摘要 傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到直升機(jī)的生存能力。戰(zhàn)傷狀態(tài)下潤(rùn)滑系統(tǒng)失效，干運(yùn)轉(zhuǎn)工況加速了齒輪表面損傷和破壞。齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)能力已成為衡量現(xiàn)代直升機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。回顧了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)熱分析的研究現(xiàn)狀，從齒輪表面改性、涂層、表面結(jié)構(gòu)處理、傳動(dòng)系統(tǒng)與潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)有提升齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的方法以及試驗(yàn)研究等方面進(jìn)行綜述，總結(jié)了各種方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，為該領(lǐng)域的研究和發(fā)展提供參考。

　　關(guān)鍵詞 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 干運(yùn)轉(zhuǎn) 涂層 表面處理 試驗(yàn)

　　0 引言

　　直升機(jī)因其高度的靈活性和機(jī)動(dòng)性受到社會(huì)各界的關(guān)注，其在航空領(lǐng)域的地位不言而喻。由于直升機(jī)幾乎沒有滑翔能力，因此，作戰(zhàn)過程中其生存力為各國軍方普遍關(guān)注。潤(rùn)滑系統(tǒng)故障是影響直升機(jī)生存能力的重要因素，當(dāng)直升機(jī)因潤(rùn)滑系統(tǒng)故障失去正常供油能力時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入貧油潤(rùn)滑甚至無潤(rùn)滑狀態(tài)，使傳動(dòng)系統(tǒng)處于干運(yùn)轉(zhuǎn)工況，此時(shí)，齒輪表面溫度會(huì)急劇升高，導(dǎo)致齒輪強(qiáng)度下降，產(chǎn)生劇烈的黏著磨損，加速齒輪表面的損傷和破壞，導(dǎo)致直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)遭到嚴(yán)重破壞，以致失去傳動(dòng)功能，造成災(zāi)難性后果。

　　許多國家和機(jī)構(gòu)針對(duì)直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的提升開展了大量的研究工作。美國早在20世紀(jì)70 年代就開展了相關(guān)干運(yùn)轉(zhuǎn)飛行試驗(yàn)研究[1-2]，干運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的飛行時(shí)間也得到了很大改善，從最初的7 min 延長(zhǎng)到了1.5 h。此外，1993 年，卡門航空公司(Karman)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部齒輪以及相關(guān)附件進(jìn)行了大量的干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明，增加齒輪副側(cè)向間隙、選用熱強(qiáng)度高的材料以及設(shè)計(jì)應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)來保證傳動(dòng)部件有正常潤(rùn)滑狀態(tài)下40%的供油量，可將傳動(dòng)系統(tǒng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力提升到30 min[3]。

　　美國、法國和俄羅斯等國均對(duì)直升機(jī)有30～60 min 不等的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力要求。UH-60“黑鷹”直升機(jī)、米17 直升機(jī)及AB139 直升機(jī)等主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力均不小于30 min;EH-101、阿帕奇AH-64A 直升機(jī)主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力達(dá)到了45 min以上。由于國防安全和國家利益關(guān)系，國外對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)嚴(yán)格封鎖，因此，解決傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力問題只能通過自主研究。本文中回顧了直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)熱分析研究現(xiàn)狀，從表面改性、涂層、表面結(jié)構(gòu)處理、傳動(dòng)系統(tǒng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)等現(xiàn)有提升齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的方法以及試驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了綜述，總結(jié)了各種方法的研究成果和應(yīng)用前景。

　　1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)熱分析

　　直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)失去潤(rùn)滑后進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。干運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，摩擦力顯著增大，摩擦熱急劇升高，材料熱膨脹變形嚴(yán)重，從而易導(dǎo)致齒輪膠合卡死，失去傳動(dòng)功能。可以說，干運(yùn)轉(zhuǎn)工況下傳動(dòng)系統(tǒng)的生存能力很大程度上取決于傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和傳動(dòng)元件材料的熱承載能力。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的熱分析將為預(yù)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)在干運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的生存能力及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

　　劉志全等[4]以某直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，計(jì)算了給定潤(rùn)滑條件下傳動(dòng)系統(tǒng)的功率損失、對(duì)流換熱系數(shù)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，結(jié)果表明，弧齒錐齒輪副為該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的最大熱源，主動(dòng)弧齒錐齒輪齒面溫度最高，為危險(xiǎn)零件;隨后，他們?cè)诖嘶A(chǔ)上對(duì)該傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了無潤(rùn)滑條件下的瞬態(tài)熱分析[5]，結(jié)果表明，主動(dòng)齒輪齒面是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中溫度最高的部位，在220 s 內(nèi)，主動(dòng)齒輪齒面溫度上升了151 ℃ 。嚴(yán)宏志等[6]仿真分析了齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)齒面溫度場(chǎng)分布及隨時(shí)間變化的規(guī)律，結(jié)果表明，弧齒錐齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)初始階段，隨著嚙合周期的增加，齒面溫度急速上升，之后上升緩慢;同時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致了更顯著的溫升。楊攀等[7]基于熱網(wǎng)絡(luò)法建立了直升機(jī)主減速器中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)計(jì)算模型，提出了換向錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，得到了該系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布;發(fā)現(xiàn)失油狀態(tài)下傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度隨時(shí)間劇烈升高，主動(dòng)錐齒輪的溫升相較于從動(dòng)錐齒輪更加劇烈。

　　齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分析為直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)的熱分析提供了理論基礎(chǔ)，通過溫度場(chǎng)分析表明，主動(dòng)齒輪齒面溫度最高，為傳動(dòng)系統(tǒng)中的危險(xiǎn)零件。因而，可以通過針對(duì)性地提升齒輪的工作性能來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

　　2 提升傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的途徑

　　齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是直升機(jī)減速器的重要組成部分，作為承受載荷和傳遞動(dòng)力的載體，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)工況下工作性能的提升直接影響到直升機(jī)主減速器的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。目前，提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的主要途徑有以下幾種：

　　(1)通過表面離子注入技術(shù)提升齒輪傳動(dòng)承載能力，降低齒輪摩擦磨損。

　　(2)采用涂層技術(shù)改善齒面接觸性能。

　　(3)通過表面織構(gòu)化改善齒面潤(rùn)滑性能。

　　(4)調(diào)整齒輪齒側(cè)間隙，允許一定的熱膨脹量。

　　(5)優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　2.1 離子注入技術(shù)

　　離子注入是一項(xiàng)能夠有效改善材料表面硬度、耐磨性和抗蝕性等性能的表面改性技術(shù)[8]。因此，離子注入技術(shù)被用于提升齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。美國海軍實(shí)驗(yàn)室[9]將Cr離子和C離子注入到軸承，取得了明顯的減摩效果;英國于20世紀(jì)60年代便開始將滲氮技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)齒輪;德國也于20世紀(jì)80年代初開展了離子滲氮技術(shù)應(yīng)用，以獲取高接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度的滲氮齒輪。

　　國內(nèi)對(duì)離子注入技術(shù)也開展了相關(guān)研究。于敏等[10]用銷盤試驗(yàn)機(jī)和齒輪試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了Mo 離子注入量對(duì)齒輪鋼摩擦副摩擦因數(shù)和磨損量的影響;結(jié)果表明，Mo 離子的注入對(duì)摩擦因數(shù)的影響較小，但可以大大降低磨損率;對(duì)比試驗(yàn)表明，未處理齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)30 min 后齒面產(chǎn)生顯著的膠合現(xiàn)象，而Mo 離子注入齒輪經(jīng)45 min 干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，齒輪工作良好，齒面光整，具有很好的干運(yùn)轉(zhuǎn)性能(圖1)。王鈞石等[11]采用PSII 氮離子注入工藝對(duì)W18Cr4V 高速鋼進(jìn)行了氮離子注入，結(jié)果表明，注入層的硬度和耐磨性均得到了顯著提高。蔣釗等[12]通過多種表面測(cè)試手段，研究了單∕雙離子注入空間齒輪材料30CrMnSi 的真空摩擦性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過5種不同元素的注入后，材料的硬度和耐磨性都有所提高，且雙離子注入要優(yōu)于單離子注入，其中，經(jīng)過Ti++N+注入的試樣硬度最高，因注入層生成了硬質(zhì)耐磨相，表面粗糙度降低，具有較好的抗磨損性能。隨后，蔣釗等[13]對(duì)空間機(jī)械的齒輪傳動(dòng)副材料進(jìn)行了Ti++N+注入表面改性研究，考察了不同注入能量和劑量條件下材料的硬度和真空摩擦磨損性能，通過優(yōu)選給出了最佳的離子注入工藝參數(shù)。王錦輝等[14]開展了相似的研究，發(fā)現(xiàn)N++Ti+注入的GCr15 和M50 軸承鋼的耐磨性、耐腐蝕性以及抗接觸疲勞性能都有顯著提高。

圖1 試驗(yàn)小齒輪齒面照片

　　Fig.1 Photos of test pinion tooth surface

　　2.2 表面涂層技術(shù)

　　采用表面涂層技術(shù)在齒輪表面生成一種能夠有效改善齒輪表面粗糙度以及微觀結(jié)構(gòu)的涂層，使齒輪具有良好的減摩耐磨性能，可以有效降低齒輪對(duì)潤(rùn)滑油的依賴。國內(nèi)外學(xué)者在涂層摩擦學(xué)方面開展了大量的研究。Yilmaz等[15]通過雙盤試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比研究了無涂層、ta-C 涂層以及MoS2涂層在高負(fù)載干運(yùn)轉(zhuǎn)下的摩擦性能，結(jié)果表明，涂層可以顯著改善齒輪在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能;相對(duì)于ta-C 涂層，MoS2涂層具有更優(yōu)異的潤(rùn)滑效果(圖2)。Amaro[16]在FZG 機(jī)床上進(jìn)行了雙盤試驗(yàn)研究，評(píng)估了MoS2 ∕ Ti 涂層在工業(yè)齒輪中的摩擦性能，結(jié)果表明，濺射有MoS2 ∕ Ti 涂層的齒輪具有更低的摩擦因數(shù)，且承載能力顯著提升。Martins 等[17]得到了與Amaro 一致的結(jié)論，同時(shí)，Martins 等通過對(duì)比試驗(yàn)指出，MoS2 ∕ Ti涂層應(yīng)用于齒輪可顯著降低其工作溫度，輪齒之間的摩擦因數(shù)也有較大程度的降低。He 等[18]在齒輪吸收油膜的條件下進(jìn)行了涂層齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究，20 min 的試驗(yàn)表明，MoS2 ∕ Ti 涂層齒輪可以顯著降低輪齒間的摩擦，具有更高的傳動(dòng)效率，比未涂層齒輪提高約2.7%～3.1%。Dhanasekaran 等[19]在干運(yùn)轉(zhuǎn)條件下對(duì)齒輪施加1～2.5 N·m 不等的試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩，恒定轉(zhuǎn)速800 r ∕min，持續(xù)試驗(yàn)直到齒輪破損或者達(dá)到20 萬次循環(huán)，以此來研究含二硫化鉬齒輪的磨損特性，結(jié)果表明，二硫化鉬的加入提高了齒輪材料的密度、硬度和強(qiáng)度，提升了齒輪的耐磨性。

圖2 測(cè)試前后表面粗糙度對(duì)比

　　Fig.2 Surface roughness before and after test

　　Fujii 等[20]在真空無潤(rùn)滑狀態(tài)下對(duì)DLC 涂層直齒輪進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮化處理可以提高DLC 涂層的使用壽命，改善涂層的摩擦學(xué)性能。Jiang 等[21]在齒輪試驗(yàn)機(jī)上對(duì)沉積W-DLC 涂層的直齒圓柱齒輪進(jìn)行測(cè)試，證實(shí)了W-DLC 涂層具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可以有效防止齒輪產(chǎn)生裂紋，提高齒輪表面接觸疲勞壽命。Krantz 等[22]對(duì)比研究了Me-DLC 涂層齒輪疲勞壽命，經(jīng)過2.75 億轉(zhuǎn)次試驗(yàn)表明，涂層的存在使得齒輪的壽命提高了約6倍。

　　賈森等[23]研究了磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層對(duì)齒輪嚙合溫度的影響，通過對(duì)比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層可以有效降低摩擦副表面的摩擦因數(shù)，其表面微孔結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的作用，降低了輪齒表面摩擦溫度。石萬凱等[24]運(yùn)用有限元方法計(jì)算了涂層類型、厚度以及載荷大小對(duì)涂層應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明，涂層厚度對(duì)應(yīng)力分布具有較大的影響。隨后，他們對(duì)比評(píng)估了PVD 涂層(TiN，WC ∕ C 和DLC)在滑動(dòng)接觸下的摩擦學(xué)性能[25]，研究發(fā)現(xiàn)，3 種涂層中TiN 的平均摩擦因數(shù)最高，WC ∕ C 和DLC 涂層具有比TiN 涂層更優(yōu)的抗磨損性能;相較于TiN 涂層，WC ∕ C 和DLC 涂層更適用于高速和重型齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。程勇等[26]以航空齒輪材料16Cr3NiWMoVNbE 為基體材料，對(duì)比研究了Cr ∕a-C、a-C、B4C ∕a-C 涂層齒輪的摩擦磨損性能，確定了涂層的最佳厚度。其中，B4C ∕a-C 涂層具有最高的硬度以及最小的摩擦因數(shù)，可降低齒輪發(fā)熱，提高齒輪的抗膠合能力，建議B4C ∕a-C 作為航空齒輪涂層。Moorthy 等[27]通過5 000 萬次的恒轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速齒輪接觸疲勞試驗(yàn)(圖3)，研究了表面涂層齒輪的接觸疲勞性能。結(jié)果表明，Nb-S 涂層齒輪的整體接觸疲勞性能最好，其次是Balinit C 涂層齒輪，其表現(xiàn)出最小的微點(diǎn)蝕損傷，具有較小的齒形偏差。

圖3 齒輪接觸疲勞試驗(yàn)

　　Fig.3 Gear contact fatigue test

　　2.3 表面織構(gòu)化

　　近年來，表面織構(gòu)化技術(shù)已成為降低界面摩擦和磨損的研究熱點(diǎn)，并在活塞環(huán)-缸套、機(jī)械密封、滑動(dòng)軸承、模具、刀具等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，降低了接觸表面的摩擦和磨損[28]。表面織構(gòu)在減摩、抗黏附、抗磨損和減振等多個(gè)方面表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)織構(gòu)化齒輪表面的承載能力以及摩擦磨損特性開展了相關(guān)研究。

　　Etsion 等[29]通過在機(jī)械表面形成微凹坑狀的規(guī)則表面織構(gòu)，顯著提升了摩擦機(jī)械部件的承載能力和耐磨性，理論和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與非織構(gòu)化部件相比，表面織構(gòu)可以大幅度減小摩擦因數(shù)。Kovalchenko 等[30]采用銷盤式摩擦裝置進(jìn)行了摩擦學(xué)試驗(yàn)，研究激光表面織構(gòu)對(duì)摩擦性能的影響，結(jié)果表明，在相似的工作環(huán)境下，與表面粗糙度相同的未織構(gòu)化表面相比，激光表面織構(gòu)可以顯著降低摩擦因數(shù)。Greco 等[31]開展了微凹坑織構(gòu)摩擦試驗(yàn)，研究表明，與非織構(gòu)化表面相比，織構(gòu)化表面的抗磨性能增加了3倍，同時(shí)指出，精心設(shè)計(jì)的織構(gòu)可能是提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性的一種有效的表面工程技術(shù)。呼詠等[32]用仿生圓柱滾子試件對(duì)滾的方法模擬齒輪副的嚙合傳動(dòng)，試驗(yàn)表明，仿生齒輪的抗接觸疲勞性能較普通齒輪提高了20%以上，仿生齒輪表面的微小仿生單元可以起到存儲(chǔ)潤(rùn)滑油和存儲(chǔ)碎屑的作用，從而改善了輪齒的潤(rùn)滑條件，降低了輪齒的磨損;同時(shí)，因織構(gòu)的存在增大了輪齒的表面積，提升了輪齒的散熱能力，這些因素的綜合影響使得仿生齒輪抗接觸疲勞性能提高。韓志武等[33-34]開展了織構(gòu)化直齒圓柱齒輪的有限元仿真分析，結(jié)果表明，與常規(guī)的齒輪相比，表面織構(gòu)化齒輪具有更低的固有頻率和更小的變形量，表現(xiàn)出更好的齒輪動(dòng)態(tài)特性。此外，韓志武等[35]采用激光圖形雕刻加工實(shí)現(xiàn)齒根處的仿生表面形態(tài)(圖4(a))，對(duì)比研究了仿生表面齒輪和普通齒輪的彎曲疲勞性能，結(jié)果表明，具有仿生表面形態(tài)的齒輪試件彎曲疲勞壽命較普通齒輪提高了1.06～1.42 倍，齒根處分布的織構(gòu)形態(tài)對(duì)裂紋的萌生與擴(kuò)展能起到一定的遏制作用，顯著提升了齒輪整體的彎曲強(qiáng)度。

圖4 織構(gòu)化齒輪表面

　　Fig.4 Textured gear surface

　　不同的織構(gòu)形狀往往具備不同的減摩性能。湯麗萍等[36]1011采用FZG 齒輪抗膠合試驗(yàn)，對(duì)Magg 交叉織構(gòu)和普通磨削紋理齒輪進(jìn)行了效率損失測(cè)試，同時(shí)，對(duì)比研究了Magg 交叉織構(gòu)、普通磨削紋理和激光表面凹坑織構(gòu)的摩擦性能，結(jié)果表明，凹坑織構(gòu)具有更小的摩擦因數(shù)。江鴛鹓等[37]以球面微凸體和微凹體為研究對(duì)象，構(gòu)建了滑動(dòng)軸承摩擦性能數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究表明，相對(duì)于光滑表面的滑動(dòng)軸承，帶凹形球面織構(gòu)的軸承承載能力和摩擦力均有所降低，帶凸型球面織構(gòu)的軸承承載能力有所提高。

　　此外，許多學(xué)者針對(duì)織構(gòu)特征參數(shù)開展了一系列研究。Ramesh 等[38]分析了圓形凹坑直徑從20～1 000 μm、凹坑深度從1～100 μm、凹坑密度在4%～63%范圍內(nèi)的減摩機(jī)理，發(fā)現(xiàn)載荷對(duì)織構(gòu)深度具有決定性作用，載荷越大，凹坑深度應(yīng)相應(yīng)增大才能保證較小的表面摩擦力;因凹坑的存在，表面的摩擦力較未處理的表面降低了80%。湯麗萍等[36]1012分析了Magg 交叉織構(gòu)深寬比、夾角以及分布密度等對(duì)摩擦性能的影響，給出了最優(yōu)織構(gòu)參數(shù)。何國旗等[39]研究了凹坑織構(gòu)參數(shù)對(duì)齒輪潤(rùn)滑效果的影響規(guī)律(圖4(b))，研究發(fā)現(xiàn)，凹坑直徑取100 μm，深度取10 μm，對(duì)增加潤(rùn)滑膜厚度的效果最好。

　　2.4 增加齒輪齒側(cè)間隙

　　傳動(dòng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分析表明，干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下齒輪表面溫度急劇升高，熱膨脹造成齒輪齒側(cè)間隙減小，最終導(dǎo)致齒面膠合失效。因此，可以選擇合適的齒側(cè)間隙來保持齒輪的熱平衡狀態(tài)，使干運(yùn)轉(zhuǎn)能力得到提升。貝爾公司[40]研制的AH-1S 主減速器在輸入軸轉(zhuǎn)速6 600 r ∕min、功率698 kW(84%最大連續(xù)功率)、旋翼軸拉力32 660 N、滑油進(jìn)油溫度穩(wěn)定在110 ℃條件下進(jìn)行的主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，當(dāng)輸入錐齒輪的齒側(cè)間隙為0.178 mm 時(shí)，干運(yùn)轉(zhuǎn)7 min后輸入錐齒輪就失去間隙，主動(dòng)輪輪齒剝落，從動(dòng)輪與相嚙合的附件傳動(dòng)齒輪齒面膠合破壞;當(dāng)輸入錐齒輪齒側(cè)間隙增大到0.305 mm 時(shí)，干運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行21 min后，輸入錐齒輪只出現(xiàn)輕微擦傷。陳策等[41]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)調(diào)整減速器輸入錐齒輪的齒側(cè)間隙和軸承徑向游隙，允許齒輪和軸承具備一定的熱膨脹量，可在高溫下避免齒輪卡死或軸承抱軸現(xiàn)象。可見，通過計(jì)算因干運(yùn)轉(zhuǎn)溫升導(dǎo)致齒輪側(cè)隙的減小量，在設(shè)計(jì)階段合理修正齒輪側(cè)隙，是提升齒輪干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的手段之一[42]156-162。

　　然而，齒輪側(cè)隙如果設(shè)計(jì)過大，會(huì)造成齒輪嚙合不良，加重周期變化帶來的時(shí)變剛度沖擊，導(dǎo)致沖擊振蕩加劇，增大速度波動(dòng)幅值;此外，齒側(cè)間隙嚴(yán)重影響了齒輪脫齒時(shí)間，降低了齒輪系統(tǒng)剛度，影響齒輪工作的品質(zhì)和壽命[43-45]。因此，很多學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向了具有低熱膨脹系數(shù)的新型材料，來尋求解決干運(yùn)轉(zhuǎn)問題的新方法。

　　研究學(xué)者常常利用熱膨脹系數(shù)的加和性，將具有低熱膨脹系數(shù)或負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料與具有高熱膨脹系數(shù)的材料復(fù)合，得到熱膨脹系數(shù)可調(diào)的復(fù)合材料。β-鋰霞石因其具有較大的負(fù)熱膨脹系數(shù)、較低的密度和良好的抗熱震性[46]常被用來與其他材料復(fù)合，制備出具有負(fù)熱膨脹系數(shù)或接近 “ 零膨脹 ” 的復(fù)合材料。Juarez 等[47]將碳化硅、玻璃化黏結(jié)材料和β-鋰霞石在850 ℃進(jìn)行燒結(jié)，制備了在室溫條件下接近“零膨脹”的多孔陶瓷材料。García-Moreno等[48]利用熱等靜壓工藝，采用傳統(tǒng)的燒結(jié)方法將β-鋰霞石與SiC 納米顆粒復(fù)合，制備了一種在-150～450 ℃溫度范圍內(nèi)具有低熱膨脹系數(shù)的材料。Wang等[49]以含Mg 的鋁合金AA6061 為基體，通過添加具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的β-鋰霞石和具有較高機(jī)械強(qiáng)度的硼酸鋁晶須，采用擠壓鑄造法，制備出了一種同時(shí)具有低熱膨脹系數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度的鋁基復(fù)合物。薛耀輝等[50]以玻璃為基質(zhì)材料，將β-鋰霞石、多晶莫來石纖維和玻璃粉按一定的比例球磨混合后，經(jīng)冷等靜壓壓制后采用高溫真空燒結(jié)的方法制備了在150～400 ℃范圍內(nèi)平均線膨脹系數(shù)為1.67×10-6 K-1(<2×10-6 K-1)的復(fù)合材料，是一種潛在的輕質(zhì)、低膨脹復(fù)合材料。除β-鋰霞石外，還有ZrW2O8系列材料。彭卓瑋等[51]以負(fù)熱膨脹材料ZrW2O8與金屬Cu 為原料，分別采用常規(guī)燒結(jié)法和熱壓法制備具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)的新型Cu 基復(fù)合材料Cu-ZrW2O8，較純銅的平均熱膨脹系數(shù)有很大程度的降低。

　　對(duì)于自身機(jī)械性能強(qiáng)度不高的材料而言，采用兩相復(fù)合技術(shù)制備的復(fù)合物在降低熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，也會(huì)很大程度地降低其自身機(jī)械性能。因此，未來還需進(jìn)一步探索低熱膨脹系數(shù)材料的制備技術(shù)，在降低熱膨脹系數(shù)的同時(shí)保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠應(yīng)用于齒輪的設(shè)計(jì)制造，來解決干運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪因熱膨脹導(dǎo)致膠合失效的問題。

　　2.5 潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分利用可循環(huán)的剩余潤(rùn)滑油或設(shè)計(jì)應(yīng)急冷卻裝置，來達(dá)到延長(zhǎng)干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的目的。主要技術(shù)手段包括：設(shè)置應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)、應(yīng)急冷卻裝置和油霧潤(rùn)滑技術(shù)[42]156-162。國外某型號(hào)直升機(jī)[52]在減速器內(nèi)部設(shè)置有儲(chǔ)油箱，通過相應(yīng)的壓力開關(guān)控制其工作狀態(tài);正常工況下僅起到儲(chǔ)油作用，干運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其儲(chǔ)存的潤(rùn)滑油則起到應(yīng)急潤(rùn)滑作用。此外，AH-64 “ 阿帕奇 ” 減速器高速齒輪的內(nèi)孔設(shè)置了油芯，在干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下借助離心力作用，通過齒輪軸上的孔可對(duì)齒輪和軸承提供一定程度的潤(rùn)滑;A129 主減速器中設(shè)置了應(yīng)急潤(rùn)滑油兜;SA365F 海豚、HAP∕PAH-2 虎、XCH-62A 以及國內(nèi)直9[53]等直升機(jī)主減速器均設(shè)置了應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)。對(duì)于應(yīng)急冷卻裝置[54]，同應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)一樣，減速器正常工作時(shí)該裝置不工作，當(dāng)減速器進(jìn)入干運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，該裝置則對(duì)減速器內(nèi)部進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷以達(dá)到降低齒輪表面溫度的目的。油霧潤(rùn)滑技術(shù)則是通過增壓氣泵和油氣霧化噴嘴，充分利用剩余潤(rùn)滑油，在減速器內(nèi)部制造油霧環(huán)境來延長(zhǎng)干運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。NASA的報(bào)告中提到，將硫醚作為潤(rùn)滑劑用于氣霧潤(rùn)滑，結(jié)果優(yōu)于磷酸鹽脂。同樣，Morales 等[55]測(cè)試了在高負(fù)載條件下以1 000 r ∕min 的速度運(yùn)行的齒輪箱內(nèi)使用硫醚作為氣霧潤(rùn)滑劑，試驗(yàn)表明，經(jīng)過2 100 萬轉(zhuǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪只表現(xiàn)出輕微的磨損。王典等[56]根據(jù)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力的要求，在油霧潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行了銷盤摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)定了不同添加劑對(duì)摩擦磨損性能的影響，并通過試驗(yàn)給出了最小噴油量，為干運(yùn)轉(zhuǎn)問題的解決提供了一種新的選擇。

　　從增加直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)出發(fā)，制備多孔自潤(rùn)滑材料也是一個(gè)新的方向。多孔聚合物潤(rùn)滑材料內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)在常態(tài)下能夠吸收并儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，而在工作狀態(tài)下受到溫度和接觸壓力的作用釋放出潤(rùn)滑油，從而具有良好的自潤(rùn)滑性能[57]。趙華俊等[58]探究了多孔聚酰亞胺材料的儲(chǔ)油、出油性能以及摩擦性能，并加工成角接觸球軸承保持架，研究了其對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果表明，多孔含油聚酰亞胺材料具備良好的輸送油液能力，可極大改善軸承潤(rùn)滑性能。閆普選等[59]制備了3種聚酰亞胺(PI)多孔含油材料，研究了PI 多孔含油材料的含油性能與耐熱性能，結(jié)果表明，PI 多孔含油材料中的潤(rùn)滑油可以穩(wěn)定析出并形成潤(rùn)滑膜，降低了摩擦因數(shù);然而，較高的轉(zhuǎn)速會(huì)使?jié)櫥腿笔?，產(chǎn)生大量的摩擦熱導(dǎo)致材料失效。潘炳力等[60]的研究表明，含油的聚雙環(huán)戊二烯(PCDCPD)材料在中高速干摩擦條件下表現(xiàn)出比純PCDCPD 材料更優(yōu)良的減摩耐磨性能。唐慧霞等[61]制備了多孔超高分子量聚乙烯材料(PE-UHMW)，研究了其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，孔隙的存在能夠提高PE-UHMW 存儲(chǔ)油液和輸出油液的能力，并且能夠改善貧油潤(rùn)滑條件下的摩擦性能。張立保等[62]研究了孔隙直徑大小對(duì)多孔材料摩擦性能的影響，結(jié)果表明，選擇適當(dāng)?shù)目讖酱笮】梢詼p小磨損，改善潤(rùn)滑狀態(tài)。

　　3 試驗(yàn)研究

　　目前，國內(nèi)外的主要干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究方式仍為 “ 試錯(cuò)法 ” ，通過不斷地試驗(yàn)驗(yàn)證找出問題，針對(duì)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。雖然齒輪試驗(yàn)?zāi)芨鎸?shí)地反映實(shí)際工況，但因齒輪試驗(yàn)的高成本和高時(shí)間消耗促使更多的學(xué)者選擇了更簡(jiǎn)單更快捷的雙盤試驗(yàn)來進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，雙盤試驗(yàn)裝置已被廣泛應(yīng)用于齒輪相關(guān)問題的研究。

　　HÖhn 等[63]通過雙盤試驗(yàn)和齒輪試驗(yàn)，對(duì)比研究了19 種合成潤(rùn)滑劑的摩擦特性，比較了雙盤接觸區(qū)和齒輪嚙合區(qū)的平均摩擦因數(shù)，得出了一種計(jì)算方法，可通過相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的雙盤試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)齒輪嚙合過程中的摩擦和功率損失。隨后，HÖhn 等[64]利用FZG 雙盤試驗(yàn)裝置，系統(tǒng)地研究了表面粗糙度和表面織構(gòu)對(duì)載荷和速度的影響，研究了Hertz 接觸區(qū)域的平均油膜厚度和壓力分布。Meheux 等[65]在雙盤試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，在不同潤(rùn)滑劑條件下進(jìn)行了純滾動(dòng)和滑滾比為6.7%的雙盤試驗(yàn)，比較了疲勞壽命和表面剝落形態(tài)，討論了添加劑在提高材料滾動(dòng)接觸疲勞性能中的作用，研究表明，純滾動(dòng)條件下含有洗滌劑和抗泡沫的潤(rùn)滑劑降低了試件的疲勞壽命。Ahlroos 等[66]采用雙盤試驗(yàn)(圖5)研究了表面粗糙度、潤(rùn)滑劑類型和表面處理對(duì)齒輪抗微點(diǎn)蝕性能的影響，結(jié)果表明，表面粗糙度對(duì)微點(diǎn)蝕的形成有較大的影響，此外，DLC 涂層以及碳氮共滲的表面處理有效減少了微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生。Oila等[67]通過雙盤試驗(yàn)，研究了材料、表面粗糙度、載荷等7 個(gè)因素對(duì)齒輪微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)理，結(jié)果表明，微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生主要受接觸載荷的控制，而速度則顯著影響了微點(diǎn)蝕的擴(kuò)展。Terrin 等[68]采用雙盤試驗(yàn)裝置對(duì)噴丸和未噴丸的17NiCrMo6-4硬化鋼進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)未觀察到噴丸導(dǎo)致接觸疲勞壽命顯著提高，表明噴丸強(qiáng)化過程中引入的殘余應(yīng)力對(duì)防止剪切載荷條件下的接觸疲勞損傷未起到積極作用。Savolainen 等[69]使用雙盤試驗(yàn)裝置在不同負(fù)載條件下研究了一系列表面硬化處理的測(cè)試盤疲勞損傷現(xiàn)象，采用破壞性試驗(yàn)的方式，在大量的負(fù)載循環(huán)試驗(yàn)后觀察表面下方的裂痕，找出產(chǎn)生裂痕的關(guān)鍵位置;建立了考慮硬度和殘余應(yīng)力影響的有限元模型，計(jì)算得到的關(guān)鍵位置與試驗(yàn)結(jié)果相一致。Prajapati 等[70]通過雙盤試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，研究了表面損傷和形貌參數(shù)之間的相關(guān)性;研究發(fā)現(xiàn)，表面形貌參數(shù)很大程度上影響了表面損傷，且在600萬次循環(huán)的疲勞試驗(yàn)中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微點(diǎn)蝕現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重;微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的嚴(yán)重程度隨著滑滾比的增加而增加。Rabaso等[71]利用雙盤試驗(yàn)研究了各種參數(shù)對(duì)鋼盤抗微點(diǎn)蝕能力的影響，研究表明，滑滾現(xiàn)象很大程度上導(dǎo)致了表面點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生，在較低滑動(dòng)速度下同樣會(huì)發(fā)生微點(diǎn)蝕現(xiàn)象;對(duì)試件施加載荷后，發(fā)現(xiàn)接觸壓力在1.5～2.5 GPa范圍內(nèi)不會(huì)影響材料抵抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞的性能;最后，研究了表面處理對(duì)鋼盤抗微點(diǎn)蝕能力的影響，發(fā)現(xiàn)在大氣壓下進(jìn)行熱處理會(huì)導(dǎo)致氧化物的形成，削弱材料抗微點(diǎn)蝕性能，相比而言，低壓熱處理則消除了材料中的氧化物，具備較好的優(yōu)越性。

　　圖5 齒輪雙盤試驗(yàn)

　　Fig.5 Twin disc test of gear

　　目前，采用雙盤試驗(yàn)來模擬真實(shí)的齒輪接觸被大多數(shù)學(xué)者所接受。雙盤試驗(yàn)試件制作簡(jiǎn)單，可以提供更多的關(guān)于摩擦因數(shù)、潤(rùn)滑條件等局部信息，方便學(xué)者更好地理解齒輪失效的機(jī)理，已被廣泛應(yīng)用于齒輪相關(guān)問題的研究[72]。

　　4 結(jié)語

　　提高直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。主減速器干運(yùn)轉(zhuǎn)工況的發(fā)生主要是由于潤(rùn)滑系統(tǒng)的失效所導(dǎo)致，因此，可以從避免潤(rùn)滑油損失、增強(qiáng)主減速器零部件耐磨性能、提高主減速器耐高溫能力、增加應(yīng)急潤(rùn)滑系統(tǒng)或儲(chǔ)油裝置等方面入手，進(jìn)行直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于主減速器傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以上每種方法均存在自己的局限性，單純依靠一種方法的改進(jìn)難以起到較為明顯的改善。如增加齒輪的齒側(cè)間隙，將使減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到長(zhǎng)期影響，得不償失。為保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以制備低熱膨脹系數(shù)的新型鐵基材料，并基于該新材料的齒輪進(jìn)行表面改性、添加涂層或表面結(jié)構(gòu)處理，達(dá)到降低摩擦熱和熱膨脹變形的目的，從而提升直升機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。在以后的研究中，可以結(jié)合本文中所述方法中的兩種或者多種來探求其協(xié)同效應(yīng)，通過對(duì)其潤(rùn)滑機(jī)理的分析以及大量的試驗(yàn)研究來得到最優(yōu)的組合。