民用飛機(jī)氣彈簧設(shè)計(jì)分析

唐行微

【摘 要】氣彈簧是性能可靠和安裝方便的定制結(jié)構(gòu)件，相對(duì)于民機(jī)上使用的傳統(tǒng)機(jī)械彈簧單元在重量上具備優(yōu)勢(shì)。本文介紹了氣彈簧的組成結(jié)構(gòu)和工作方式，通過(guò)民用飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)中的工程實(shí)例簡(jiǎn)要描述了在民機(jī)艙門上氣彈簧設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)CATIA仿真來(lái)模擬氣彈簧的安裝及運(yùn)行來(lái)優(yōu)化氣彈簧的各項(xiàng)基本參數(shù)，并且給出了民機(jī)氣彈簧的可靠性計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】氣彈簧；民機(jī)艙門；可靠性

0 前言

氣彈簧是一種可以實(shí)現(xiàn)支撐、緩沖、制動(dòng)、高度及角度調(diào)節(jié)等功能的零件，在工程機(jī)械中，主要應(yīng)用于雷達(dá)罩、口蓋、艙門等部位。氣彈簧主要由活塞桿、活塞、密封導(dǎo)向套、填充物、壓力缸和接頭等部分組成，在密閉的缸體內(nèi)充入和外界大氣壓有一定壓差的惰性氣體或者油氣混合物，進(jìn)而利用在活塞桿橫截面上的壓力差完成氣彈簧自由運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，惰性氣體、油液通過(guò)活塞上的阻尼孔時(shí)產(chǎn)生阻尼作用，控制氣彈簧的運(yùn)行速度，其運(yùn)行速度相對(duì)緩慢、動(dòng)態(tài)力變化不大。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)艙門設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用彈簧作為機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)的一部分單元，通常用于提供手柄回彈的回復(fù)力，機(jī)構(gòu)運(yùn)作的助力以及防止機(jī)構(gòu)意外運(yùn)動(dòng)的過(guò)中心阻力。其中用于提供助力和阻力的彈簧通常為壓縮彈簧，艙門設(shè)計(jì)中通常采用傳統(tǒng)機(jī)械彈簧，這種設(shè)計(jì)存在兩方面的劣勢(shì)：一是傳統(tǒng)機(jī)械彈簧其材料通常為321固溶鋼或者15-5PH不銹鋼，在重量上需要付出一定代價(jià)，二是目前航空領(lǐng)域彈簧制造主要通過(guò)輔助工具手工彎制，其實(shí)際力學(xué)性能通常與設(shè)計(jì)目標(biāo)存在一定差異且不穩(wěn)定。氣彈簧由于其安裝方便，工作平穩(wěn)，使用安全，成為汽車和機(jī)械制造等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)配件。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械彈簧，定制氣彈簧在確保滿足設(shè)計(jì)需求和重量上具備明顯的優(yōu)勢(shì)，艙門機(jī)構(gòu)中使用的多處彈簧單元均可使用氣彈簧來(lái)替代。

本文根據(jù)實(shí)際艙門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及氣彈簧在艙門上的具體應(yīng)用，對(duì)安裝在艙門上的氣彈簧的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析和研究，給出了具體艙門氣彈簧的設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)對(duì)于民機(jī)艙門在使用條件及可靠性方面做了基本的分析。

1 工程實(shí)例

某型民用飛機(jī)設(shè)計(jì)艙門重量為8.39kg。艙門重心與鉸鏈臂中心轉(zhuǎn)軸的距離為：360.367mm。由于門體、鉸鏈臂（門體進(jìn)行開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)的中心） 和氣彈簧構(gòu)成一個(gè)杠桿系統(tǒng)。在門打開(kāi)過(guò)程中，通過(guò)門體本身重力和氣彈簧阻力的雙重作用，控制門下降速度門在完全打開(kāi)位置時(shí)，伸展到極限程度。

根據(jù)周邊結(jié)構(gòu)的實(shí)際可安裝空間情況確定使用兩個(gè)氣彈簧，并將氣彈簧的完全壓縮力初步設(shè)計(jì)為門體重量的3 倍左右，考慮摩擦力等影響，將氣彈簧的完全壓縮力初步確定為300N。

下圖為飛機(jī)航截面投影面，兩側(cè)氣彈簧的安裝相對(duì)于門體對(duì)稱面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。所示點(diǎn)A為氣彈簧與鉸鏈臂連接點(diǎn)的位置需要確定氣彈簧在機(jī)身上的安裝點(diǎn)，根據(jù)門體本身尺寸考慮選取氣彈簧安裝尺寸為260mm，將氣彈簧安裝角度設(shè)定為與水平位置成12°，則確定出與機(jī)身相連接的安裝點(diǎn)B，如下圖點(diǎn)B所示。

根據(jù)氣彈簧及壓縮氣彈簧的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在氣彈簧舉力為300N時(shí)，將缸筒直徑初步定為φ22mm，導(dǎo)桿直徑為φ10mm。門完全打開(kāi)與完全關(guān)閉時(shí)角度為82度，此時(shí)A點(diǎn)轉(zhuǎn)至A點(diǎn)，則氣彈簧長(zhǎng)度伸展為AB=318.171，參考下圖3。

根據(jù)上面的分析初步確定氣彈簧總長(zhǎng)度為320mm，即設(shè)計(jì)行程為60mm。根據(jù)此處鉸鏈臂的結(jié)構(gòu)形式，確定氣彈簧的兩端接頭形式，與艙門鉸鏈臂連接處，在耳片與氣彈簧之間安裝球軸承；同樣在支座和氣彈簧之間也安裝球軸承，如下圖4所示。

在完成初步設(shè)計(jì)之后，通過(guò)CATIA的運(yùn)動(dòng)仿真功能，將初步設(shè)計(jì)的氣彈簧與門體周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，保證在艙門打開(kāi)過(guò)程中，氣彈簧的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到卡滯，并選取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行投影運(yùn)算分析力值情況，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，最終確認(rèn)下來(lái)總長(zhǎng)為235mm，運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度為75mm。

2 氣彈簧可靠性分析

民用飛機(jī)的可靠性分析要求在飛機(jī)研制階段對(duì)各個(gè)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量的估計(jì)，根據(jù)歷史產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、系統(tǒng)的工作環(huán)境等因素估計(jì)系統(tǒng)的可靠性。其主要用途為可以將預(yù)計(jì)結(jié)果與要求的可靠性指標(biāo)相比較，從而評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)要求提出的可靠性指標(biāo)能否夠達(dá)到，并進(jìn)一步在設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，采取改進(jìn)措施，此外也為安全性評(píng)估提供定量計(jì)算的依據(jù)。在本文中工程實(shí)例要求的氣彈簧的失效概率必須低于1E-5，對(duì)于民機(jī)而言考慮的是其簽派可靠性PCF。

PCF=QTYCZ×λCAD×TAF×DIFF

其中QTYCZ為組件數(shù)量，λCAD為組件Z導(dǎo)致簽派中斷的失效率，即組件所有可能的失效中，能導(dǎo)致簽派中斷的失效率，該值通過(guò)計(jì)算獲得。TAF為飛行和滑跑階段的平均時(shí)間。DIFF是飛行和滑跑階段的簽派中斷因子，改質(zhì)是通過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算獲得的。

λCAD=λC×FDD

其中λC表示單個(gè)組件的失效率，而FDD表示失效探測(cè)因子，這兩個(gè)參數(shù)要求將氣彈簧組件按照其組成形式分解成各個(gè)小零件，包括活塞桿、缸體，接頭等部分，根據(jù)各個(gè)零件的不同分類確定其失效探測(cè)因子，并根絕各零件固有的失效數(shù)據(jù)，按上述公式計(jì)算，即可得到用于分析氣彈簧組件可靠性的定量評(píng)估數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

本文介紹了氣彈簧基本組成和工作原理，結(jié)合某型飛機(jī)艙門的工程實(shí)力通過(guò)研究氣彈簧的運(yùn)動(dòng)范圍和安裝位置，通過(guò)計(jì)算和仿真的方式進(jìn)行氣彈簧的設(shè)計(jì)和選型。同時(shí)對(duì)于氣彈簧在民機(jī)上使用中需要考慮的可靠性分析給出了計(jì)算的方式和定量的要求。對(duì)于氣彈簧在民機(jī)上的設(shè)計(jì)和使用提供了參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方益奇.氣彈簧的剛度計(jì)算與安裝位置研究[J].機(jī)床與液壓，2010（4）：70-71.

[2]李亮輝.淺析工程機(jī)械用氣彈簧的設(shè)計(jì)選型[J].工程機(jī)械，2013（6）：37-38.

[3]溫號(hào)，王小東.方艙艙門的氣彈簧選型安裝設(shè)計(jì)[J].專用汽車，2010（10）：50-52.

[責(zé)任編輯：湯靜]