Колонка соосных винтов

«Колонка» – фирменное название модульного агрегата, смонтированного на выходных валах редуктора соосного вертолета. Она включает в себя втулки винтов, автоматы перекоса и другие механизмы управления углами установки лопастей соосных винтов встречного вращения. Механизмы колонки соединены с общей системой управления вертолетом, которая включает в себя рычаги управления в кабине пилотов. Создание колонки стало одной из главных задач ОКБ Камова в условиях отсутствия положительного опыта в этой области в мировом вертолетостроении.

Колонка соосных винтов вертолета Ка-8

1. Втулка верхнего винта 2. Вгулка нижнего винта 3. Верхний АП 4. Нижний АП 5. Распределительный редуктор 6. Горизонтальный шарнир 7. Вертикальный шарнир 8. Осевой шарнир 9. Лопасть 10. Вал верхнего винта 11. Вал нижнего винта 12. /13 Тяги 14,15. Хомуты 16. Кольцо верхнего АП 17. Кольцо связи 18. 19. Поводки 20. Кольцо нижнего АП 21. Упорный подшипник 22. Ролик

На вертолете Ка-8 Н.И. Камов реализовал одно из своих первых изобретений – ротор геликоптера. Формула изобретения гласила:

«1. Ротор геликоптера, заключающий в себе два соосных винта и два автомата перекоса, служащих для циклического изменения шага лопастей, отличающийся тем, что с целью изменения общего шага лопастей любого винта и обоих винтов одновременно, автоматы перекоса выполнены неподвижными в осевом направлении, а втулки винтов выполнены переставными в осевом направлении с помощью тяг, концентрически расположенных внутри полых валов.

2. Форма выполнения ротора по п. 1 отличается тем, что втулки валов соединены с валами шлицевыми соединениями».

Ролики и резьбовой механизм общего и дифференциального шага геликоптера были соединены с корпусами верхней и нижней втулок несущих винтов концентрическими тягами. Возможность такого соединения обеспечивалась пазами, проделанными в стенке вала верхнего винта. При одновременном повороте роликов тросами, соединенными с рычагом управления общим шагом, втулки обоих винтов синхронно перемещались вверх или вниз, одинаково изменяя общий шаг всех лопастей. При повороте роликов от воздействия педалей втулка одного винта поднималась, а втулка другого опускалась, благодаря чему достигалось дифференциальное изменение углов установки лопастей. В описании изобретения говорилось: «Нижний автомат перекоса с тягами управления является первичным органом циклического кругового управления обоими винтами. Тяги продольного и поперечного управления действуют на внутреннее кольцо нижнего автомата перекоса и вызывают его наклон в любом азимутальном направлении. Благодаря связи нижнего и верхнего автоматов перекоса с помощью поводка наклон нижнего автомата перекоса вызывает такой же наклон и верхнего автомата перекоса».

На реальной конструкции верхний и нижний автоматы перекоса соединялись двумя тягами «параллельности», расположенными под углом 90° в плане. В горизонтальном и осевом шарнирах применялись шариковые подшипники. В вертикальном шарнире устанавливался бронзовый подшипник скольжения. По такой же схеме была выполнена и первая колонка вертолета Ка-10. Во время испытаний этой несколько более тяжелой машины проявился недостаток такой колонки: при перемещении втулок несущих винтов (вдоль оси вала) летчику приходилось преодолевать тягу несущих винтов, а также трение в шлицах. Чрезмерно возросли нагрузки на педалях, особенно – на рычаге общего шага.

Предложенная Н.И. Камовым, В.Н. Ивановым и А.И. Власенко «Система управления соосным двухвинтовым вертолетом» решила задачу снижения нагрузок. В этой системе устройство для изменения шага лопастей было выполнено в виде двух переставных в осевом направлении концентрично охватывающих валы вспомогательных втулок, связанных с тягами управления и с рычажной системой механизма поворота лопастей винтов, втулки которых закреплены на валах неподвижно. Чтобы изменить положение рычага общего шага, теперь достаточно было преодолеть шарнирные моменты лопастей. Вспомогательные втулки в чертежах получили название «ползушек». В реальной колонке их впервые применили на Ка-10М – модификации вертолета Ка-10. Появление «ползушек» придало колонкам соосных вертолетов характерные особенности, которые сохранились до настоящего времени.

В период создания вертолетов Ка-10 и Ка-15 начальник бригады механизмов А.И. Власенко и летчик-испытатель Д.К. Ефремов предложили ряд важных решений, улучшающих колонку. В сотрудничестве с Н.И. Камовым была разработана новая подвеска верхнего автомата перекоса, позволяющая ему перемещаться вдоль оси вала верхнего винта. Параллельность автоматов перекоса обеспечивалась тремя соединительными тягами, расположенными через 120° на виде в плане. Это упростило статическую и динамическую балансировки несущей системы. Этим же авторам принадлежит идея устройства «буферный треугольник» для демпфирования колебаний лопастей верхнего несущего винта вертолета соосной схемы. Данное устройство предусматривало соединение рукавов втулок несущих винтов подпружиненными телескопическими амортизаторами. Это уменьшало отклонение лопастей от положения 120° по отношению друг к другу и понижало вибрации.

Благодаря наблюдательности А.И. Власенко родилось одно из самых оригинальных изобретений машиностроения – сепаратор упорного роликового подшипника, сконструированный им совместно с Н.И. Камовым и В.Б. Баршевским. А.И. Власенко заметил, что при характерном для осевого шарнира колебательном движении контакт роликов с упорными кольцами осуществлялся на небольших участках, ограниченных углами колебания, и при этом происходило быстрое поверхностное выкрашивание подшипника. Отклонение оси одного или нескольких гнезд сепаратора от обычного радиального положения превращало симметричные колебания сепаратора в колебания с несимметричной амплитудой, что придавало ему медленное вращение. В этом случае в работу равномерно включались все рабочие элементы подшипника, и долговечность осевого шарнира повышалась на порядок.

На вертолете Ка-15 в осевом, горизонтальном и вертикальном шарнирах А.И. Власенко применил роликовые подшипники вместо шариковых и ввел жидкую смазку с герметизацией узлов трения. Этим был обеспечен 500-часовой ресурс подшипников. Для предотвращения автоколебаний типа «земной резонанс» в вертикальные шарниры втулки нижнего винта установили регулируемый фрикционный дисковый демпфер. Увеличению запасов устойчивости к возникновению указанного явления и снижению вибраций способствовало также введение третьей опоры вала верхнего винта (на верхнем конце вала нижнего винта), что существенно повысило его изгибную жесткость.

Начиная с Ка-15 вопросами, возникающими при проектировании колонки, стал заниматься и заместитель главного конструктора М.А. Купфер. Особенно часто за советом и поддержкой приходил к Купферу Д.К. Ефремов. Этот замечательный летчик-испытатель всегда принимал участие в решении самых сложных конструкторских задач. Со своими задумками шли к Марку Александровичу и такие маститые конструкторы, как А.И. Власенко, В.Н. Иванов, А.Г. Сатаров, B.C. Альтфельд. М.А. Купфер подписывал чертежи колонки, вникая в каждую мелочь. Предметом его особого внимания была культура весового проектирования. Он помогал конструктору так «довести» деталь, чтобы в ней не было ничего лишнего.

Вверху: Втулка верхнего несущего винта вертолета Ка-15:1- телескопический аммортизатор, 2- двухплечевая качалка.

Внизу: Колонка несущих винтов вертолета Ка-26

Один из главных параметров колонки – расстояние между втулками верхнего и нижнего винтов. Чем оно больше, тем меньше, при прочих равных условиях, сближение лопастей. Чем оно меньше, тем совершеннее винтокрылый соосный аппарат, то есть меньше его вредное сопротивление и масса. Для втулок с шарнирно подвешенными лопастями компромиссное решение обычно находится в пределах 9-10% от величины диаметра несущего винта. На вертолете Ка-15 данное расстояние окончательно было выбрано равным 8,6%. Обоснованность этой величины подверглась серьезной проверке в 1959-1960 годах после нескольких случаев соударения лопастей верхнего и нижнего несущих винтов вертолета Ка-15 в полете.

В 1960-1961 годах ОКБ Н.И. Камова совместно с ЛИИ провело большой объем летных исследований махового движения лопастей вертолета Ка-15 в целях разработки конструктивного решения для предотвращения опасных сближений лопастей в практике летной эксплуатации. В этой работе активное участие приняли М.А. Купфер, начальник бригады аэродинамики JI.A. Поташник, бортинженер Т.В. Руссиян, ведущий прочнист ЛИИ Р.А. Михеев, летчики- испытатели В.В. Виницкий (ЛИИ) и В.В. Громов (ОКБ). На основе анализа материалов испытаний Л.А. Поташником были сформулированы два важных вывода:

– при существующей тогда конструкции системы управления циклическим шагом лопастей, при наличии в колонке «ползушек» с прямыми качалками любое отклонение ручки управления вертолетом от нейтрального положения приводит к уменьшению расстояния между лопастями верхнего и нижнего винтов;

– чтобы при различных положениях данной ручки не уменьшалось расстояние между концами лопастей, необходимо обеспечить угол опережения взмаха в цепях продольного и поперечного управления, равный углу фазового отставания махового движения при любых значениях угла регулятора взмаха.

Поташник предложил новую простую доработку конструкции колонки. Для уменьшения сближения лопастей верхнего и нижнего винтов и предотвращения их соударения в колонке соосных несущих винтов вертолета были применены двухплечевые шарнирно укрепленные на «ползушках» качалки. Одно плечо качалок было связано с автоматом перекоса, а второе – с поводком лопасти.

Двухплечевая качалка для колонки вертолета Ка-15 была внедрена в 1961 году и затем использовалась на всех колонках камовских соосных машин. Это был важный шаг в решении проблемы предотвращения опасного сближения лопастей в процессе эксплуатации.

В 1959 году инженер-конструктор Ю.Э. Савинский для придания вертикальным и осевым шарнирам дополнительного демпфирующего эффекта и уменьшения в колонке числа точек смазки начал разработку принципиально новых подшипников скольжения сухого трения, способных заменить подшипники качения в узлах с колебательным характером движения. В подготовке чертежей участвовал ведущий конструктор B.C. Альтфельд, за технологию изготовления подшипников отвечали начальник технологической экспериментальной лаборатории А.С. Кизиляев, ведущий технолог Р.Б. Большаков и начальник производственно-экспериментального участка В.Г. Шмаков, стендовые испытания обеспечивал начальник сектора Н.Г. Демин. Научную поддержку окаэал доктор технических наук, заведующий лабораторией износостойкости Института машиноведения АН СССР А.П. Семенов.

Вверху: Колонка несущих винтов вертолета Ка-32

Внизу: Вертолет Ка-27ПС с лопастями несущих винтов в походном положении

Были созданы втулочные, шаровые и упорные металлофторопластовые подшипники, способные работать без смазки в тяжелонагруженных узлах кинематики колонки. В 1964 году результаты исследования свойств подшипников и их влияния на динамическую прочность вертолета, автоколебания типа «флаттер» и «земной резонанс» были представлены на конференции в ЦАГИ. Подшипник-демпфер вертикального шарнира получил первое признание. Серийное производство этих подшипников было организовано на Уфимском моторном заводе при энергичной поддержке заместителя главного конструктора И.А. Эрлиха. В 1968 году их применили на втулках винтов вертолета Ка-25. За счет большего, чем у роликовых, трения подшипники скольжения одновременно выполняли функцию демпфера вертикального шарнира, что существенно повысило устойчивость вертолета к возникновению автоколебаний типа «земной резонанс». 19 сентября 1968 года в свой первый поход в Средиземное море вышел авианесущий крейсер «Москва». Он нес на борту 14 вертолетов Ка-25, оснащенных металлофторопластовыми подшипниками. Опыт создания подшипников был использован при освоении серийного производства металлофторопластового материала на Кусковском машиностроительном заводе и при разработке отраслевых стандартов на такого типа подшипники в авиационной, автомобильной и текстильной промышленности. Постановлением Совета Министров Союза ССР от 28 апреля 1984 года за разработку материала и способов изготовления металлофторопластовых подшипников и широкое внедрение их в различные отрасли промышленности Ю.Э. Савинский был удостоен премии Совета Министров СССР.

Колонка соосных винтов вертолета Ка-50

Вертолет Ка-50 «Черная акула»

Позднее для подшипников сухого трения с повышенными демпфирующими свойствами стали использовать литьевой материал на основе сополимера формальдегида с диаксоланом (СФД). В создании этого материала, получившего название К0МП0Н0Р Р0М/РТРЕ-АФ1, наряду с Ю.Э. Савинским, А.С. Кизиляевым, Р.Б. Большаковым, ведущим конструктором Ю.А. Лазаренко, конструкторами-технологами Т.А. Пономаревой и Г.Б. Рипсом, приняли участие специалисты НИИПМ и Кусковского химкомбината. Такого типа подшипник-демпфер применили во втулках верхнего винта вертолетов Ка-27, Ка-32 и других. Была подтверждена работоспособность колонки, в вертикальных шарнирах которой отсутствуют специальные демпфирующие устройства.

В начале 80-х годов ведущий конструктор В.П. Вагис продолжил разработку подшипников сухого трения на основе тканей с волокнами из политетрафторэтилена, химическое название которого – фторопласт-4. К сотрудничеству по этой теме привлекли Ростовский государственный университет (руководитель темы Г.П. Барчан) и ВИАМ (начальник лаборатории доктор химических наук Г.П. Машинская, руководитель темы В.Л. Мамонтов). Подшипники-демпферы, изготовленные с применением тканевого антифрикционного материала, удачно вписались в вертикальные шарниры втулок нижнего несущего винта вертолетов Ка-27 и Ка-32, не требующих создания большого демпфирующего эффекта. На подшипниковом заводе в городе Саратове на основе тканевого материала освоили серийный выпуск шарнирных (сферических) подшипников ШЛТ. Использование подшипников-демпферов вместо специальных демпфирующих устройств упростило процесс складывания лопастей.

Корабельное базирование вертолетов требует быстрого и надежного складывания лопастей несущих винтов при минимальном участии технического состава. Конструкторы B.C. Альтфельд и В.П. Вагис по схеме, предложенной А.И. Власенко, спроектировали на вертолетах Ка-25, Ка-27, Ка-32 проводку управления углами установки лопастей таким образом, что стало возможным поворачивать лопасти относительно вертикального шарнира без рассоединения кинематической цепи. Для этого они ввели в проводку управления дополнительный шарнир, ось которого совпадает с осью вертикального шарнира. Таким способом была обеспечена также возможность отклонения рычагов управления вертолетом для перемещения органов управления при сложенных лопастях и проведения проверки работоспособности систем вертолета в трюмах кораблей.

Колонка вертолета Ка-25 оборудована электромеханической (автоматизированной) системой складывания лопастей, а Ка-27 – механической системой (ручной). После складывания лопасти принимают положение, при котором их концы не выходят за габариты планера вертолета.

Доводка вертолета Ка-15 показала необходимость введения в практику конструирования агрегатов, узлов и систем управления их предварительной отработки на стендах. На основе изобретений Ю.Э. Савинского, И.М. Сухого, B.C. Альтфельда, Г.Ф. Лазарева, А.И. Дрейзина, Н.Г. Демина и других инженеров построили стенды, позволяющие проводить испытания на износостойкость в целях оценки усталостной прочности как отдельных узлов колонки, так и колонки несущих винтов в целом.

Испытания узлов колонки вертолета Ка-25 выявили относительно низкую работоспособность роликовых (игольчатых) подшипников горизонтального шарнира (ГШ) из-за деформаций его элементов, приводящих к неравномерному распределению нагрузок по длине ролика. При наработке всего 100-200 часов на контактирующих с роликами втулках обнаруживались веерообразные углубления, а концы роликов разрушались. Анализ неудовлетворительной работы подшипников, сделанный B.C. Альтфельдом, позволил установить причину раннего появления повреждений подшипника, которая заключалась в малой жесткости оси ГШ. Под действием центробежной силы, воздействующей на лопасть, ось ГШ изгибается и концевые участки роликов, расположенные ближе к центру шарнира, перегружаются. Увеличить жесткость оси? Но это повлечет за собой крайне нежелательное увеличение массы и габаритов втулки винта. Нужен был иной путь. И его нашли. Самое острое зрение не смогло бы уловить разницу между старом и новой втулками, тогда как ресурсные испытания показали: долговечность подшипника увеличилась в 5 раз! Конструктор «всего-навсего» придал внутреннему кольцу ГШ небольшую конусность (5-7°). При изгибе оси ГШ ролики для более равномерного распределения нагрузок по длине располагались теперь по-другому, что и обеспечило необходимое увеличение ресурса подшипника. Изобретение используется при производстве всех колонок новых вертолетов ОКБ.

Только вертолет соосной схемы обладает уникальной возможностью уменьшения вертикальных вибраций, что достигается за счет фазового сдвига лопастей верхнего несущего винта относительно нижнего при их вращении. Способ уменьшения уровня вертикальных вибраций заключается в том, что втулки верхнего и нижнего несущих винтов устанавливают на валах редуктора со сдвигом относительно лопастей друг друга (фазовый сдвиг) и по отношению к продольной оси планера, при котором пульсации приходящих с винтов вертикальных сил с лопастной частотой в максимальной степени уравновешивают друг друга. Величина угла фазового сдвига рассчитывается, а затем экспериментально уточняется. Впервые «фазировка» лопастей была реализована на колонке вертолета Ка-27.

Все колонки, от вертолета Ка-15 до вертолета Ка-32, имеют одинаковые схемные решения: резьбовой механизм общего и дифференциального шага; две «ползушки», расположенные между втулками несущих винтов; вал верхнего винта с прорезями для обеспечения механической связи тяги механизма общего и дифференциального шага (МОДШ) с верхней «ползушкой»; неподвижные в осевом направлении автоматы перекоса; классическое трехшарнирное крепление лопастей к втулке.

В эволюции колонки этапным стал вертолет Ка-50. При его проектировании конструкторы В.П. Вагис, B.C. Альтфельд, В.И. Акиньшин, В.И. Комолов отказались от многих, казалось бы, устоявшихся решений. В качестве основы была принята принципиально иная схема управления несущими винтами. В колонке вертолета Ка-50 оба автомата перекоса подвижны в осевом направлении, что дает возможность изменять шаг лопастей нижнего винта непосредственно от нижнего автомата перекоса без нижней «ползушки»; верхняя «ползушка», передающая управляющие воздействия от верхнего автомата перекоса на поводки лопастей, установлена над верхним винтом, что дало возможность выполнить вал верхнего винта без ослабляющих его пазов. Вместо сложного резьбового механизма общего и дифференциального шага для управления нижними автоматом перекоса и «ползушкой» введен суммирующий рычажный механизм; вместо классической шарнирной применена торсионная подвеска лопастей, что позволило значительно упростить конструкцию, уменьшить число деталей, снизить массу конструкции. В целом конструкция колонки стала более надежной. В шарнирных соединениях применяются самосмазывающиеся подшипники скольжения.

Основные данные колонок несущих винтов

ГШ – горизонтальный шарнир; ВШ – вертикальный шарнир; ОШ – осевой шарнир; ВВ – верхний винт НВ – нижний винт; ПДВШ – подшипник-демпфер ВШ

Для обеспечения катапультирования пилота на колонке вертолета Ка-50 предусмотрена система аварийного отделения лопастей. С этой целью осевые шарниры втулок снабжены кольцевыми кумулятивными зарядами, установленными внутри трубчатого переходника лопасти. При подаче электрического сигнала заряд срабатывает и практически без осколков разрезает титановый переходник, отделяя лопасть. Создавалась система при участии киевского Института электросварки им. Е.О. Патона и московского завода «Искра». В ОКБ основной вклад в разработку и доводку системы внес В.И. Комолов.

«Камовцы» более полувека занимаются соосными вертолетами. Фирме удалось сконструировать оригинальную, эффективную и надежную несущую систему. Основные параметры колонок вертолетов фирмы «Камов» представлены в таблице.

Рамки настоящей статьи позволили лишь в самой сжатой форме рассказать о наиболее важных моментах многоэтапного развития колонки соосных винтов. «За кадром» остались творческие усилия многих конструкторов, технологов, производственников, испытателей, внесших свой вклад в разработку конструкции, технологии производства и методики испытаний этого принципиального для соосного вертолета агрегата.

Виктор ВАГИС, заместитель начальника отдела,

Валентин АЛЬТФЕЛЬД, ведущий конструктор,

Юрий САВИНСКИЙ, заместитель начальника отдела логистического обеспечения