一種機械操縱系統(tǒng)操縱器件運動角度分析

趙杰彥

摘? 要：該文主要分析了一種機械式操縱系統(tǒng)的操縱器件運動角度與操縱力之間的關系，并且給出一種計算分析方法。機械式的操縱系統(tǒng)，飛行時飛機舵面所受氣動載荷通過機械式系統(tǒng)直接傳遞給飛行員，往往操縱力大，對飛行員操縱強度要求高。為了降低操縱力及飛行員操縱強度，在舵面行程不變的情況下，增大操縱器件的運動行程是一種有效的方法，但操縱器件的行程受到人機工效的限制，不可能無限增大，所以操縱器件的運動行程和操縱力之間需要找到最佳的平衡點。

關鍵詞：駕駛盤偏轉(zhuǎn);操縱力;副翼操縱系統(tǒng)

中圖分類號：V227? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

該文以某型飛機的副翼操縱系統(tǒng)為例，采用理論分析、計算分析和CATIA軟件建模分析相結(jié)合的方法，從原理及理論驗證方面對機械式操縱系統(tǒng)的操縱器件運動角度與操縱力之間的關系進行了探討和研究，分析了改進后的利弊，為副翼操縱系統(tǒng)的后續(xù)改進提供依據(jù)，為類似系統(tǒng)的改進工作提供一種思路和方法。

1 系統(tǒng)簡介

該型飛機副翼操縱系統(tǒng)為機械式操縱系統(tǒng)，線系采用軟-硬混合式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由駕駛盤、扇形盤、副翼立柱、鋼索、拉桿等組成。從左、右駕駛盤引出的操縱線系為軟式線系，即鋼索線系，從兩側(cè)機翼引出的操縱線系為硬式線系，即拉桿線系。鋼索線系和拉桿線系在飛行員地板下扇形盤部位匯合。具體如圖1所示。

駕駛盤為副翼操縱系統(tǒng)的操縱器件，它將飛行員的作用力傳遞至副翼。飛行員通過操縱駕駛盤完成副翼偏轉(zhuǎn)動作，副翼舵面所受氣動載荷通過操縱系統(tǒng)反向傳遞至駕駛盤。鋼索、拉桿、副翼立柱、扇形盤均為系統(tǒng)的傳動部件。鋼索、拉桿傳遞運動和力但不改變系統(tǒng)傳動比。副翼立柱和扇形盤作為搖臂部件，不僅改變操縱線系的運動方向而且可以改變操縱線系的傳動比。

2 問題說明

在GJB 35-85、GJB 185-86和美軍標的相關規(guī)定中，對副翼操縱系統(tǒng)操縱器件工作行程和操縱力的要求為駕駛盤偏轉(zhuǎn)范圍不大于±90°，最大操縱力不大于180 N。而該型飛機駕駛盤左右偏轉(zhuǎn)167°時副翼才能達到最大偏轉(zhuǎn)角度，駕駛盤偏轉(zhuǎn)角度超過規(guī)范要求值將近1倍。從人機工效的角度來說，駕駛盤轉(zhuǎn)動角度在90°以內(nèi)，屬于飛行員操縱舒適區(qū)域。而超出該區(qū)域特別是接近180°時需要額外的操縱動作才能達到操縱要求，這就增加了飛行員的操縱強度，在某些姿態(tài)下也會引起飛行員操縱飛機的不適應性。

3 改進方案分析

針對此問題，擬減小駕駛盤的轉(zhuǎn)動角度，但根據(jù)省力不省功的原理，減小駕駛盤的轉(zhuǎn)動角度，操縱力則會相應增加，這就要求在兩者之間找到一個合適的平衡點，以保證在駕駛盤轉(zhuǎn)動行程減少的同時操縱力不會增加太多。

而要保證副翼的偏轉(zhuǎn)角度，減少駕駛盤的轉(zhuǎn)動行程，就意味著需要改變副翼操縱系統(tǒng)的傳動系數(shù)，因此須考慮對副翼操縱系統(tǒng)中的某些傳動部件進行改進。

從整個副翼操縱系統(tǒng)布局及機構(gòu)組成來看，駕駛盤下部為軟式鋼索線系，機翼兩側(cè)為硬式拉桿線系，鋼索線系和拉桿線系均不改變傳動比，只負責力的傳遞。而駕駛盤轉(zhuǎn)軸處用于與鋼索線系連接的零部件受到駕駛艙及駕駛柱布局的影響無法更改。這樣能夠更改傳動比的零部件就只剩搖臂組件，改變搖臂組件半徑可以達到更改傳動比的目的。

該型飛機副翼操作系統(tǒng)的搖臂組件主要包括扇形盤搖臂和副翼立柱搖臂2個部分，更改搖臂半徑就是更改扇形盤搖臂半徑和副翼立軸搖臂半徑。而更改搖臂半徑，從而增大傳動系數(shù)又有2種途徑，一種是減小各傳動搖臂的輸入半徑，一種是增大傳動搖臂的輸出半徑。為了保證最佳的改進效果，同時改變輸入半徑和輸出半徑的方法更有效。如果將駕駛盤行程減小到90°，那么操縱力增加太多，按照此原則并結(jié)合該型飛機副翼操縱系統(tǒng)工況特點和用戶要求，擬將駕駛盤行程由167°改為140°，并將副翼操縱系統(tǒng)的傳動系數(shù)的改變比擬定為△=1.19，副翼操縱系統(tǒng)需要改進的部件及改動量如下。

3.1 扇形盤搖臂輸入和輸出端

由于其輸入端為纏繞鋼索的扇形盤，纏繞半徑縮小會加劇鋼索磨損，此處鋼索較易發(fā)生斷絲情況，纏繞半徑縮小會影響鋼索使用壽命，因此不改變扇形盤半徑，即輸入端。按照扇形盤搖臂處的結(jié)構(gòu)形式，將輸出端搖臂半徑由R140 mm改為R159 mm。

3.2 副翼立軸搖臂輸入和輸出端

按照副翼立軸搖臂結(jié)構(gòu)形式，將輸入端搖臂半徑由R152 mm改為R145 mm，同時為保證自動駕駛儀舵機的傳動，輸出端搖臂半徑保持不變。

按此方案改進后，副翼操縱系統(tǒng)的傳動系數(shù)改變比為ΔK=1.19 mm，駕駛盤行程140°，滿足改進目標要求。為驗證此方案的運動平穩(wěn)性，在CATIA軟件中建立更改后的副翼操縱系統(tǒng)的數(shù)字模型，并進行運動模擬分析。通過運動模擬我們發(fā)現(xiàn)，改進后的副翼操作系統(tǒng)運動平穩(wěn)，無卡滯、無死點，滿足副翼操縱系統(tǒng)相關技術(shù)要求。

4 改進后影響分析

按照此方案改進后，飛行員操作副翼操作系統(tǒng)時工作的力度將增加，飛行員對桿力-桿位移的反饋感知將發(fā)生改變，同時傳動部件的受力載荷也會發(fā)生一定的變化，所以有必要對這幾個方面進行進一步的影響分析。

4.1 對飛行員操縱力的影響

在相同的舵面鉸鏈力矩的情況下，改進后飛行員的操縱力將會增加16.2%。

由于該系統(tǒng)的操縱力已經(jīng)偏大，為此，還需要采取措施將操縱力減輕到飛行員感到舒適的水平。這就需要通過其他方式來優(yōu)化操縱力，考慮到飛機的副翼為內(nèi)補償式結(jié)構(gòu)，一側(cè)副翼的補償面上有4組共12個內(nèi)補償孔，各孔的開度可以在“全關閉”“1/3開度”“2/3開度”和“全開”4種狀態(tài)中調(diào)整。減小內(nèi)補償孔的開度可以減小副翼系統(tǒng)的操縱力。

4.2 對傳動構(gòu)件受力的影響

在舵面鉸鏈力矩不變的情況下，系統(tǒng)中位于被更改傳動部件前面的傳動組件（包括傳動拉桿、副翼操縱鋼索和鏈條）的受力將會增加16.2%，其后的傳動組件的受力不變。

操縱系統(tǒng)傳動拉桿、搖臂、鋼索、鏈條等傳動組件是否留有足夠的強度余量，能否滿足改進后的使用要求，對零部件的疲勞性能的影響，還需要進一步論證。

4.3 對桿力-桿位移反饋感知的影響

在副翼偏轉(zhuǎn)同樣的角度時，駕駛盤的偏轉(zhuǎn)角度將是改進前的84%，也就是說如果飛行員操縱駕駛盤轉(zhuǎn)動與原來相同的角度，飛機的姿態(tài)會比原來改變的大，改變了飛機狀態(tài)，這需要飛行員對原有的反饋感知做出相應的調(diào)整。

5 結(jié)論

綜上所述，通過改變傳動搖臂的半徑來改變系統(tǒng)傳動比，可以改變駕駛盤轉(zhuǎn)動的最大偏角，但須考慮操縱力變大、傳動零件強度以及疲勞壽命等問題。

參考文獻

[1]徐志剛，王朝清，傅國如，等.飛機副翼傳動桿斷裂分析[J].失效分析與預防，2011（1）：50-55.

[2]張海濤，余建虎，李志蕊，等.T型尾翼布局的垂尾載荷測量技術(shù)[J].航空學報，2010（22）：73-79.

[3]馬奕揚，招啟軍.后緣小翼對旋翼氣動特性的控制機理及參數(shù)分析[J].航空學報，2018（5）：19-23.