旋翼机齿轮箱规定:LOL(不是你想的那样)

欧盟CS-29修正案7对在失去润滑条件下认证A类加压齿轮箱提出了比先前法规更严格的测试要求。

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F或者说十多年来,航空航天工程中最深入研究的课题之一就是LOL。不,我们不是在说“大笑”。我们是在谈论一个旋翼机齿轮箱失去润滑的事件。

当齿轮箱加压润滑系统发生故障并危及持续飞行能力时,会发生LOL事件。所有A类旋翼机均采用加压润滑系统。在失去润滑的情况下,齿轮箱不再能够充分润滑旋转部件或散热。这种组合导致齿轮和轴承的摩擦增加,部件表面温度升高。随着表面温度的升高,表面硬度可能会降低,导致部件无法承受其设计载荷。部件中的热膨胀也可能导致配对旋转部件卡住。齿轮箱的持续运行导致温度达到临界水平,从而导致其故障。

图1:左,一个制造的齿轮;右,起落架失效是由于LOL起落架(航空调查报告A09A0016)。

关于这个问题已经发表了许多文章。例如:

  • “齿轮箱失去润滑:神话、艺术还是科学?”[1]
  • “Leonardo争取更大的变速箱润滑油损失能力。”[2]
  • “用于旋翼机变速器的黑色氧化物、超精加工表面和研磨表面的润滑性能损失评估。”[3]
  • “镜头下的油漏耐力”。”[4]
  • “表面精加工旋翼传动装置。”[5]
  • AH-64润滑损失研究:无黑色氧化涂层的各向同性超抛光AH-64(阿帕奇)发动机机头变速箱试验。”[6]

这些文章讨论了在LOL条件下变速箱的历史认证测试及其缺点。在过去,一个变速箱如果能在飞行测试条件下存活30分钟,就符合要求。然而,该要求模糊不清,导致行业混乱。在作战战区或离岸服务中使用的较长的飞行任务表明,30分钟持续时间的规定是不够的。

上述文章提出了几种提高LOL耐力极限的技术,如:

A:冗余(应急)润滑系统。

B:超精加工齿轮侧面精加工。

C:足够的配合齿轮公差(齿隙),以允许热膨胀。

D:高耐热齿轮合金。

E:齿轮箱中的储油器在润滑泵故障后滴落或雾化润滑齿轮和轴承。

在2013年至2018年期间,较新的试验方法趋向于对失去润滑的旋翼机齿轮箱进行更严格、更长的耐久性限制。例如,在上面引用的2018年Apache技术报告中,各向同性超精加工输入齿轮箱在LOL条件下实现了超过60分钟的成功飞行操作,没有任何齿轮侧面损坏的迹象。在期刊上还可以找到最近润滑油损失的许多其他例子。那么,是什么促使旋翼机行业进行这些密集的LOL调查呢?

出身背景

不幸的是,2009年,一架直升机在纽芬兰海上坠毁,导致LOL事件造成人员死亡。这导致了这些调查的开始。加拿大政府关于这一事件的调查报告[7]于2010年12月发布。图1右侧的图片显示了因润滑油损失事件而失效的尾旋翼起飞齿轮。

2012年在北海发生的两起涉及LOL事件的后续事件导致直升机迫降。幸运的是,这些事件没有造成死亡。然而,这些事件的最终结果是召集了一组政府航空航天机构和直升机制造商来更新润滑损失认证要求。此前,润滑油损失认证要求自1988年以来从未更新过。这项工作由欧洲航空安全局(EASA)管理,始于2012年。

初步建议

2013年11月,欧洲航空航天局发布了一份初始认证备忘录,“大型直升机主齿轮箱认证要求”。[8]认证备忘录(CM)是无约束力的指南,在这种情况下,与润滑测试要求的损失有关。然而,CM受到高度重视,通常是更新认证规范的前兆。认证规范(CS)是欧盟内部的法律。

构型管理的目的是确保旋翼机具有持续的飞行能力,足以在LOL事件开始后安全着陆。构型管理建议将台架试验延长30分钟以上,以证明这种能力。发布后,继续认真更新大型旋翼机的CS。

最终规则更改

欧洲广告标准联盟根据欧洲广告标准联盟RMT.0608(RMT=一个规则制定任务组)管理从2013年到2019年LOL认证要求的更新。在CM的指导下,经过几年的时间,该RMT从多个政府和行业来源获得了投入。对拟议变更的大约一年的意见解决期代表了更新过程的最后阶段。2019年7月,欧洲航空航天局发布了“大型旋翼机的认证规范和可接受的合规手段,CS-29修正案7。”[9]

后果

乍一看,该CS在润滑损失方面与之前的规定变化不大。修正案7在CS29.927(c)(1)中写道:“应确信转子驱动系统在任何一种正常使用的加压润滑系统出现故障后,具有至少30分钟的飞行运行耐久性。”然而,仔细阅读该文件就会发现它包含与LOL相关的更严格的测试要求。上面的关键词是“必须建立信心”。

如今,CS中更新的测试协议明确规定了用于模拟正常使用加压润滑系统最严重的润滑失效模式的最短周期和负载条件。一旦LOL测试开始,循环从最大持续功率下的一分钟开始,然后是最大毛重下持续飞行所需的最小功率。测试以45秒离地效应(OGE)悬停结束,以模拟着陆。CS进一步声明,“试验结果必须通过延长试验持续时间、多个试样或应用规定并经EASA认可的其他方法证明润滑损失后的最长运行时间,并且必须支持《旋翼机飞行手册》(RFM)中公布的程序。”换言之,为了建立所需的置信度,变速箱必须证明其运行耐久性大于30分钟。此外,预期耐久极限应记录在RFM中。在CS(AMC 29.927(a)的解释部分中,明确规定最低可接受性能应“通过至少36分钟的测试显示能力”

最后,早期规范版本中模棱两可的短语“除非这种故障非常遥远”已经从更新的CS中删除。这就消除了没有完成LOL测试的任何认证。

到目前为止,新的A类增压变速箱达到了令人满意的50至60分钟的飞行测试能力,这意味着达到了所需的信心水平。这可能就是为什么在2018年,美国陆军在其更新的LOL测试中使用了参考资料6中阿帕奇前齿轮箱的60分钟测试协议。

结论

2019年7月,欧盟将CS-29修正案7纳入法律。与之前的法规相比,该规范对LOL条件下的A类增压变速箱认证提出了更加严格和严格的测试要求。美国陆军正在更新ADS-50驱动器以满足这些测试要求。此外,FAA预计将更新14 CFR 29.927(c),以类似地符合CS-29修正案7的要求。由于CS-29的升级,未来的增压旋翼机变速箱将实现更安全的LOL飞行能力。

参考文献

  1. G.加斯帕里尼,N.莫塔,A.加布里埃尔,D.科伦坡。“齿轮箱失去润滑性能:神话、艺术还是科学?”2014年9月,2014年欧洲旋翼机论坛,英国南安普顿,2014年。
  2. M.Tamborini.“莱昂纳多努力使齿轮箱失去更大的润滑能力”,2016年2月,航空安全、设计与认证、直升机、海上、石油与天然气/IOGP/能源、安全管理。
  3. M. Riggs等人,“用于旋翼机变速箱的黑色氧化物、超精加工和As-Ground表面润滑性能损失评估”。美国陆军研究实验室(ARL) 2016年9月,技术报告ARL- tr -7815。
  4. 答:Cannella。“镜头下的油漏耐力”2017年1月- 2月,齿轮技术。
  5. l·温克尔曼。“表面精加工旋翼传动装置。”2018年9月,Gear Solutions杂志。
  6. T.Kane等人,《AH-64润滑损失研究:无黑色氧化物各向同性超精加工AH-64(Apache)发动机前齿轮箱的试验》,2018年9月,2018年欧洲旋翼机论坛,荷兰代尔夫特。
  7. "主变速箱故障/与水碰撞"加拿大运输安全委员会航空调查报告A09A0016。2010年12月发布。
  8. “大型直升机主齿轮箱认证要求,EASA CM-RTS-001:01”,《欧盟航空安全局,2013年11月》。
  9. “大型旋翼机的认证规范和可接受的合规方法。CS-29修改件7。”欧盟航空安全局,2019年7月15日。通过表面修整对风力涡轮机齿轮进行翻新