前起落架頂升和快速撤離技術(shù)研究

汪趙宏，王小鋒，吳 甜

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)要求前起落架應(yīng)具有自動(dòng)回中功能，主要是為了起飛離地后的信號(hào)邏輯判斷和二次著陸過(guò)程中飛機(jī)的方向穩(wěn)定性，同時(shí)可能影響起落架的收上操作。因此，文獻(xiàn)[1]中的第4.6條款中指出前起落架要進(jìn)行機(jī)輪回中立性能試驗(yàn)，主要用于驗(yàn)證前輪糾偏機(jī)構(gòu)是否具有足夠的糾偏力矩以保證前機(jī)輪能夠在任何位置回到中立位置。上、下凸輪回中技術(shù)在現(xiàn)代飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)中得到了普遍推廣應(yīng)用，回中試驗(yàn)驗(yàn)證中，主要通過(guò)使用液壓千斤頂來(lái)模擬考核，這種方法對(duì)于充填壓力小、活塞面積小的小飛機(jī)因阻滯力作用尚有一定效果，對(duì)于中大型飛機(jī)已越來(lái)越暴露處自身的缺陷性，主要體現(xiàn)在：

（1）起落架頂起后，千斤頂屬于被動(dòng)卸油，取決于活塞桿外伸力負(fù)載；

（2）支柱突伸后，撤離千斤頂?shù)捻憫?yīng)速度遠(yuǎn)低于活塞桿伸出速度；

（3）現(xiàn)代起落架活塞桿底部設(shè)計(jì)有千斤頂球窩，撤離千斤頂需要借助外力方可實(shí)現(xiàn)。

為此，提出前起落架的頂升、轉(zhuǎn)彎和快速撤離技術(shù)，應(yīng)用氣壓傳動(dòng)技術(shù)，通過(guò)氣源帶動(dòng)頂升裝置頂起前起落架，并按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，在到達(dá)指定位置后，通過(guò)反向驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)與起落架的快速撤離。

1 試驗(yàn)要求分析

本技術(shù)主要用于臺(tái)架試驗(yàn)中起落架的頂升、轉(zhuǎn)彎和快速撤離。從使用要求和功能進(jìn)行分析，技術(shù)需要滿足地面載荷的傳遞、轉(zhuǎn)彎驅(qū)動(dòng)和載荷瞬間撤離的要求，其特點(diǎn)必須保證機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定、快速響應(yīng)和位置反饋。通過(guò)采用新技術(shù)使緩沖支柱壓縮至詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的行程使上、下凸輪脫開(kāi)，然后使活塞桿相對(duì)于外筒轉(zhuǎn)動(dòng)至規(guī)定角度，快速撤離頂升裝置后，活塞桿在氣壓作用下自動(dòng)恢復(fù)到中立位置。

按照文獻(xiàn)[1]要求，進(jìn)行前輪回中立性能試驗(yàn)時(shí)，緩沖支柱的充填應(yīng)分別按以下兩種狀態(tài)或試驗(yàn)任務(wù)書(shū)規(guī)定的狀態(tài)進(jìn)行：

（1）正常充氣壓力，正常油液充填量；

（2）90%正常充氣壓力，90%正常油液充填量。

因此，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)比傳統(tǒng)回中試驗(yàn)技術(shù)，綜合分析氣壓作用下活塞桿伸出的物理特性，本文主要解決：

（1）可滿足設(shè)計(jì)要求行程的位置跟蹤和反饋功能；

（2）要確保在撤離頂升裝置后，活塞桿彈出的加速度小于頂升裝置的加速度。

2 系統(tǒng)原理分析

應(yīng)用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的快充、快放技術(shù)，通過(guò)對(duì)氣瓶氣路的通斷和切換實(shí)現(xiàn)頂升和快速撤離機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，其系統(tǒng)原理圖（見(jiàn)圖1）。從圖中1可以看出，當(dāng)需頂起起落架時(shí)，A腔充氣，手動(dòng)切換換向閥17至Ⅱ位，聯(lián)通開(kāi)關(guān)16，并閉合開(kāi)關(guān)閥18，A腔通氣，B腔受壓縮，氣體排放至大氣環(huán)境中，在壓力作用下，缸筒21上移并帶動(dòng)位置反饋器22至設(shè)計(jì)要求位置，此時(shí)，切斷開(kāi)關(guān)閥18并斷路開(kāi)關(guān)16，頂升裝置在內(nèi)置氣壓作用下保持位置固定，實(shí)現(xiàn)起落架頂升；當(dāng)頂起并轉(zhuǎn)動(dòng)至所需角度后，需要快速撤離頂升裝置時(shí)，手動(dòng)切換換向閥17至Ⅲ位，聯(lián)通開(kāi)關(guān)16，并閉合開(kāi)關(guān)閥18，B腔通氣，A腔受壓縮，氣體排放至大氣環(huán)境中。由于在回復(fù)狀態(tài)存在缸筒與基體的剛性撞擊，在裝置的下端設(shè)計(jì)剛度系數(shù)較小的彈簧以避免快速撞擊的危害，實(shí)現(xiàn)頂升裝置的快速撤離。

圖1 前起落架頂升、快速撤離技術(shù)系統(tǒng)原理圖

3 力學(xué)性能分析

起落架頂起是容易實(shí)現(xiàn)的，因此僅對(duì)起落架快速撤離技術(shù)進(jìn)行分析。起落架頂升、轉(zhuǎn)彎到指定位置（角度）時(shí)，頂升裝置與起落架活塞桿組件部分處于相對(duì)平衡狀態(tài)，當(dāng)需快速撤離裝置時(shí)，要確保裝置不會(huì)影響試驗(yàn)有效性和正確性，必須滿足：

（1）撤離瞬間裝置的加速度大于活塞桿組件的加速度；

（2）撤離過(guò)程中裝置與活塞桿組件不允許發(fā)生干涉，要求同步速度差始終要大于零。

因此，裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，需對(duì)活塞桿組件與裝置的力學(xué)性能分別進(jìn)行分析，確保滿足上述條件。

3.1 活塞桿組件力學(xué)性能分析

在頂升裝置頂起起落架到指定行程后，緩沖器受壓縮，此時(shí)，

（1）氣體壓力[2]：

（2）活塞桿組件自身重量：

（3）活塞桿組件的加速度

活塞桿組件在裝置撤離后，在外伸過(guò)程中，氣腔釋放壓力，容積變大，因此，活塞桿組件受氣體的作用的加速度是一個(gè)變加速度（加速度變?。?，同時(shí)，外伸過(guò)程中要考慮活塞桿組件的重力作用以及摩擦力帶來(lái)的阻滯作用。為方便計(jì)算，此處忽略摩擦力帶來(lái)的阻滯作用，其結(jié)果偏保守。

綜合（1）、（2），活塞桿組件的外伸加速度為：

從（3）、（4）可以看出，隨著活塞桿行程的變化，加速度一直在變小，速度也相應(yīng)的增量在變小，考慮到上下凸輪嚙合時(shí)間為1～2 s，因此，分析過(guò)程中采用最大的加速度進(jìn)行分析對(duì)比。

3.2 頂升裝置力學(xué)性能分析

氣瓶在釋放氣體的過(guò)程中，壓力一直在減小，為確保裝置可快速實(shí)現(xiàn)撤離，取頂升裝置回復(fù)到最終位置的氣體壓力為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，計(jì)算最終位置活動(dòng)部件缸體的加速度和速度公式，忽略缸筒之間的摩擦阻滯以及自身產(chǎn)生的重力加速度影響。

3.3 性能對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)活塞桿組件以及頂升裝置的加速度和速度計(jì)算分析，要滿足快速撤離的要求，必須確保：

只有滿足上述條件，才能確保撤離過(guò)程中裝置與活塞桿組件不允許發(fā)生干涉，要求同步速度差始終要大于零。且在計(jì)算分析時(shí)對(duì)主動(dòng)作用和被動(dòng)作用均采用保守分析計(jì)算，工程應(yīng)用可滿足要求。

從（5）中可以看出，起落架初始?jí)毫?、活塞桿面積、壓縮行程以及活塞桿組件質(zhì)量均已知，同時(shí)缸體的質(zhì)量及缸體作用面積均可計(jì)算得出，因此，可計(jì)算得出最終狀態(tài)的氣缸壓力，根據(jù)氣瓶終了顯示壓力，結(jié)合1～2 s時(shí)間內(nèi)上下凸輪嚙合，可視為絕熱過(guò)程，氣瓶充氣壓力可用下式計(jì)算。

4 裝置準(zhǔn)確定位、穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析

在頂起起落架過(guò)程中，由于氣體響應(yīng)快，需控制壓力開(kāi)關(guān)，并需按設(shè)計(jì)要求頂升起落架到指定位置；同時(shí)在快速撤離后，由于缸筒自身的動(dòng)能帶來(lái)的不利影響均應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以克服。

4.1 準(zhǔn)確定位

如圖1所示，在裝置中設(shè)計(jì)位移尺和位置跟蹤器，通過(guò)劃線或示數(shù)，在活塞桿到指定位置后，關(guān)閉開(kāi)關(guān)，切換手動(dòng)換向閥到零位，保證活塞桿頂升位置正確。

4.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析

快速撤離裝置后，為避免缸筒運(yùn)動(dòng)到終了位置時(shí)對(duì)裝置產(chǎn)生有害撞擊，需設(shè)計(jì)末端緩沖，減少撞擊。文中是在缸筒下端設(shè)計(jì)彈簧裝置，與裝置活塞桿固聯(lián)，用以克服有害影響。減少緩沖的方法有很多，也可運(yùn)用氣彈簧作用，在活塞頭越過(guò)排氣孔時(shí)，密閉的小氣腔也可實(shí)現(xiàn)有效緩沖。

5 實(shí)例引證

某型無(wú)人機(jī)前起落架參數(shù)：

活塞桿質(zhì)量為3.2 kg，氣腔初始充氣壓力P0=0.35 MPa，活塞桿直徑d=40 mm，活塞桿全行程SH=125 mm，停機(jī)壓縮行程70 mm.氣腔初始容積V0=183 mL，大氣壓力p=0.1 MPa.

起落架在放下時(shí)最大的瞬時(shí)加速度為

氣缸設(shè)計(jì)參數(shù)：

氣缸運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量m缸=17.6 kg，氣缸活塞直徑d=60 mm；

氣源壓力P源=12 MPa，減壓閥設(shè)定壓力（氣缸工作壓力）P氣=2 MPa，氣瓶容積為40 L，氣缸運(yùn)動(dòng)行程為160 mm（大于前起落架壓縮行程70 mm）。

氣缸在初始運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)加速度最大值為

氣瓶充氣壓力可用如下公式計(jì)算得出

通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)際驗(yàn)證，起落架在撤離過(guò)程中與快撤裝置（氣缸外筒）未發(fā)生干涉現(xiàn)象。

同時(shí)通過(guò)以上計(jì)算過(guò)程可知，對(duì)于前起落架氣腔初始充氣壓力較大的飛機(jī)，需要滿足公式（5），可通過(guò)增大氣缸工作壓力P氣和氣缸直徑d，從而改變氣缸的加速度值，最終滿足快速撤離的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析得出：

（1）給出了前起落架頂升、快速撤離的系統(tǒng)原理和裝置技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，經(jīng)分析，可滿足試驗(yàn)任務(wù)書(shū)以及文獻(xiàn)[1]的要求；

（2）本技術(shù)可作為通用技術(shù)使用，既能保證型號(hào)研制需求，又可作為外場(chǎng)服務(wù)的地勤設(shè)備。