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摘要：本文针对某直升机传动轴临界转速试验过程中发生的传动轴刚性支座轴向振动故障，进行了故障分析。通过故障定位、机理分析以及试验验证，最终确定刚性支座角向刚度偏弱是造成此次振动超限故障的根本原因。通过对传动轴刚性支座振动超限故障原因的探究，剖析了发生问题的主要根源，提出了改进方案，为故障的排除奠定了基础。
关键词：刚性支座;振动;故障分析
中图分类号：G4 文献标识码：A
传动系统是直升机三大关键动部件之一[1]， 直升机传动系统最突出的问题就是振动问题[2]。传动系统振动是影响系统性能，导致系统零部件过早疲劳，甚至是失效的主要因素。作为主要的动力传输部件，传动系统中的轴和齿轮更容易发生振动问题。其中的轴类零件通常采用细长薄壁结构，自身刚度较低，虽然设计过程中可以尽量使其临界转速与工作转速错开，但受各种稳态或突加扰动激励的影响，振动问题还是不断出现。同时，各种连接件如法兰盘、螺栓等的设计或加工装配不当也会引起系统的振动问题。
本文针对某型直升机传动系统传动轴刚性支座振动故障情况进行分析，得出影响此次振动超限原因，并通过刚性支座的结构改进解决该振动超限问题。
1 故障情况概述
某型直升机传动系统传动轴临界转速试验中，数据显示传动轴刚性支座（A6测点，图1）轴向基频振动超过限制值，且A6、A5振动测点的轴向振动分量明显大于其他各点，A6测点轴向基频振动甚至达10g以上，该振动水平远大于限制值1.1g。
2 结构简介
某直升机传动轴系由多段轴组件、折叠机构、刚性支座和联接紧固件组成，其功能是将减速器输出的功率和转速按一定的要求传递给中减。
传动轴刚性支座结构示意图如图1所示。传动轴刚性支座与传动轴及折叠结构之间通过螺栓连接，支座组件通过螺栓固定在飞机水平梁上。
3 故障定位
（1）故障树
根据传动轴刚性支座轴向基频振动超限的故障情况和结构特点，从结构刚度、动不平衡量、试验件安装状态以及安装平台等四个方面开展分析和排查工作，建立故障树，共5项底事件，具体如下：
底事件代号 底事件名称
X1 刚性支座结构刚度设计不合理
X2 弹簧刚度设计不合理
X3 组件动平衡超差
X4 试验件安装同轴度超差
X5 试验件安装平台设计不合理
（2）故障原因排查
以每个底事件为基础进行故障分析排查，经排查X2～X5底事件与本次振动超限故障无关。
为排查X1底事件“刚性支座结构刚度设计不合理”是否为传动轴刚性支座振动超限的影响因素，对刚性支座刚度进行分析。
1）支座轴向刚度对传动轴系固有频率影响
为考察支座轴向刚度对传动轴系固有频率的影响，计算了刚性支座在不同轴向刚度下的固有频率，结果如下：
由上述结果可以看出，刚性支座的轴向刚度对轴向各阶固有频率影响不大。
2）支座角向刚度对传动轴系固有频率影响
为进一步分析刚性支座角向刚度对传动轴系固有频率的影响，计算了刚性支座不同角向刚度下的固有频率，结果如下：
由上述结果可以看出，支座角向刚度对1、2阶固有频率影响较小，对3、4、5阶固有频率影响较大。
（3）故障定位
通过分析传动轴系的结构特点，并对此分析数据，确定该传动轴系结构设计薄弱环节，结合动态响应分析和验证试验结果，确定传动轴刚性支座角向刚度偏弱是引起传动轴刚性支座处轴向基频振动超限的主要因素。
4 机理分析
根据传动轴系振动响应的计算、分析，刚性支座角向刚度对轴系的横向摆动影响较大，进而影响刚性支座轴向振动。刚性支座角向刚度加强前、后摆动振型见图2。从图2中可以看出，刚性支座刚度加强可以减弱轴系在100Hz以内以折叠机构摆动为主的振动模态。由于折叠轴离合器组件与刚性支座端连接悬臂过长（受直升机上的安装限制），且折叠机构重量全部转化为悬臂重量。在刚性支座角向刚度弱的情况下，则会引起刚性支座处摆动过大，造成轴向振动过大。
5 措施与验证
5.1 改进措施
针对原刚性支座角向刚度偏弱问题，确定了刚性支座结构改进设计方案。通过加强支座厚度及筋板数量和厚度来提高刚性支座的角向刚度，刚性支座改进前后结构详见图3。
5.2 试验台试验验证情况
采用改进后刚性支座，在试验台上模拟机身支撑刚度连接状态进行了传动轴临界转速试验。改进后其轴向基频振动小于0.5g，满足要求。改进后刚性支座处（A6测点）各转速下振动加速度分量均较之前降低明显，由此确定传动轴刚性支座振动超限机理分析正确，刚性支座的结构改进有效。
5.3 机上验证情况
改进后的传动轴刚性支座装机后，随直升机进行试验，刚性支座处轴向基频振动加速度最大0.6g（限制值1.1g），满足使用要求。
6 结束语
综上所述，本次故障是由于传动轴刚性支座角向刚度偏弱导致运转中刚性支座处摆动过大，从而造成轴向振动超限。通过改进刚性支座结构增加了角向刚度，改进后的刚性支座在台架及直升机上进行了试验验证，在基频下传动轴刚性支座轴向基频振动情况恢复正常，振动故障得到了排除。
参考文献
[1] 丁文強.先进的直升机传动系统技术应用研究[C].航空科学技术，2013（2）：7-10.
[2] 陈铭.直升机传动系统和旋翼系统关键技术[J].航空制造技术，2010（16）： 32-37.
[3] 国防科学技术工业委员会.. GJB2350-1995，1995.
[4] 航空航天工业部科学技术研究院.直升机动力学手册[M].北京：航空工业出版社，1991.
[5] 郑兆昌.机械振动（上） [M].北京：机械工业出版，1980.
[6] 顾家柳.转子动力学 [M].北京：国防工业出版社，1984.
关键词：刚性支座;振动;故障分析
中图分类号：G4 文献标识码：A
传动系统是直升机三大关键动部件之一[1]， 直升机传动系统最突出的问题就是振动问题[2]。传动系统振动是影响系统性能，导致系统零部件过早疲劳，甚至是失效的主要因素。作为主要的动力传输部件，传动系统中的轴和齿轮更容易发生振动问题。其中的轴类零件通常采用细长薄壁结构，自身刚度较低，虽然设计过程中可以尽量使其临界转速与工作转速错开，但受各种稳态或突加扰动激励的影响，振动问题还是不断出现。同时，各种连接件如法兰盘、螺栓等的设计或加工装配不当也会引起系统的振动问题。
本文针对某型直升机传动系统传动轴刚性支座振动故障情况进行分析，得出影响此次振动超限原因，并通过刚性支座的结构改进解决该振动超限问题。
1 故障情况概述
某型直升机传动系统传动轴临界转速试验中，数据显示传动轴刚性支座（A6测点，图1）轴向基频振动超过限制值，且A6、A5振动测点的轴向振动分量明显大于其他各点，A6测点轴向基频振动甚至达10g以上，该振动水平远大于限制值1.1g。
2 结构简介
某直升机传动轴系由多段轴组件、折叠机构、刚性支座和联接紧固件组成，其功能是将减速器输出的功率和转速按一定的要求传递给中减。
传动轴刚性支座结构示意图如图1所示。传动轴刚性支座与传动轴及折叠结构之间通过螺栓连接，支座组件通过螺栓固定在飞机水平梁上。
3 故障定位
（1）故障树
根据传动轴刚性支座轴向基频振动超限的故障情况和结构特点，从结构刚度、动不平衡量、试验件安装状态以及安装平台等四个方面开展分析和排查工作，建立故障树，共5项底事件，具体如下：
底事件代号 底事件名称
X1 刚性支座结构刚度设计不合理
X2 弹簧刚度设计不合理
X3 组件动平衡超差
X4 试验件安装同轴度超差
X5 试验件安装平台设计不合理
（2）故障原因排查
以每个底事件为基础进行故障分析排查，经排查X2～X5底事件与本次振动超限故障无关。
为排查X1底事件“刚性支座结构刚度设计不合理”是否为传动轴刚性支座振动超限的影响因素，对刚性支座刚度进行分析。
1）支座轴向刚度对传动轴系固有频率影响
为考察支座轴向刚度对传动轴系固有频率的影响，计算了刚性支座在不同轴向刚度下的固有频率，结果如下：
由上述结果可以看出，刚性支座的轴向刚度对轴向各阶固有频率影响不大。
2）支座角向刚度对传动轴系固有频率影响
为进一步分析刚性支座角向刚度对传动轴系固有频率的影响，计算了刚性支座不同角向刚度下的固有频率，结果如下：
由上述结果可以看出，支座角向刚度对1、2阶固有频率影响较小，对3、4、5阶固有频率影响较大。
（3）故障定位
通过分析传动轴系的结构特点，并对此分析数据，确定该传动轴系结构设计薄弱环节，结合动态响应分析和验证试验结果，确定传动轴刚性支座角向刚度偏弱是引起传动轴刚性支座处轴向基频振动超限的主要因素。
4 机理分析
根据传动轴系振动响应的计算、分析，刚性支座角向刚度对轴系的横向摆动影响较大，进而影响刚性支座轴向振动。刚性支座角向刚度加强前、后摆动振型见图2。从图2中可以看出，刚性支座刚度加强可以减弱轴系在100Hz以内以折叠机构摆动为主的振动模态。由于折叠轴离合器组件与刚性支座端连接悬臂过长（受直升机上的安装限制），且折叠机构重量全部转化为悬臂重量。在刚性支座角向刚度弱的情况下，则会引起刚性支座处摆动过大，造成轴向振动过大。
5 措施与验证
5.1 改进措施
针对原刚性支座角向刚度偏弱问题，确定了刚性支座结构改进设计方案。通过加强支座厚度及筋板数量和厚度来提高刚性支座的角向刚度，刚性支座改进前后结构详见图3。
5.2 试验台试验验证情况
采用改进后刚性支座，在试验台上模拟机身支撑刚度连接状态进行了传动轴临界转速试验。改进后其轴向基频振动小于0.5g，满足要求。改进后刚性支座处（A6测点）各转速下振动加速度分量均较之前降低明显，由此确定传动轴刚性支座振动超限机理分析正确，刚性支座的结构改进有效。
5.3 机上验证情况
改进后的传动轴刚性支座装机后，随直升机进行试验，刚性支座处轴向基频振动加速度最大0.6g（限制值1.1g），满足使用要求。
6 结束语
综上所述，本次故障是由于传动轴刚性支座角向刚度偏弱导致运转中刚性支座处摆动过大，从而造成轴向振动超限。通过改进刚性支座结构增加了角向刚度，改进后的刚性支座在台架及直升机上进行了试验验证，在基频下传动轴刚性支座轴向基频振动情况恢复正常，振动故障得到了排除。
参考文献
[1] 丁文強.先进的直升机传动系统技术应用研究[C].航空科学技术，2013（2）：7-10.
[2] 陈铭.直升机传动系统和旋翼系统关键技术[J].航空制造技术，2010（16）： 32-37.
[3] 国防科学技术工业委员会.. GJB2350-1995，1995.
[4] 航空航天工业部科学技术研究院.直升机动力学手册[M].北京：航空工业出版社，1991.
[5] 郑兆昌.机械振动（上） [M].北京：机械工业出版，1980.
[6] 顾家柳.转子动力学 [M].北京：国防工业出版社，1984.