基于氣動(dòng)技術(shù)的飛機(jī)起落架演示儀開發(fā)

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)， 天津 300350)

引言

固定翼飛機(jī)起落架系統(tǒng)是飛機(jī)上最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，其工作性能直接影響到飛機(jī)起飛、著陸的穩(wěn)定性和安全性，其收起和放下過程必須按照嚴(yán)格的順序，執(zhí)行一系列的復(fù)雜動(dòng)作[1-3]。

飛機(jī)起落架系統(tǒng)是航空類專業(yè)航空概論、飛機(jī)構(gòu)造等課程的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。在進(jìn)行飛機(jī)起落架相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中，通過現(xiàn)有的課本、圖片、視頻等教學(xué)手段，很難讓學(xué)生對(duì)固定翼飛機(jī)起落架的構(gòu)成及其工作過程有較好的理解。雖然結(jié)合飛機(jī)起落架實(shí)物進(jìn)行教學(xué)效果會(huì)好一些，但是由于飛機(jī)系統(tǒng)龐大，飛機(jī)上各種元器件、管路、電路復(fù)雜，飛機(jī)起落架的某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)隱藏于狹小空間，依然很難看透、理清起落架系統(tǒng)的各部件及其關(guān)系；而且，真實(shí)起落架體積龐大，價(jià)格昂貴，占地面積大，需要專用車間才能存放，且數(shù)量有限，無法滿足班級(jí)授課要求。演示其工作過程需要將飛機(jī)吊起，給班級(jí)授課帶來較大麻煩?；诖耍狙芯空撌隽嘶跉鈩?dòng)技術(shù)的飛機(jī)起落架演示儀開發(fā)[4-5]。

1 起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

飛機(jī)起落架演示儀主要包括演示儀機(jī)架、艙門及起落架收放演示機(jī)構(gòu)和電氣控制柜3部分?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中1為機(jī)架，2為艙門及起落架收放演示機(jī)構(gòu)，3為電氣控制柜。

圖1 起落架演示儀總體結(jié)構(gòu)

機(jī)架用鋁型材拼接，這種結(jié)構(gòu)無需任何表面噴涂，具有拼接組裝簡便、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。為了便于設(shè)備移動(dòng)，機(jī)架下方裝有4個(gè)萬向腳輪，上方橫梁上裝有2個(gè)鋁合金把手(見圖中6和4所示)。機(jī)架分上下兩層結(jié)構(gòu)：電氣控制柜位于機(jī)架下層，艙門及起落架演示機(jī)構(gòu)位于機(jī)架上層。此外在機(jī)架上層橫梁一側(cè)還裝有操作及狀態(tài)顯示面板(見圖中5所示)。

1.2 演示儀主要參數(shù)

演示儀機(jī)架的結(jié)構(gòu)充分考慮操作便利性，結(jié)合人機(jī)工程理論，將其設(shè)計(jì)為一種便攜式教學(xué)演示儀，其主要參數(shù)如表1所示[6-7]。

表1 演示儀主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 起落架收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定翼起落架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其收起及放下過程必須按照嚴(yán)格的順序執(zhí)行一系列復(fù)雜動(dòng)作。固定翼飛機(jī)起落架收放方式主要有沿縱向收放和沿橫向收放2種。固定翼飛機(jī)前起落架，安裝于機(jī)身段前部，通常采用沿縱向(前后方向)收放方式；主起落架安裝于機(jī)翼下方，通常采用沿橫向(左右方向)收放方式。本研究所述的飛機(jī)起落架演示儀參考民航客機(jī)前起落架結(jié)構(gòu)[8-9]。

飛機(jī)前起落架的收放機(jī)構(gòu)，主要包括艙門開啟關(guān)閉機(jī)構(gòu)和起落架收起放下機(jī)構(gòu)及其安全保護(hù)機(jī)構(gòu)。

1) 艙門機(jī)構(gòu)

固定翼前起落架艙門由主艙門和副艙門組成:主艙門在起落架收起及放下過程中打開，起落架收起或放下完成后主艙門關(guān)閉；副艙門在起落架收起完成后關(guān)閉，其余狀態(tài)下均是打開。

本研究所開發(fā)的飛機(jī)起落架演示儀的艙門結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右2個(gè)主艙門分別通過合頁鉸接于機(jī)身段兩側(cè)的側(cè)邊縱向梁，主艙門驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁側(cè)邊和主艙門，主艙門驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動(dòng)主艙門的開啟與關(guān)閉。副艙門通過合頁鉸接于其中1個(gè)主艙門，副艙門驅(qū)動(dòng)氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于該副艙門所安裝的主艙門及副艙門，副艙門驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動(dòng)副艙門的開啟與關(guān)閉。

1.主艙門 2.主艙門驅(qū)動(dòng)氣缸 3.機(jī)身段側(cè)邊縱向梁 4.機(jī)身段中心縱向梁 5.副艙門驅(qū)動(dòng)氣缸 6.副艙門圖2 艙門結(jié)構(gòu)

2) 起落架收放機(jī)構(gòu)

固定翼飛機(jī)的起落架收放機(jī)構(gòu)主要功能是完成起落架的收起與放下，以及在收起狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)起落架在收起位置的鎖定(上位鎖)和在放下狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)起落架在放下位置的鎖定(下位鎖)。

飛機(jī)起落架演示儀的起落架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

起落架主體上端通過銷軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁下方，起落架收放驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別鉸接于起落架下方的機(jī)輪支架和機(jī)身段中心縱向梁下方另一側(cè)，起落架收放氣缸活塞桿的伸出和縮回即可驅(qū)動(dòng)起落架的放下與收起。

1.起落架本體 2.機(jī)身段中心縱向梁 3.起落架下位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸 4.起落架下位鎖 5.起落架上位鎖 6.起落架上位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸 7.起落架收放驅(qū)動(dòng)氣缸圖3 起落架結(jié)構(gòu)

與民航客機(jī)結(jié)構(gòu)一樣，該演示儀起落架上位鎖采用掛鉤式結(jié)構(gòu)，掛鉤鎖下方有掛鉤銷子，起落架機(jī)輪支架上有掛鉤，掛鉤鎖中部通過銷軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁上方，上位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于掛鉤鎖上端和機(jī)身段中心縱向梁上方。當(dāng)起落架處于收起位置時(shí)，通過上位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回，即可驅(qū)動(dòng)掛鉤鎖逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)掛鉤與掛鉤銷子的掛上與脫開，完成上位鎖的上鎖與解鎖[10]。

起落架下位鎖采用撐桿鎖結(jié)構(gòu)，如圖4所示。撐桿鎖由上撐桿2和下?lián)螚U1通過銷軸鉸接而成，上撐桿與下?lián)螚U之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開，當(dāng)完全打開后兩撐桿夾角呈圖示鈍角位置，在兩撐桿鉸接處有機(jī)械限位裝置，使得該位置為其轉(zhuǎn)角極限位置。上撐桿中部通過銷軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁上方，下?lián)螚U另一端通過銷軸鉸接于起落架機(jī)輪支架，下位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于上撐桿另一端和機(jī)身段中心縱向梁上方。當(dāng)起落架處于放下位置時(shí)，通過下位鎖氣缸活塞桿的伸出與縮回，可實(shí)現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開，即實(shí)現(xiàn)下位鎖的解鎖與上鎖。

圖4 撐桿鎖結(jié)構(gòu)

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

民航客機(jī)起落架收起過程動(dòng)作順序?yàn)椋褐髋撻T開啟；下位鎖解鎖；起落架收起；上位鎖上鎖；主艙門關(guān)閉；副艙門關(guān)閉。其放下過程動(dòng)作順序?yàn)椋褐髋撻T開啟；副艙門開啟；上位鎖解鎖；起落架放下；下位鎖上鎖；主艙門關(guān)閉。在收放過程中，必須嚴(yán)格按照上述動(dòng)作順序完成。與民航客機(jī)一樣，飛機(jī)起落架演示儀演示起落架收放過程時(shí)，也需要執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。飛機(jī)起落架演示儀的所有演示動(dòng)作采用氣缸驅(qū)動(dòng)，其氣動(dòng)控制系統(tǒng)包括氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。

2.1 氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)

氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)用于對(duì)驅(qū)動(dòng)上述動(dòng)作的氣缸的控制，即控制其活塞桿的伸出與縮回，氣動(dòng)控制回路圖如圖5所示。

該系統(tǒng)共有6個(gè)雙作用氣缸，由5個(gè)雙電二位五通電磁換向閥控制其換向。其中，由于左右艙門執(zhí)行的是同時(shí)完成的動(dòng)作，故左右艙門共用1個(gè)換向閥。每個(gè)氣缸配置節(jié)流閥，均按照排氣節(jié)流配置。在每個(gè)氣缸缸筒兩端安裝磁性開關(guān)(S1～S12)，磁性開關(guān)的位置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)位置對(duì)應(yīng)，分別用于檢測(cè)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)，該信號(hào)代表所控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是否完成到位。在起落架收放過程中，通過該信號(hào)控制起落架收放過程中的動(dòng)作順序[10]。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

起落架演示儀的電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)控制回路中電磁閥的控制以及系統(tǒng)的操作、保護(hù)、狀態(tài)顯示等功能，其電氣系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)選用S7-200 系列PLC控制，PLC的CPU為224XP；并配置擴(kuò)展模塊EM223。 PLC輸入信號(hào)主要包括：系統(tǒng)操作指令，經(jīng)操作面板按鈕輸入；各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)安裝于氣缸的磁性開關(guān)輸入；氣源壓力信號(hào)，經(jīng)安裝于氣源的壓力變送器輸入。PLC輸出信號(hào)主要包括：電磁閥電磁鐵通/斷電：根據(jù)輸入狀態(tài)信號(hào)，控制電磁閥相應(yīng)電磁鐵的通/斷電；狀態(tài)信號(hào)顯示：將當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)輸出至操作面板上的指示燈。 起落架演示儀用于課堂演示飛機(jī)起落架的收放過程，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，其收放過程有兩種工作模式：自動(dòng)工作模式與手動(dòng)工作模式。在自動(dòng)模式下，按下收起或放下按鈕，起落架系統(tǒng)就會(huì)按照程序設(shè)定動(dòng)作順序，依次完成起落架收起或放下過程中的各個(gè)動(dòng)作[11-12]。當(dāng)動(dòng)作全部完成后， 通過指示燈顯示起落架的當(dāng)前狀態(tài) (即收起完成或放下完成)。自動(dòng)模式下運(yùn)行起落架收起或放下之前，起落架必須是處于對(duì)應(yīng)的放下完成或收起完成狀態(tài)；否則必須通過手動(dòng)模式將起落架復(fù)位到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。自動(dòng)模式的演示，與飛機(jī)正常工作時(shí)的工作流程完全一致。手動(dòng)模式用于單步演示飛機(jī)起落架的收放動(dòng)作，通過按下相應(yīng)操作按鈕，每次執(zhí)行一步相應(yīng)動(dòng)作。由于飛機(jī)起落架收放過程中所執(zhí)行的每一步動(dòng)作都是有前提條件的，這個(gè)前提條件就是其它各個(gè)機(jī)構(gòu)處于對(duì)應(yīng)的位置狀態(tài)。為了保護(hù)起落架機(jī)構(gòu)，在手動(dòng)模式下，如果相關(guān)機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)不滿足執(zhí)行該動(dòng)作的條件，即使按下執(zhí)行該動(dòng)作按鈕，該動(dòng)作也不會(huì)執(zhí)行。例如：艙門關(guān)閉狀態(tài)下，即使按下起上位鎖開鎖的單步指令，該下位鎖也不會(huì)打開。因此，手動(dòng)模式亦可用于起落架工作流程及原理結(jié)構(gòu)的考核。

圖5 氣動(dòng)控制回路圖

圖6 PLC控制系統(tǒng)電路圖

3 結(jié)論

本研究所開發(fā)的飛機(jī)起落架演示儀已在我校飛機(jī)構(gòu)造、航空概論、飛機(jī)液壓系統(tǒng)等課程中得到成功應(yīng)用。該設(shè)備的應(yīng)用，不僅能有效解決學(xué)生在學(xué)習(xí)飛機(jī)起落架的工作過程、原理、結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)及其控制等知識(shí)上的困惑，而且顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的教學(xué)效果。