某型飛艇儲(chǔ)能式氣壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

蘇小東 張猛 張常東

摘 要：本文為解決某型飛艇動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)飛艇運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能式氣壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)并試驗(yàn)驗(yàn)證。其選用高摩擦系數(shù)材料保證足夠的摩擦力矩，并采用低成本空氣源作為驅(qū)動(dòng)能源，具有良好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。為后續(xù)制動(dòng)研究提供了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：飛艇;氣壓制動(dòng);制動(dòng)試驗(yàn)

1.引言

飛艇是利用輕于空氣的氣體來(lái)產(chǎn)生靜升力的空中搭載平臺(tái)[1]。某型飛艇在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的振動(dòng)影響飛艇運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。因此，有必要對(duì)飛艇動(dòng)力矢量轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行鎖緊。

2.氣壓制動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1原理和組成

飛艇安裝空間及重量有限，選用結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕便的蹄片式轂剎，且將制動(dòng)液壓源改為經(jīng)濟(jì)性好的空氣，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。制動(dòng)轂剎底盤作為定盤固定在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝框架上，轂剎動(dòng)盤固定在轉(zhuǎn)向管上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，排氣閥關(guān)閉，高壓空氣由氣瓶通過(guò)高壓管路作用于轂剎氣缸，達(dá)到快速制動(dòng)轉(zhuǎn)向管的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)氣閥關(guān)閉，排氣閥開(kāi)啟。

制動(dòng)轂剎雙蹄片制動(dòng)力矩限制在Tf≈1000N?m，單瓶高壓氣源可提供的制動(dòng)次數(shù)不小于10次。

2.2分析與設(shè)計(jì)

2.2.1制動(dòng)轂剎

制動(dòng)機(jī)構(gòu)受力分析見(jiàn)圖1。理論上對(duì)制動(dòng)蹄摩擦面的壓力分布規(guī)律作分析可推導(dǎo)出蹄片上任意一點(diǎn)壓力及沿摩擦片全長(zhǎng)總的摩擦力矩公式[2]：q=q0?sin;;式中：q0為制動(dòng)蹄片最大壓力;為制動(dòng)蹄片摩擦片下端與豎直方向的夾角，其中1=π?6，2=5π?6;Tf為蹄片制動(dòng)力矩，單個(gè)蹄片制動(dòng)力矩Tf≈500N?m;f為摩擦系數(shù)，f=0.35;R為制動(dòng)蹄片半徑，設(shè)計(jì)R=114.3mm。計(jì)算q0="63131.9N" 。由力矩平衡分析[2]：;式中：P為氣動(dòng)氣缸柱塞張力;M為制動(dòng)蹄片支承點(diǎn)到圓心得距離，M=90mm;h為制動(dòng)蹄片支承點(diǎn)到作用力的距離，h=173mm。計(jì)算P="2666.5" N。

綜合選用氣動(dòng)氣缸缸徑23mm;雙柱塞行程5mm;工作壓力不小于10MPa;雙柱塞速度2.5m/s的低速氣缸。

2.2.2高壓氣源

選定安全可靠的空氣作為氣壓源。氣壓制動(dòng)的過(guò)程中，由質(zhì)量守恒：pi×V0+pa×（Vqg+Vgl ）=pi+1×（V0+Vqg+Vgl ）

式中：pi為第i次放氣后高壓氣瓶的壓力;pa為制動(dòng)轂剎氣缸及管路初始?jí)毫Γ?biāo)準(zhǔn)大氣壓：pa=101325Pa）;V0為高壓氣瓶容積;Vqg為制動(dòng)轂剎氣缸容積，滿行程時(shí)容積Vqg=4.52389×10-6 m3;Vgl為高壓管路容積，Vgl=7.53982×10-5 m3。

為滿足轂剎制動(dòng)需求，設(shè)計(jì)高壓氣瓶初始?jí)毫0=15MPa，高壓氣瓶第10次放氣制動(dòng)后，其氣壓p10≥10MPa，其他項(xiàng)按技術(shù)指標(biāo)計(jì)算可知：V0≥4.25×10-3 m3，高壓氣瓶容積余量系數(shù)取ε=2，即高壓氣瓶容積V=εV0=8.5×10-3 m3。

綜合選定高壓氣瓶為L(zhǎng)C8.5-15A型鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，參數(shù)如為[3]：額定容積8.5L，公稱外徑171mm，公稱長(zhǎng)度512mm，公稱重量3.8kg，額定工作壓力15MPa。

2.2.3高壓管路及附件

設(shè)計(jì)選用高壓管路直徑d=4mm，滿足密封和壓力要求。附件進(jìn)排氣閥選用耐高壓P≥15MPa、溫度范圍-40℃～+50℃的雙柱塞直通閥。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

開(kāi)展制動(dòng)力矩試驗(yàn)及制動(dòng)次數(shù)試驗(yàn)。

當(dāng)氣瓶壓力的變化范圍為20MPa～5MPa時(shí)（每次間隔2.5MPa）進(jìn)行制動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的制動(dòng)力矩測(cè)試：壓力降至17.5MPa時(shí)，力矩為3261N·m（判定合格）;壓力降至9.8MPa時(shí)，力矩為1600N·m（判定合格）;壓力降至7.5MPa時(shí)，力矩為950N·m（判定不合格）。即當(dāng)氣瓶壓力降至10MPa及以下，大于7.5MPa的某一值，鎖緊機(jī)構(gòu)的制動(dòng)力矩不小于1000N·m。試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。對(duì)單瓶高壓氣源進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試，氣壓由15MPa降至10MPa的測(cè)試其制動(dòng)次數(shù)及制動(dòng)力矩。由試驗(yàn)結(jié)果分析，單瓶高壓氣源充放氣總次數(shù)達(dá)30次且制動(dòng)力矩均不小于1000N·m，滿足要求。

4結(jié)論

1）氣壓制動(dòng)機(jī)構(gòu)功能滿足要求;重量輕便，僅18.5kg;制動(dòng)力矩隨高壓氣瓶不同壓力成線性變化，穩(wěn)定可靠;制動(dòng)次數(shù)余量充足，性能指標(biāo)超出預(yù)期。

2）用氣缸驅(qū)動(dòng)替代液壓缸驅(qū)動(dòng)的形式，具有較好的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)

[1]基里林·阿列克桑德拉·尼卡拉伊維奇.現(xiàn)代飛艇設(shè)計(jì)導(dǎo)論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[2]劉惟信. 汽車制動(dòng)系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]全纏繞復(fù)合氣瓶產(chǎn)品手冊(cè) 北京天海工業(yè)有限公司90D7F795-1993-46CD-9DA9-EE759C18A4AA