某型飛機(jī)前起落架減擺器優(yōu)化

張海東，石飛，王進(jìn)劍，朱親強(qiáng)

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

某型飛機(jī)前起落架為支柱式起落架，如圖1所示。在進(jìn)行減擺器設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低研制成本，加快研制速度，選用了已有成熟機(jī)型的減擺器。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該成熟減擺器能夠提供的最大阻尼力矩系數(shù)為34.99N·m·s。在該飛機(jī)前起落架基本完成詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該減擺器不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)減擺器的設(shè)計(jì)。

1 擺振分析

采用機(jī)輪擺振簡(jiǎn)化理論[1]，對(duì)該前起落架進(jìn)行擺振分析。擺振簡(jiǎn)化計(jì)算如圖2所示，考慮機(jī)輪擺動(dòng)角θ、輪胎變形λ及φ，得到擺振方程：

圖1 前起落架及減擺器結(jié)構(gòu)

圖2 前起落架擺振計(jì)算示意圖

式中：V是飛機(jī)滑跑速度；I是擺動(dòng)部分繞定向軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；S是飛機(jī)滑跑路程；Ct是減擺器阻尼力矩系數(shù)；a是輪胎側(cè)向剛度；b是輪胎扭轉(zhuǎn)剛度；λlt是輪胎側(cè)向變形；φl(shuí)t是輪胎扭轉(zhuǎn)變形；α是輪胎側(cè)向滾動(dòng)系數(shù)；β是輪胎扭轉(zhuǎn)滾動(dòng)系數(shù)；Lt是穩(wěn)定距。

引入時(shí)間變量t后，擺振方程可以表示為：

采用狀態(tài)方程方法求解后，可以確定覆蓋0.6～2倍前起停機(jī)載荷下，前起落架臨界阻尼系數(shù)與飛機(jī)滑跑速度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 防擺臨界阻尼力矩系數(shù)Ct隨滑跑速度V變化曲線

從圖3可知，防擺臨界阻尼力矩系數(shù)為15.3N·m·s。

2 傳遞比分析

減擺器的阻尼力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給前起落架定向軸，阻止前輪擺動(dòng)。此定向軸是前起緩沖器軸線。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系如圖4所示。

圖4 原減擺器運(yùn)動(dòng)關(guān)系

可假定阻尼力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度呈線性關(guān)系，并引入機(jī)輪繞活塞桿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和搖臂繞減擺器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼力矩系數(shù)Ct1、Ct2。

機(jī)輪繞活塞桿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩、搖臂繞減擺器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼力矩均可通過(guò)阻尼力矩系數(shù)與機(jī)輪擺動(dòng)角速度乘積表示：

根據(jù)虛功原理，兩個(gè)力矩做功相等得到：

定義阻尼系數(shù)傳遞比：

通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系，很容易得γ與φ的關(guān)系。連桿l與X軸的夾角可以表示為

由于連桿是二力桿，其載荷為P，連桿載荷相對(duì)R1轉(zhuǎn)軸O1的力矩和相對(duì)R2轉(zhuǎn)軸O2的力矩分別為：

M1=P×cosη×R1×cos(α0-φ)-P×sinη×R1×sin(α0-φ)

消去P得到M1、M2的關(guān)系

由式(3)～式(7)得到傳遞比與前輪擺動(dòng)角度的關(guān)系如圖5所示。傳遞比的平均值為0.5721，考慮安全系數(shù)3，則減擺器需要提供的阻尼力矩系數(shù)應(yīng)大于15.3×3/0.5721=80.2N·m·s。 原減擺器不能滿足要求。

3 減擺優(yōu)化措施及分析

3.1 優(yōu)化措施

為了提高飛機(jī)前起落架減擺器的減擺能力，能夠?qū)嵤┑母倪M(jìn)主要有4個(gè)方面：

1)調(diào)節(jié)輪胎剛度；

2)增大穩(wěn)定距；

3)優(yōu)化傳遞比；

4)增加減擺器阻尼。

3.2 措施分析

輪胎已經(jīng)選定，胎壓本身較高，不易調(diào)整剛度；飛機(jī)輪心位置、收放機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定，難以通過(guò)調(diào)整支柱傾角等增加穩(wěn)定距；由于結(jié)構(gòu)限制，可以少量調(diào)整減擺器相關(guān)桿件的長(zhǎng)度，減小減擺器搖臂的長(zhǎng)度，以調(diào)整傳遞比，但調(diào)節(jié)量有限。調(diào)整后的減擺器機(jī)構(gòu)幾何尺寸如圖6所示。調(diào)整后的平均傳遞比為0.9164，整體上較原結(jié)構(gòu)增加了0.3，如圖5所示。

增加減擺器的阻尼。由于結(jié)構(gòu)限制，減擺器的長(zhǎng)度不能增加，可提高油液通過(guò)阻尼孔的流速。減擺器活塞結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過(guò)增加減擺器活塞直徑，減小阻尼孔直徑，增加阻尼孔長(zhǎng)度從而增大阻尼。增加阻尼的效果比較可觀，下面詳細(xì)開展分析。

影響減擺阻尼的主要部分有：沿程壓力損失、局部壓力損失、活塞柱面摩擦損失[2]。通過(guò)調(diào)整減擺器活塞直徑和過(guò)油孔面積，沿程壓力損失和局部壓力損失能夠明顯提高；而與原結(jié)構(gòu)相比，活塞柱面摩擦損失基本不變。

圖6 改進(jìn)后的減擺器運(yùn)動(dòng)關(guān)系

沿程壓力損失[3]是油液在管路中流動(dòng)時(shí)，由于管壁對(duì)油液及流體內(nèi)各部分之間的粘性摩擦作用而產(chǎn)生的壓力損失，通常表示為：

L是管長(zhǎng)；d是管路截面尺寸，對(duì)圓管取內(nèi)徑；ρ是油液密度，對(duì)于15號(hào)航空液壓油取837kg/m3；λ是沿程流動(dòng)阻力系數(shù)；V是油液流速；

油液在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)由雷諾數(shù)Re的大小決定。對(duì)于圓管，υ是航空液壓油運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，20℃時(shí)取 0.216m2/s。

在減擺器近似計(jì)算中，當(dāng)Re＜4×103時(shí)，可?。?/p>

當(dāng) 4×103＜Re＜105時(shí)，可以?。?/p>

局部壓力損失[3]，是當(dāng)油液流經(jīng)局部障礙時(shí)，由于液流發(fā)生顯著變化和漩渦，加上粘性摩擦而引起的能量損失，通常表示為：

ξ是局部流動(dòng)阻力系數(shù)。

活塞向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，局部壓力損失不一致，由左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)局部壓力損失大，偏安全考慮，取由右向左運(yùn)動(dòng)的局部阻力系數(shù)。對(duì)于原減擺器結(jié)構(gòu)，Φ1=36mm，Φ2=5mm，Φ3=0.8mm，則幾個(gè)變截面處的局部阻力系數(shù)[2]如表1所示。

圖7 減擺器活塞結(jié)構(gòu)示意圖

表1 減擺器油路直徑變化處的阻力系數(shù)

從式(8)、式(11)可以看出，增加流速能夠有效增加壓力差，加大阻力。減擺器內(nèi)部可視為液壓系統(tǒng)，且其中充填的液壓油可視為不可壓縮流體。不同截面下油液的流量相同，則：

A1、A2和V1、V2分別為減擺器內(nèi)兩個(gè)截面的面積和液壓油流速。在相同的活塞運(yùn)動(dòng)速度下，保持阻尼孔截面尺寸不變，增加活塞面積能夠有效提高液壓油通過(guò)阻尼孔的速度。

對(duì)于原減擺器，Φ0.8和Φ5.0的油路中油液流速分別為：

VH是減擺器活塞運(yùn)動(dòng)速度，由減擺器搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)半徑乘得到。

沿程壓力損失：

按照式(8)計(jì)算，對(duì)于Φ0.8油路，雷諾數(shù)在湍流范圍內(nèi)，阻力系數(shù)λ按照式(10)計(jì)算，則：

對(duì)于 Φ5.0 油路，Re＜2320，λ 按照式(9)計(jì)算：

沿程阻尼力矩為：

局部壓力損失按照式(11)計(jì)算，阻力系數(shù)ξ查表1。局部阻力力矩表示為：

將活塞外徑從36mm增大到44mm，將阻尼孔直徑從0.8mm降低到0.7mm。改進(jìn)后Φ0.7和Φ5.0的油路中油液流速分別為：

沿程阻尼力矩為：

油孔尺寸變化較小，仍取表1相應(yīng)的阻力系數(shù)。局部阻力力矩為：

相同減擺器擺動(dòng)速度下，調(diào)整后的Φ0.7油孔流速是原Φ0.8油孔的1.76倍。阻尼孔的流速與沿程和局部壓力損失呈平方關(guān)系，調(diào)整后阻尼大大增加了。沿程阻尼力矩是改進(jìn)前的1.84倍以上，局部阻尼力矩是改進(jìn)前的4.2倍。

通過(guò)調(diào)整，減擺器的阻尼顯著增加，減擺器的傳遞比較原設(shè)計(jì)有了一定的提高，平均傳遞比從0.5721提高到0.9164?？紤]3的安全系數(shù)，減擺器提供的阻尼力矩系數(shù)應(yīng)該達(dá)到50.09以上。改進(jìn)后，減擺器的阻尼有很大提高，阻尼力矩系數(shù)應(yīng)能夠達(dá)到原阻尼力矩系數(shù)的1.84倍以上，即64.38N·m·s以上，滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)要求，而且還略有余量。

4 結(jié)論

在輪胎和起落架結(jié)構(gòu)基本確定的條件下，優(yōu)化減擺器傳遞比和增加減擺器阻尼能夠提高減擺器減擺能力。

調(diào)節(jié)減擺器相關(guān)桿件的長(zhǎng)度能夠有效調(diào)節(jié)傳遞比；沿程壓力損失和局部壓力損失是減擺器阻尼力的主要部分，與油液通過(guò)阻尼孔的速度呈平方關(guān)系。通過(guò)增加減擺器活塞面積和縮小阻尼孔油孔面積能夠提高油液通過(guò)阻尼孔的流速，增大減擺器的阻尼。