某型飛機(jī)護(hù)板作動筒開鎖壓力研究與分析

丁允停，鐘小宏，許 磊

（1.空裝駐上海地區(qū)軍事代表局，中國 上海，200030；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

飛機(jī)起落架系統(tǒng)包括起落架和起落架護(hù)板，起落架和護(hù)板的收放都依賴于作動筒。由于起落架和護(hù)板在收上和放下狀態(tài)需要鎖定，故常常采用帶機(jī)械內(nèi)鎖的作動筒，通過機(jī)械內(nèi)鎖，將作動筒活塞桿牢固地固定在特定位置。采用該種帶內(nèi)鎖的作動筒，不需要單獨設(shè)置護(hù)板上位鎖，在滿足功能的前提下簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間、減輕機(jī)體重量。

作動筒內(nèi)鎖開鎖壓力的設(shè)計是作動筒內(nèi)鎖設(shè)計的關(guān)鍵。 通常來說，作動筒開鎖壓力需要與飛機(jī)系統(tǒng)相匹配，開鎖壓力不宜過小，否則會出現(xiàn)作動筒在正常上鎖后因系統(tǒng)回油壓力過大而誤開鎖的情況；而作動筒開鎖壓力過大，則會使作動筒開鎖困難，特別是在采用氣動驅(qū)動時更加明顯。 因此，本文針對某型機(jī)前機(jī)輪護(hù)板作動筒，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，對作動筒開鎖壓力進(jìn)行研究與分析，獲取影響作動筒開鎖壓力的主要參數(shù)，提出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，提高作動筒開鎖壓力穩(wěn)定性，并通過試驗進(jìn)行相應(yīng)驗證。

1 前護(hù)板作動筒分析

1.1 前護(hù)板作動筒結(jié)構(gòu)

某型機(jī)前護(hù)板作動筒結(jié)構(gòu)主要由外筒、活塞、活塞桿、卡圈、頂圈、支撐襯套、螺栓、鋼球、彈簧等零件組成，鋼球安裝在活塞、活塞桿的安裝孔內(nèi)，詳見圖1。

1.2 作動筒開鎖工作原理

前護(hù)板作動筒為單活塞桿結(jié)構(gòu)，由于護(hù)板收上位置和放下位置都需要鎖定，所以上、下位置均帶鋼球鎖。 具體原理如下：如圖1、圖2 所示，作動筒上位鎖開鎖時，液壓油由管嘴A 進(jìn)入，液壓油推動活塞及活塞桿，液壓推動活塞斜面擠壓大鋼球，大鋼球推動頂圈，使兩頂圈分開，壓縮彈簧，鋼球進(jìn)入兩個頂圈之間；同時活塞帶動小鋼球，小鋼球受力作用沿卡圈斜面滑動或滾動而下，最后越過卡圈，活塞與活塞桿從鎖住位置脫離完成上位鎖開鎖。下位鎖（活塞桿伸長位置）開鎖與上位鎖（收縮位置）開鎖同理。

圖1 前護(hù)板作動筒結(jié)構(gòu)圖（作動筒縮進(jìn)狀態(tài)）

圖2 作動筒開鎖原理

2 開鎖壓力分析

由于作動筒上位鎖、下位鎖結(jié)構(gòu)基本一致，本文以作動筒上位鎖（活塞桿收縮位置）結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合彈簧力和摩擦力，對作動筒開鎖壓力進(jìn)行分析。

2.1 開鎖時受力分析

通過對作動筒結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)作動筒開鎖時，液壓推動活塞，活塞同時與大小鋼球作用：斜面擠壓大鋼球、端面擠壓小鋼球。 作動筒開鎖主要需要克服以下大鋼球和小鋼球與各零件間的作用力：小鋼球與活塞桿接頭、卡圈之間的靜摩擦力，大鋼球與兩個頂圈間的摩擦力，活塞與外筒間的摩擦力，活塞與活塞桿間的摩擦力，以及彈簧的壓縮力。

2.1.1 大鋼球開鎖時受力分析

如圖3 所示為開鎖時大鋼球受力圖。

圖3 大鋼球受力圖

根據(jù)受力平衡得

支撐力中，F(xiàn)最大， 則臨界狀態(tài)時，F(xiàn)和 F的摩擦力為滑動摩擦力，F(xiàn)為靜摩擦力，即

其中，μ 為摩擦系數(shù)。

設(shè)N 為開鎖壓力，T 為彈簧壓力，鋼球數(shù)目為n，則

故由上可得

2.1.2 小鋼球開鎖時受力分析

如圖4 所示為開鎖時小鋼球受力圖。

根據(jù)受力平衡得：

圖4 小鋼球受力圖

支撐力中，F(xiàn)為主動力，則臨界狀態(tài)時，F(xiàn)和F的摩擦力為滑動摩擦力，F(xiàn)為靜摩擦力，即：

2.1.3 綜合分析

設(shè)液壓壓力為P，活塞桿有效面積S，活塞有效面積 S，則

所以可求得

2.2 開鎖壓力影響參數(shù)

由式（22）可知，影響開鎖壓力的參數(shù)包括：彈簧壓力T、活塞與大鋼球接觸面夾角α、頂塊斜面夾角α、活塞桿斜面夾角α和卡圈斜面夾角α及摩擦系數(shù)μ。

2.2.1 鋼球接觸面角度

由圖5 可知，開鎖過程中，大、小鋼球與活塞或卡圈首先是在斜面上發(fā)生接觸，隨后鋼球的運動接觸點會轉(zhuǎn)移至圓角上， 當(dāng)鋼球與活塞或鋼球與卡圈的接觸點位于圓角上， 也會使得活塞或卡圈的接觸斜面角度α和α變大。 鋼球在活塞或卡圈圓角上運動的過程，相當(dāng)于活塞或卡圈的等效斜面角度α和α逐漸變大。

圖5 大小鋼球相關(guān)配合尺寸示意圖

通過計算，開鎖壓力隨卡圈斜面角度變化的曲線如圖6、圖7 所示，卡圈與小鋼球斜面角度、活塞與大鋼球斜面角度的變化能影響開鎖壓力，當(dāng)斜面等效角度增大時，開鎖壓力隨之減小。因此，增大卡圈等斜面角度，有如下效果：

1） 其余條件相同時，能減小開鎖壓力；

2） 能使開鎖壓力——鋼球摩擦系數(shù)之間對應(yīng)曲線更平緩。

圖6 開鎖壓力隨卡圈斜面角度變化的曲線

2.2.2 彈簧力

彈簧力為決定開鎖力大小的重要因素。在不考慮摩擦力的情況下， 開鎖機(jī)構(gòu)各接觸面角度為理論值45°，由式（22）計算得到，作動筒開鎖壓力與彈簧力符合如下關(guān)系：

式中P 為開鎖壓力，T 為彈簧力，S為活塞有效液壓面積?？梢婇_鎖壓力與彈簧力成正比，作動筒開鎖壓力大小與彈簧力大小直接相關(guān)。

圖7 開鎖壓力隨活塞斜面角度變化的曲線

如圖8 所示，活塞作用的有效面積：

圖8 前護(hù)板作動筒活塞有效面積

如圖9 所示， 自由狀態(tài)時彈簧的長度為22 mm，所選彈簧為標(biāo)準(zhǔn)件 HB3-53-2.5×13×22-II，數(shù)模理論彈簧（19.3mm）的開鎖壓縮量為ΔL=22-19.3+1.7=4.4mm。

圖9 彈簧示意圖

根據(jù)彈簧標(biāo)準(zhǔn)件號，查《飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件手冊》第266頁續(xù)表 2-113 中可得：T=316N，f=1mm。

由《飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件手冊》第258 頁表2-106 中計算公式 6 和公式 10 可得： 彈簧自由長度 H=t·n+（nz-0.5） d（d≤3 取 nz=2.5）；

查標(biāo)準(zhǔn)件手冊p265，t=3.4

故：22=3.4n+2×2.5

n=5 圈

則數(shù)模理論開鎖狀態(tài)時彈簧的彈簧力為：

不考慮摩擦力的情況下， 對應(yīng)的開鎖壓力：P=1.4MPa；

當(dāng)彈簧理論長度調(diào)至 20 時，ΔL=22-20+1.7=3.7mm，彈簧的彈簧力為：

不考慮摩擦力的情況下， 對應(yīng)的開鎖壓力：P=1.2MPa。

2.2.3 開鎖壓力與摩擦系數(shù)、彈簧力之間關(guān)系

綜合小鋼球和大鋼球處的受力情況，結(jié)合作動筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得到作動筒開鎖壓力與摩擦系數(shù)、彈簧力變化的關(guān)系，如圖10 所示。

圖10 上位鎖開鎖壓力隨摩擦系數(shù)變化的關(guān)系

由圖10 可見，隨著摩擦系數(shù)、彈簧力的變化，作動筒上位鎖開鎖壓力發(fā)生相應(yīng)變化，具體如下：

1） 彈簧力越大，隨著摩擦系數(shù)變化，開鎖壓力曲線變化更急劇，開鎖壓力更不穩(wěn)定；

2） 彈簧力越小，隨著摩擦系數(shù)變化，開鎖壓力曲線變化更平緩，開鎖壓力更穩(wěn)定。

查詢《新編液壓工程手冊》中，推薦鋼-鋼之間的滑動摩擦系數(shù)取0.05～0.1；如圖10，當(dāng)大鋼球和小鋼球的摩擦系數(shù)都取0.1 時：

（1） 當(dāng)彈簧力為 315N 時， 實際開鎖壓力為7MPa；

（2） 當(dāng)彈簧力為 200N 時， 實際開鎖壓力為4MPa；

（3） 當(dāng)彈簧力為 100N 時， 實際開鎖壓力為2MPa。

作動筒實際裝配時，各部件裝配差異、鋼球相對位置變化等因素都會使得摩擦系數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)作動筒裝配偏差較大時，其摩擦系數(shù)變化范圍要大于裝配偏差較小的作動筒，其受到的摩擦力范圍值也要大于裝配偏差較小的作動筒。

因此，當(dāng)作動筒裝配偏差較大導(dǎo)致摩擦系數(shù)處于偏大范圍值時，開鎖壓力更不穩(wěn)定，因此減小彈簧力是降低和穩(wěn)定開鎖壓力（避免開鎖壓力過大）的有效措施，同時增加作動筒開鎖機(jī)構(gòu)裝配精度要求也可避免摩擦力范圍出現(xiàn)較大偏差。

3 開鎖壓力試驗

前護(hù)板作動筒理論要求的最小開鎖壓力 （液壓）為1.3MPa～2.2MPa，為了驗證卡圈等效角度和彈簧力對開鎖壓力性能的影響，將作動筒分別裝配不同的卡圈試驗件后進(jìn)行開鎖壓力試驗驗證。

主要驗證目的：

1） 卡圈與鋼球配合斜面角度（θ=45°、50°、55°）對開鎖壓力的影響（如圖11）；

圖11 卡圈與鋼球配合面角度示意圖

2） 卡圈圓角 R（R=1、R=2）對開鎖壓力的影響，如表1 所示，共6 組卡圈；

3） 彈簧預(yù)壓縮量（長度）對開鎖壓力的影響。

表1 卡圈編號

試驗結(jié)果見圖12 和圖13。

圖12 不同試驗件氣壓最小開鎖壓力示意圖

圖13 不同試驗件液壓最小開鎖壓力對比圖

通過上述試驗，可以得出以下結(jié)論：

1） 卡圈斜面角度θ、 倒圓角R 對開鎖壓力存在影響，卡圈斜面角度θ 增大，作動筒最小開鎖壓力相應(yīng)減??；倒圓角R 增大，作動筒最小開鎖壓力相應(yīng)減小。 從試驗結(jié)果來看，卡圈斜面角度θ=45°，倒圓角R=2 比較合理，氣壓和液壓開鎖壓力都比較穩(wěn)定；

2） 調(diào)整彈簧壓縮量對前護(hù)板作動筒開鎖壓力大小和穩(wěn)定性有直接影響，所以對于前護(hù)板作動筒開鎖壓力調(diào)試，彈簧長度調(diào)整是關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

本文通過研究分析和試驗驗證， 采用鋼球機(jī)械內(nèi)鎖的作動筒開鎖壓力主要與內(nèi)鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、鋼球與機(jī)構(gòu)間摩擦力和彈簧預(yù)壓力有關(guān)：

1）增大卡圈與小鋼球接觸面角度，增大活塞與大鋼球接觸面角度都可以有效減小作動筒開鎖壓力；

2） 減小彈簧預(yù)壓力可以有效減小作動筒開鎖壓力，且調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓力是調(diào)節(jié)作動筒開鎖壓力的最直接方式。 采用較小的彈簧預(yù)壓力，鋼球摩擦系數(shù)變化時，開鎖壓力變化更平穩(wěn)。