充完善修理工艺，在装配环节严格控制轴颈与各零件的配合尺寸；轴颈圆柱面上的二硫化钼涂层对减轻微动腐蚀磨损和金属粘接有重要作用，增加二硫化钼粒度要求，控制二硫化钼均匀喷涂在轴颈配合表面。
2）降低氧化腐蚀，加强对油杯中存水情况的检查，发现存在水时及时更换滑油，同时关注轴向铰内的油量，当油杯中油量不足时应及时加油，避免太多空气进入轴向铰内。更换滑油时，应先将滑油加热以去除滑油内可能存在的水。日常存放时，应注意避免在高温天气长时间日照，以免橡胶加速老化，引起漏气。
参考文献
[1] 米-17直升机维护手册[Z] .俄罗斯.
[2] 张尔卿.机械密封端面状态检测及寿命预测关键技术研究[D] .成都：西南交通大学，2015.
[3] 罗继伟，马伟.滚动轴承分析[M] .北京：机械工程出版社，2009.
[4] 魏龙，顾佰勤，孙见君，等.机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J] .润滑与密封，2008（6）：38-41.