模型飛機(jī)微小型起落架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　， ， ， ，

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 四川 綿陽　621000； 2.重慶望江工業(yè)有限公司, 重慶　404100)

引言

模型飛機(jī)為某型戰(zhàn)斗機(jī)的縮比模型，它在空中自主控制飛行，為真實(shí)飛機(jī)提供空氣動(dòng)力、飛行力學(xué)等性能參數(shù)。某模型飛機(jī)采用起落架滑跑起飛與著陸，配備起落架收放系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)，模型飛機(jī)起落架的正常工作是整個(gè)飛機(jī)安全的保障，設(shè)計(jì)可靠安全的起落架收放控制液壓系統(tǒng)是力在必行。在安全性能保證的情況下，提高效率、減少重量和空間也是十分必要的。該模型飛機(jī)的總體尺寸較小，要求設(shè)計(jì)一種體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，可快速啟動(dòng)和頻繁換向的液壓系統(tǒng)用于控制模型飛機(jī)起落架的收放和剎車。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

某模型飛機(jī)由于飛行控制要求，對液壓系統(tǒng)提出如下技術(shù)要求：

(1) 起落架艙門開關(guān)動(dòng)作平穩(wěn)，打開到位后能穩(wěn)定于當(dāng)前位置，關(guān)閉到位時(shí)其作動(dòng)器應(yīng)剛好停止，避免將艙蓋損壞，關(guān)閉到位后能穩(wěn)定在關(guān)的狀態(tài)，保持飛機(jī)的氣動(dòng)外形不變。

(2) 起落架收放平穩(wěn)，作動(dòng)器應(yīng)能將起落架的鎖止機(jī)構(gòu)順利地推(或拉)入鎖止位置，在鎖止位置時(shí)，作動(dòng)器能穩(wěn)定于當(dāng)前狀態(tài)，避免鎖止機(jī)構(gòu)在沖擊、振動(dòng)等外力作用下離開鎖止位置。

(3) 為了避免剎車長時(shí)間抱死，其剎車動(dòng)作采用間歇式，即剎車時(shí)，“剎車”動(dòng)作與“松開”動(dòng)作周期性交替。

(4) 對液壓系統(tǒng)提出如下主要技術(shù)指標(biāo)：額定工作壓力不大于2.5 MPa;額定流量不小于0.2 L/min;重量不大于5 kg。

(5) 液壓系統(tǒng)自身具備安全保護(hù)功能。

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套滿足模型飛機(jī)功能的起落架液壓控制系統(tǒng)，其原理如圖1所示。

1.油箱　2.進(jìn)氣閥　3.排氣閥　4.油泵　5.電動(dòng)機(jī)　6.壓力表7.雙向液壓鎖　8.前起艙門啟閉油缸　9.后起艙門啟閉油缸(左)10.后起艙門啟閉油缸(右)　11.前起收放缸　12.后起收放缸(左)13.后起收放缸(右)　14.雙向液壓鎖　15.液壓剎車(左)16.液壓剎車(右)　17.溢流閥　18.換向閥(艙門)19.換向閥(起落架)　20.換向閥(剎車)　21.限壓閥圖1　驗(yàn)證機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力源、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件四大部分組成。其中液壓動(dòng)力源由直流電動(dòng)機(jī)和油泵組成，控制元件由溢流閥、換向閥、液控單向閥等組成，執(zhí)行元件由起落架艙門啟閉缸、起落架收放缸以及飛機(jī)后輪上的剎車組成，輔助元件由油箱、管路等組成。

2.1　動(dòng)作回路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)分別在起飛階段和回收階段工作。起飛階段，液壓系統(tǒng)先將起落架收回，然后再關(guān)閉起落架艙門。在飛行過程中，即在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，液壓系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。回收階段，液壓系統(tǒng)先將起落架艙門打開，然后再將起落架放下并可靠地鎖緊，著陸滑跑過程中，剎車回路間歇地向剎車供油與泄油，使剎車按“剎車”動(dòng)作與“松開”動(dòng)作周期性交替。飛機(jī)停止后，液壓系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

(1) 收回起落架

給直流電動(dòng)機(jī)5通電，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵4轉(zhuǎn)動(dòng)向系統(tǒng)供給壓力油，遙控或程控給2DT輸入控制信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)將閥19右位接通，壓力油進(jìn)入前收放缸11、后收放缸(左)12、后收放缸(右)13有桿腔，同時(shí)，壓力油進(jìn)入液控單向閥17的控制腔，這兩個(gè)單向閥的逆向均打開。前收放缸11、后收放缸(左)12、后收放缸(右)13的活塞在壓力油的作用下縮回，將前后起落架收回。同時(shí)，收放缸無桿腔的油液流回油箱1。

(2) 關(guān)閉起落架艙門

起落架收回到位后，遙控或程控給1DT輸入控制信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)將閥18右位接通，壓力油進(jìn)入前啟閉缸8、后啟閉缸(左)9、后啟閉缸(右)10有桿腔，啟閉缸活塞在壓力油的作用下縮回，將前后起落架艙門關(guān)閉。同時(shí)，啟閉缸無桿腔的油液流回油箱1。

此時(shí)，油泵電機(jī)斷電，換向閥的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)也可以斷電。

(3) 打開起落架艙門

進(jìn)入回收階段時(shí)，給直流電動(dòng)機(jī)5通電，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵4轉(zhuǎn)動(dòng)向系統(tǒng)供給壓力油，遙控或程控給1DT輸入控制信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)將閥18左位接通，壓力油進(jìn)入前啟閉缸8、后啟閉缸(左)9、后啟閉缸(右)10無桿腔，啟閉缸活塞在壓力油的作用下伸出，將前后起落架艙門打開。同時(shí)，啟閉缸有桿腔的油液流回油箱1。

(4) 放下起落架

起落架艙門打開后，遙控或程控給2DT輸入控制信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)將閥19左位接通，壓力油進(jìn)入前收放缸11、后收放缸(左)12、后收放缸(右)13無桿腔，收放缸活塞在壓力油的作用下伸出，將前后起落架放下。同時(shí)，收放缸有桿腔的油液流回油箱1。

(5) 剎車

飛機(jī)滑距著陸后，遙控或程控給3DT輸入控制信號(hào)，舵機(jī)往復(fù)旋轉(zhuǎn)將閥20左位與右位交替接通，右位接通時(shí)，壓力油進(jìn)入剎車，執(zhí)行“剎車”動(dòng)作，左位接通時(shí)，剎車內(nèi)的油卸壓，剎車復(fù)位機(jī)構(gòu)將油液擠回油箱1。

飛機(jī)停止后，關(guān)閉液壓系統(tǒng)的供電。

3　元器件選擇與設(shè)計(jì)

3.1　動(dòng)力元件

動(dòng)力元件選擇某公司KAS-122小泵無刷動(dòng)力套裝，包括一個(gè)電機(jī)、一個(gè)油泵和電調(diào)一支，如圖2所示。主要參數(shù)為：額定壓力2.5 MPa，流量0.3 L/min，外形尺寸67 mm×36 mm×38 mm。

3.2　控制元件

(1) 壓力調(diào)節(jié)閥

為了保障液壓系統(tǒng)的安全，選擇溢流閥來設(shè)定液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，執(zhí)行元件不工作時(shí)，油液直接通過溢流閥流回油箱，執(zhí)行元件工作時(shí)，多余油液通過溢流閥流回油箱。溢流閥選擇某公司微型溢流閥，調(diào)壓能力為0～5 MPa，如圖3所示。

圖2　KAS-122小泵無刷動(dòng)力套裝

圖3　溢流閥

2) 方向控制閥

由于液壓系統(tǒng)要求方向控制閥重量較小，同時(shí)性能可靠性高，所以方向控制閥為自主設(shè)計(jì)和加工。圖4為方向換向閥結(jié)構(gòu)圖。設(shè)計(jì)額定壓力5 MPa，體積小，可以裝配M5-4直油嘴或者M(jìn)5-M3轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)接M3-3直油嘴或者彎油嘴。油路方向通過舵機(jī)控制，P為進(jìn)油口，A、B連接作動(dòng)器進(jìn)、出油口，T為回油?？刂贫鏅C(jī)選用：Hitec HS-645MG金屬齒舵機(jī)帶動(dòng)。其帶舵機(jī)不加油嘴尺寸為73.15 mm×76 mm×32.5 mm。圖5為換向閥實(shí)物圖。

圖4　換向閥結(jié)構(gòu)圖

圖5　換向閥實(shí)物圖

3) 雙向液壓鎖

雙向液壓鎖作用是：當(dāng)液壓系統(tǒng)不工作時(shí)，將作動(dòng)器活塞桿鎖定在伸出位置，制止起落架在外力作用下收起。圖6為雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)向起落架放下管路供壓時(shí)，油液由A1管嘴進(jìn)入殼體左側(cè)腔內(nèi)，同時(shí)向左、右兩側(cè)推開球頭活門，油液經(jīng)B1管嘴輸向起落架收放作動(dòng)器的放下腔，使起落架放下，作用器中油液從B2進(jìn)入雙向液壓鎖，油液通過右側(cè)活門從A2回到回油通路；當(dāng)向起落架收起管路供壓時(shí)，油液由A2進(jìn)入殼體，油液經(jīng)B2進(jìn)入作動(dòng)器，再從B1進(jìn)入殼體，從A1回到回油通路。當(dāng)液壓系統(tǒng)不工作時(shí)，A1和A2管嘴沒有油壓，當(dāng)作動(dòng)器受力使B1或B2存在油壓時(shí)，油壓使左、右球頭活門關(guān)死，作動(dòng)器腔內(nèi)的油液封閉，從而使作動(dòng)器被鎖在固定位置。圖7為雙向液壓鎖實(shí)物圖。

圖6　雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)圖

圖7　雙向液壓鎖實(shí)物圖

3.3　執(zhí)行元件

在該液壓系統(tǒng)中，執(zhí)行元件只有液壓缸，其中起落架收放缸選擇某公司的加粗型，其中外徑為18.5 mm，內(nèi)桿為8 mm，艙門啟閉缸選擇某公司的標(biāo)準(zhǔn)型，其中外徑為14 mm，內(nèi)桿為6 mm。執(zhí)行元件見表1，如圖8所示。

表1　液壓缸選型表

圖8　液壓缸

3.4　油箱

在常規(guī)液壓系統(tǒng)中，通常采用空氣濾清器作為油箱的吸排氣裝置，目的是避免油箱內(nèi)的油液外流，空氣濾清器安裝在油箱的頂部，油箱不能倒置。但是該模型飛機(jī)大機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，油箱可能倒置，因此,不能采用空氣濾清器作為油箱的吸排氣裝置。根據(jù)系統(tǒng)要求，油箱采用特別設(shè)計(jì)，采用薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)，在圖1中，采用單向閥2作為油箱的吸氣裝置，單向閥3作為油箱的排氣裝置。

4　結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的模型飛機(jī)微小型液壓系統(tǒng)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小，可快速啟動(dòng)和頻繁換向，實(shí)現(xiàn)了模型飛機(jī)起落架收放和剎車控制，達(dá)到了安全和使用性能要求，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該液壓系統(tǒng)在地面調(diào)試和空中飛行時(shí)都取得了較好的效果，選用器件和設(shè)計(jì)部件達(dá)到性能和結(jié)構(gòu)要求。

該微小型液壓系統(tǒng)原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠，在航模和小型無人機(jī)上具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]許福玲，陳堯明. 液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]高澤迥, 黃振威.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊—起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社.

[4]李瑰賢,于廣濱,馬良,等.基于模糊故障樹直升機(jī)起落架液壓系統(tǒng)的故障診斷方法研究[J].機(jī)床與液壓,2007,35(5):214-216,219.

[5]唐有才,王占勇,于德會(huì),等.飛機(jī)起落架液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2002,(4):179-180.

[6]吳亞鋒,郭軍.基于AMESim的飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(4):368-371.