Настоящее изобретение относится к вертолетному шарнирному несущему винту и, в частности, к распорной блок-прокладке, предназначенной для использования в лонжероне шарнирного несущего винта.
Шарнирный несущий винт вертолета состоит из втулки несущего винта и нескольких пристыкованных к ней лопастей несущего винта. Типовой шарнирный несущий винт 100 показан на фиг. 1, где позицией 102 обозначена втулка несущего винта, а позицией 104 - лопасть несущего винта. Каждая лопасть 104 несущего винта имеет аэродинамическую обшивку 106, конструктивно соединенную с лонжероном 108, расположенным внутри лопасти. Лонжерон 108 является основным силовым элементом лопасти 104 несущего винта, воспринимающим наиболее значительную часть изгибающих моментов, скручивающих моментов, сил сдвига и центробежных сил, действующих на лопасть 104.
Для предшествующего уровня техники характерны лонжероны, изготовленные из титана, что обусловлено его высокой усталостной прочностью, крутильной жесткостью и коррозионной устойчивостью. Однако в последнее время прослеживается тенденция применения для этой цели композиционных материалов, например, волокнистых материалов, таких, как графит или стекловолокно на основе смолистой матрицы. Применение таких материалов в конструкции лонжерона позволяет достигнуть крутильной жесткости, как у титановых лонжеронов, но при значительно меньшем весе лонжерона. Кроме того, лонжерон, изготовленный из композиционного материала, более совершенен в силу того, что он почти в два раза превосходит титан по допустимым усталостным напряжениям, а также обладает улучшенной устойчивостью к механическим повреждениям и высокой сопротивляемостью развитию трещин.
Лонжерон лопасти типового несущего винта представляет собой удлиненный элемент конструкции, проходящий от комлевой области лопасти приблизительно до ее законцовки. Для придания лонжерону наибольшей крутильной жесткости он изготавливается в виде трубы замкнутого контура. Концевая часть лонжерона является стыковочным элементом узла крепления лопасти к цапфе втулки несущего винта (на фиг.1 эта часть лонжерона и цапфа втулки несущего винта обозначены позициями 110 и 112, соответственно).
Лонжерон обычно соединяется с цапфой втулки с помощью болтов. Проблема, сопутствующая такому типу крепления лопасти, заключается в том, что сжимающая сила, возникающая при затяжке болтов, передается на лонжерон. Чрезмерная сила сжатия ведет к изгибу или деформации, т.е. приплющиванию титанового лонжерона, что может отрицательно повлиять на его прочностные характеристики. Для лопастей несущих винтов с лонжеронами из композиционных материалов проблема чрезмерной силы сжатия носит еще более острый характер. Чрезмерная сила сжатия может вызвать появление трещин в композиционном материале лонжерона, ухудшая тем самым его прочностные характеристики, и может привести к поломкам лонжерона, имеющим катастрофические последствия.
Для компенсации неблагоприятного воздействия сжимающей силы, возникающей при затяжке болтов крепления, совместно с лонжероном 108 лопасти применяется цельная блок-прокладка 114, изготавливаемая, как правило, из материалов на основе фенола, имеющих малый удельный вес. Как показано на фиг.1А, блок-прокладка 114 помещается в полость 116 лонжерона со стороны его комлевой части 108R так, чтобы войти в контакт с поверхностью 108S внутренней полости лонжерона 108. Блок-прокладка 114 воспринимает сжимающие силы, возникающие при затяжке болтовых соединений, тем самым предохраняя лонжерон 108 от деформации.
Хотя цельная блок-прокладка пригодна для защиты лонжерона от неблагоприятного воздействия сил сжатия, возникающих при затяжке болтов крепления лопасти, процесс доведения ее формы до состояния, когда блок-прокладка плотно прилегает к поверхности внутренней полости лонжерона, является длительным и трудоемким. Блок-прокладки первоначально изготавливаются в виде прямоугольных заготовок, которые затем вручную шлифуются до нужной формы. Процесс пригонки формы обычно имеет несколько этапов: шлифовка, примерка, шлифовка и т. д. до тех пор, пока не будет достигнута требуемая форма блок-прокладки. Такая процедура сама по себе длительна и трудоемка. Другой недостаток этой процедуры заключается в том, что блок-прокладка может быть слишком сильно отшлифована до такой степени, что после установки в полости лонжерона она будет подвижной. Из-за такой подвижной посадки указанный прокладки может произойти небольшая деформация или приплющивание лонжерона после затяжки болтов цапфы. Это может привести к ослаблению затяжки болтов, нежелательным изменениям местного аэродинамического профиля лопасти или чрезмерным внутренним напряжениям в материале лонжерона. Для лонжеронов, изготовленных из композиционных материалов, подгонка формы твердых вставок еще более сложна. Если качество внешней поверхности лонжерона тщательно контролируется, то внутри его возможны неточности внутренних размеров лонжерона из-за неравномерностей строения композиционного материала, например, содержания смолы, ориентации волокон и т.д. В дополнение к этому внутренняя поверхность полости лонжерона может иметь грубую и неравномерную текстуру. Внутренняя поверхность титановых лонжеронов, наоборот, гладкая и ровная. Грубые внутренние поверхности полости лонжерона с неправильной текстурой создают значительные трудности в пригонке вставок и увеличивают вероятность неблагоприятного воздействия силы затяжки болтовых соединений на лонжерон лопасти.
В патенте США N 3018832 описывается лопасть винта, в конструкции которой применен зажимно-распорный механизм, предназначенный для предотвращения отделения оболочки лонжерона, внешнего дублирующего слоя и внутреннего дублирующего слоя и для распирания верхних и нижних внешних профильных поверхностей, т. е. оболочки лонжерона и внешних дублирующих слоев в две параллельные поверхности в зоне стопорных штифтов лопасти. В одном описанном варианте изобретения зажимно-распорный механизм состоит из головок наружных и внутренних вкладышей стопорных штифтов и их соответствующих гаек, функционирующих совместно с противолежащими концами распорных штанг, положение которых регулируется гайкой распорной штанги. В другом описанном варианте механизма зажимно-распорный механизм включает в себя головки наружных и внутренних вкладышей стопорных штифтов и их соответствующих гаек, функционирующих совместно с противолежащими распорными клиньями и центральным клином.
Существует потребность в такой блок-прокладке, которая воспринимала бы силу затяжки болтовых соединений без возникновения деформаций лонжерона, как следствия этой затяжки. Такая блок-прокладка должна устанавливаться в полость лонжерона до упора в его внутреннюю поверхность и при этом не требовать трудоемкой и длительной обработки своей внешней поверхности. Такая блок-прокладка должна универсально подходить для применения как внутри лонжеронов из композиционных материалов с грубой внутренней поверхностью с неоднородной текстурой, так и внутри титановых лонжеронов с гладкой и ровной внутренней поверхностью.
Задачей настоящего изобретения является создание распорной блок-прокладки, легко устанавливаемой в полость лонжерона лопасти шарнирного несущего винта вертолета, легко распираемой до упора во внутреннюю поверхность лонжерона, ограничивающую его полость. Такая блок-прокладка должна воспринимать силу затяжки болтового соединения лонжерона с втулкой шарнирного несущего винта без возникновения деформаций лонжерона как следствия этой затяжки, а также использоваться совместно с лонжеронами, изготовленными из титана, композиционных или других материалов, и имеющими различный характер своей внутренней поверхности.
Эти и другие задачи настоящего изобретения реализуются в распорной блок-прокладке лонжерона, состоящей, в соответствии с настоящим изобретением, из первой и второй клиновидных прокладок, каждая из которых имеет упорную поверхность с профилем, повторяющим профиль соответствующей ей внутренней поверхности лонжерона. И первая, и вторая клиновидные прокладки отличаются наличием первой скошенной поверхности, имеющей заданный угол уклона с образованием утончения в направлении от ее комля, второй скошенной поверхности с заданным углом уклона, смежной с первой скошенной поверхностью, а также тем, что на упорные поверхности наносится клеевая паста.
Далее распорная блок-прокладка лонжерона отличается наличием вытяжного клина, имеющего участок постоянной толщины и участок с постоянным углом уклона, скошенные поверхности которого являются дополняющими для первых скошенных поверхностей первой и второй клиновидных прокладок. После установки распорной блок-прокладки в полость лонжерона поверхности с постоянным углом уклона вытяжного клина скользят по первым скошенным поверхностям первой и второй клиновидных прокладок, распирая тем самым упорные поверхности, покрытые клеевой пастой, до их упора во внутренние поверхности лонжерона.
На фиг. 1 - вид фрагмента несущего винта вертолета в аксонометрии; на фиг. 1А - продольное сечение фрагмента, показанного на фиг.1, в плоскости 1А-1А, иллюстрирующее блок-прокладку для лонжерона, характерную для предшествующего уровня техники; на фиг. 2 - поперечное сечение комлевой зоны лонжерона лопасти несущего винта вертолета типа UH-60, выполненного из композиционного материала; на фиг.3 - продольное сечение лонжерона, иллюстрирующее предпочтительный вариант распорной блок-прокладки лонжерона, выполненной согласно настоящему изобретению; на фиг.4 - вид сверху одной клиновидной прокладки распорной блок-прокладки лонжерона, показанной на фиг.3, на фиг. 4А - продольное сечение в плоскости 4А-4А прокладки, показанной на фиг 4; на фиг. 4В - вид с торца пары клиновидных прокладок в предпочтительном варианте распорной блок-прокладки в соответствии с настоящим изобретением; на фиг.5 - вид сверху средства распирания для распорной блок-прокладки лонжерона, показанной на фиг. 3; на фиг.5А - продольное сечение в плоскости 5А-5А фиг. 5; на фиг.5В - вид с торца средства распирания, показанного на фиг. 5; на фиг.6 - продольное сечение, иллюстрирующее другой вариант распорной блок-прокладки лонжерона в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3-5 представлен предпочтительный вариант распорной блок-прокладки 10 лонжерона, а на фиг.6 показан альтернативный вариант распорной блок-прокладки 10' лонжерона (нумерация позиций идентичных или подобных конструктивных элементов на чертежах - единая). В соответствии с настоящим изобретением распорная блок-прокладка просто распирается для плотной посадки внутри лонжерона и обеспечения контакта с внутренней поверхностью лонжерона. Распорная блок-прокладка лонжерона служит для восприятия сжимающего усилия затяжки болтов с целью предотвращения деформации лонжерона лопасти, установленной на втулке несущего винта (например, с помощью болтового соединения), и его возможных поломок, влекущих за собой катастрофические последствия. Распорная блок-прокладка лонжерона в соответствии с настоящим изобретением применима в лонжеронах, изготовленных из композиционных материалов, титана или других материалов.
Предпочтительный вариант распорной блок-прокладки 10 лонжерона, раскрывается в данном описании в конфигурации для использования на лонжероне из композиционного материала лопасти несущего винта вертолета UH-60 BLACK HAWK® (логотип BLACK HAWK является зарегистрированным товарным знаком компании Sikorsky Aircraft Division of United Technologies Corporation). На фиг.2 показано поперечное сечение лонжерона в комлевой зоне 108R и, в частности, сложный профиль внутренней поверхности лонжерона, разбитой на дискретные поверхности, обозначенные на фиг.2 позициями 108S-1, 108S-2 и 108S-3. Для специалиста в данной области техники очевидно, что распорная блок-прокладка лонжерона согласно настоящему изобретению может использоваться в лонжеронах, имеющих разнообразные профили внутренней поверхности. В настоящем описании предполагается, что термин "внутренняя поверхность" относится к лонжеронам, выполненным как из титана, так и из композиционных материалов.
Распорная блок-прокладка 10 лонжерона имеет габаритные размеры, обеспечивающие ее установку в полость лонжерона. Распорная блок-прокладка 10 лонжерона состоит из первой и второй клиновидных прокладок 20, 22 и средств 40 для распирания первой и второй клиновидных прокладок 20, 22. Понятие "распирание" в контексте настоящего описания означает установку такого расстояния между первой и второй клиновидными прокладками 20, 22, при котором их упорные поверхности плотно прилегают к внутренним поверхностям лонжерона, осуществляемую способом, более подробно раскрываемым ниже. Из фиг.4, 4А, 4В следует, что первая и вторая клиновидные прокладки 20, 22 имеют одинаковую форму, включающую в себя расположенный у комлевого среза конец 24, утонченный конец 26 и упорную поверхность 28, первую скошенную поверхность 30, вторую скошенную поверхность 32 и внутренний вырез 34. Несмотря на то, что в данном случае конфигурация первой и второй клиновидных прокладок 20, 22 идентична, специалисту должно быть очевидно, что первая и вторая клиновидные прокладки могут иметь различные конфигурации, что главным образом зависит от профиля внутренней поверхности лонжерона.
Упорная поверхность 28 каждой клиновидной прокладки 20, 22 имеет профиль, соответствующий профилю внутренних поверхностей лонжерона. На фиг.4В наиболее четко видно, что упорные поверхности 28-1, 28-2, 28-3 соответствуют внутренним поверхностям 108S-1, 108S-2 и 108S-3 лонжерона, показанного на фиг. 2. Такая конфигурация упорных поверхностей 28 обеспечивает плотное прилегание клиновидных прокладок 20, 22 к внутренним поверхностям лонжерона, что предотвращает его деформацию при затяжке болтов.
Первая и вторая скошенные поверхности 30, 32 клиновидных прокладок 20, 22 расположены напротив однотипной поверхности другой прокладки (см.фиг.4В). Вторые поверхности скошены под заданным углом уклона θ относительно продольной оси X-X прокладок 20, 22 (см.фиг.4А). Они служат для упрощения установки средств распирания 40 в промежуток, образованный первой и второй клиновидными прокладками 20, 22 (см.фиг.3). Угол уклона θ вторых скошенных поверхностей 32 для описываемого варианта изобретения составляет около 20o. Первые скошенные поверхности 30 имеют заданный угол уклона φ относительно продольной оси X-X прокладок 20, 22 (см. фиг. 4А) и взаимодействуют со средствами распирания 40 путем скольжения с целью расклинивания блок-прокладки 10 до тех пор, пока упорные поверхности 28 не упрутся в соответствующие внутренние поверхности лонжерона. Другими словами, при скольжении средств распирания 40 по первым скошенным поверхностям 30 расстояние между упорными поверхностями 28 первой и второй клиновидных прокладок 20, 22 изменяется. Угол уклона φ первых скошенных поверхностей 30 для описываемого варианта изобретения составляет около 0o45'.
Несмотря на необходимость использования блок-прокладки 10 с целью предотвращения деформации лонжерона, блок-прокладка 10 с точки зрения летных характеристик вертолета представляет собой "мертвый" вес. Поэтому, для снижения общего веса блок-прокладки 10 лонжерона, клиновидные прокладки 20, 22 предпочтительно изготавливаются из жесткого материала с малой плотностью. В предпочтительных вариантах изобретения, раскрываемых в данном описании, клиновидные прокладки 20, 22 изготавливаются из фенольного материала. Например, один или более слой волокнистого материала, такого, как хлопковая ткань, помещается в матрицу смолы резола или новолака и подвергается полимеризации и прессованию до получения готовых клиновидных прокладок 20, 22 из фенольных материалов. В другом варианте слой волокнистого материала, помещенный в смолистую матрицу, подвергается полимеризации и прессованию для получения заготовок из фенольного материала, которые впоследствии обрабатываются для получения готовых клиновидных прокладок 20, 22. Направление ориентации волокнистых слоев в смолистой матрице предпочтительно является примерно параллельным (в пределах допуска ± 5o) продольной оси X-X клиновидных прокладок 20, 22. В предпочтительном варианте распорной блок-прокладки 10 лонжерона, отображенной на фиг. 3-5, для распирания прокладок используется вытяжной клин, имеющий в общем утоняющуюся форму, как показано на фиг.5, 5А, 5В. Вытяжной клин 40 имеет первый участок 42, например, участок постоянной толщины, и участок 44 с постоянным углом уклона. Когда вытяжной клин 40 расположен между первой и второй клиновидными прокладками 20 и 22, участок 42 постоянной толщины выступает наружу из комлевого среза лонжерона. К клину прикладывается сила, заставляющая его скользить по первым скошенным поверхностям 30 первой и второй клиновидных прокладок 20 и 22. Участок 44 с постоянным углом уклона скошен под заданным углом α (см. фиг.5А), который является смежным углу уклона φ первых скошенных поверхностей 30. Угол уклона α для предпочтительного варианта изобретения равен примерно 1,5o. Скошенные поверхности 44S вытяжного клина 40 скользят по первым скошенным поверхностям 30 первой и второй клиновидных прокладок 20, 22, изменяя расстояние между их упорными поверхностями 28 так, что поверхности 28 входят в контакт с внутренними поверхностями лонжерона.
Вытяжной клин 40 предпочтительно изготавливается из композиционного материала, например, витого волокнистого материала, такого, как стекловолокно, заключенное в смолистой матрице повышенной механической прочности. Уложенные слои композиционного материала подвергаются формовке при полимеризации смолы до получения готовой формы, так как этот технологический процесс является наиболее быстрым. Слои укладываются для формовки таким образом, чтобы обеспечить требуемую прочность вытяжного клина 40, необходимую при его скользящем взаимодействии с первыми скошенными поверхностями 30 первой и второй клиновидных прокладок 20, 22. В рассматриваемом варианте изобретения внешние слои волокон располагаются по длине вытяжного клина 40 и имеют ориентацию волокон 0/90o относительно продольной оси (обозначенной символами X-X на фиг.5А) вытяжного клина 40. Один внутренний слой волокон, имеющих ориентацию ± 45o, располагается по длине вытяжного клина 40 непрерывно. Остальные внутренние слои волокон, образующие вытяжной клин 40, имеют ориентацию волокон ±45o и переменную длину, за счет чего обеспечивается заданный угол уклона скошенных поверхностей 44. Количество внутренних слоев переменной длины может быть различным в зависимости от требований к диапазону габаритных размеров вытяжного клина 40.
Перед установкой распорной блок-прокладки 10 в полость лонжерона упорные поверхности 28 первой и второй прокладок 20, 22 и скошенные поверхности 44S вытяжного клина 40 покрываются клеевой пастой на эпоксидной основе, отличающейся затвердеванием при комнатной температуре. Одним из вариантов такой клеевой пасты, наносимой на элементы распорной блок-прокладки 10, является Hysol EA9309.3NA, выпускаемая фирмой Dexter Corporation. Затем внутрь лонжерона устанавливаются первая и вторая прокладки 20, 22, обращенные своими упорными поверхностями 28 к внутренним поверхностям лонжерона, а вытяжной клин 40 вставляется между первой и второй прокладками 20, 22 так, что его покрытые клеем скошенные поверхности 44S прилегают к первым скошенным поверхностям 30. В установленном положении участок 42 вытяжного клина 40 выступает за комлевой срез лонжерона. К участку 42 вытяжного клина 40 с постоянной толщиной прикладывается сила, заставляющая покрытые клеем скошенные поверхности 44S вытяжного клина скользить по первым скошенным поверхностям 30, в результате чего упорные поверхности 28 плотно прилегают к внутренним поверхностям лонжерона.
Распорная блок-прокладка 10 лонжерона фиксируется в расклиненном положении для полимеризации клеевой пасты. Затвердевший клей предотвращает любые взаимные смещения первой и второй прокладок 20, 22 и вытяжного клина 40 относительно друг друга. И, наконец, фрагмент участка 42 вытяжного клина 40 постоянной толщины, выступающий за концы первой и второй прокладок 20, 22 у комлевого среза, обрезается. В лонжероне с установленной в нем распорной блок-прокладкой 10 высверливаются отверстия под крепежные болты. В таком состоянии лопасть несущего винта подготовлена к стыковке с цапфой втулки несущего винта и фиксации с помощью болтового соединения.
Другой вариант распорной блок-прокладки 10' в соответствии с настоящим изобретением отражен на фиг.6 и состоит из первой и второй прокладок 20', 22' и средств 40' для их распирания. Каждая прокладка 20', 22' имеет упорную поверхность 28' и скошенную поверхность 30' и содержит отверстия, 46-2, 46-1 соответственно, проходящие насквозь. Средством распирания прокладок, показанных на фиг.6, является винтовой зажим 40', представляющий собой стяжной болт 48, установленный в отверстиях 46-1, 46-2 с возможностью вращения, и неподвижную гайку 50, зафиксированную на одной из прокладок 20', 22' (в случае, показанном на фиг.6 - на прокладке 20'). Перед установкой распорной блок-прокладки 10' в полость лонжерона упорные и скошенные поверхности 28', 30' каждой прокладки 20', 22' покрываются клеевой пастой, описанного выше типа. После установки распорной блок-прокладки 10' в полость лонжерона винтовой зажим 40' приводится в действие путем вращения болта 48. Вращение болта винтового зажима 40' приводит к скольжению скошенных поверхностей 30' первой и второй прокладок 20', 22' друг относительно друга. При таком скользящем перемещении происходит перемещение упорных поверхностей 28' до их упора в соответствующие внутренние поверхности лонжерона. После отверждения клея болт 48 может быть выкручен из первой и второй прокладок 20', 22'.
На основе принципов настоящего изобретения возможна реализация различных технических решений. Поэтому следует учитывать, что настоящее изобретение может быть практически осуществлено в любом другом виде, не выходящем за границы патентных притязаний, отраженные в прилагаемой формуле изобретения.
Блок-прокладка предназначена для применения в лонжероне (108) лопасти шарнирного вертолетного несущего винта. Блок-прокладка состоит из первого и второго элементов (20, 22) и средства их распирания. Каждый элемент блок-прокладки имеет упорную поверхность с профилем, повторяющим профиль соответствующей им внутренней поверхности лонжерона, а также первую и вторую скошенные поверхности. Средством распирания распорной блок-прокладки лонжерона является вытяжной клин (40), имеющий первый участок и участок с постоянным углом уклона, скошенные поверхности которого наклонены под углами, смежными по отношению к углам уклона первых скошенных поверхностей элементов блок-прокладки. Перед установкой упорные поверхности прокладок, скошенные поверхности участка вытяжного клина (40) с постоянным углом и распорная блок-прокладка с упорными поверхностями, контактирующими с внутренней поверхностью лонжерона, ограничивающей его полость, покрываются клеевой пастой и устанавливаются в полость лонжерона. Затем к участку вытяжного клина, имеющему постоянную толщину, прилагается вытягивающее усилие, вызывающее такое взаимное скольжение его скошенных поверхностей и первых скошенных поверхностей прокладок, которое приводит к распорке элементов прокладки до плотного контакта их упорных поверхностей с внутренней поверхностью лонжерона. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 11 ил.
| US 3018832 A, 30.01.62 | |||
| SU 431733 A, 23.07.82. |
