大型運輸機(jī)起落架擺振影響因素及故障分析

周旭 胡奎福 郭祥云

摘要：基于飛機(jī)滑跑振動的數(shù)學(xué)模型，討論了臨界狀態(tài)下影響擺振的重要參數(shù)之間的關(guān)系，并針對某大型運輸機(jī)起落架擺振故障開展了故障樹研究，通過對設(shè)計給定的起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析，結(jié)合實際故障排除情況，找出起落架使用中可造成擺振穩(wěn)定度不足的主要影響因素和典型故障，提出起落架防擺振的針對性修理措施。

關(guān)鍵詞：起落架；擺振；影響因素；故障樹；措施

Keywords：landing gear；shimmy；influencing factors；fault tree；measures

0 引言

近年來，某大型運輸機(jī)在降落滑跑中多架次出現(xiàn)飛機(jī)抖動現(xiàn)象，影響了正常訓(xùn)練任務(wù)，初步判斷是起落架發(fā)生了擺振故障。起落架擺振故障會引起機(jī)身的劇烈抖動，嚴(yán)重影響駕駛員的正常操縱，甚至大大降低了起落架結(jié)構(gòu)的使用壽命，是一種非常有害的自激振動，必須加以制止。針對設(shè)計給定參數(shù)情況下的起落架擺振穩(wěn)定區(qū)，通過分析找出使用維護(hù)中影響臨界擺振狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律和典型故障，對于起落架防擺振有著重要的意義。

1 擺振機(jī)理和影響因素

飛機(jī)起落架擺振是由支柱、機(jī)輪的側(cè)向振動與圍繞支柱軸線的機(jī)輪扭轉(zhuǎn)振動相互耦合所引起的一種非常復(fù)雜的自激振動，維持這種自激振動的能量是由飛機(jī)滑跑過程中地面作用在輪胎上的力及力矩提供的[1]。飛機(jī)的前輪甚至主輪都有可能發(fā)生擺振，而可操縱型前輪對擺振尤為敏感。不穩(wěn)定的擺振是飛機(jī)起落架使用過程中屢見的嚴(yán)重故障。根據(jù)飛機(jī)設(shè)計手冊，不論何種激振方式，如果出現(xiàn)擺振3個周期后，擺振幅值降到初始擾動值的1/4或更小，則認(rèn)為擺振具有足夠的穩(wěn)定度，對應(yīng)為防擺臨界阻尼系數(shù)，系統(tǒng)處于擺振絕對臨界穩(wěn)定，否則認(rèn)為穩(wěn)定度不足[2]。擺振發(fā)生時，飛機(jī)偏航角Ψ和側(cè)向偏移Y隨時間t的變化趨勢如圖1所示。

式中，M、C、K、R分別為子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、外力矩陣，p為廣義坐標(biāo)?？梢娖鹇浼芑軘[振的發(fā)生是系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度、間隙、摩擦及輪胎力學(xué)特性等多種影響因素的綜合作用。擺振穩(wěn)定區(qū)的邊界一般用減擺器臨界阻尼系數(shù)對其他參數(shù)的函數(shù)來表示[2]：

hcr=hcr（I，t，a，b，α，β，V）（2）

式中，hcr為臨界阻尼系數(shù)，I為起落架機(jī)輪擺動部分繞定向軸轉(zhuǎn)動慣量，t為穩(wěn)定距，a為輪胎側(cè)向剛度，b為輪胎扭轉(zhuǎn)剛度，α為輪胎側(cè)向滾動系數(shù)，β為輪胎扭轉(zhuǎn)滾動系數(shù)，V為飛機(jī)滑跑速度。

研究表明，起落架擺振穩(wěn)定區(qū)的影響因素包括減擺阻尼特性、穩(wěn)定距、輪胎剛度、滑跑速度、起落架支柱垂直載荷、支柱剛度、減擺傳動系統(tǒng)間隙和扭轉(zhuǎn)剛度、油液壓縮性能等線性和非線性因素。引起擺振的因素中既有設(shè)計制造方面的因素，也有使用維護(hù)方面的因素。前者可通過起落架結(jié)構(gòu)和減擺裝置的合理設(shè)計來解決，在實際操作中正確地使用和維護(hù)起落架對避免起落架擺振有著至關(guān)重要的作用。本文重點針對起落架擺振故障在使用維護(hù)方面的影響因素進(jìn)行分析。

2 起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

2.1 起落架線性擺振分析模型

對于常規(guī)布置且有足夠剛度的起落架，一般采用線性理論進(jìn)行擺振分析[6]。在工程中廣泛使用的線性擺振分析模型如圖2所示。該模型考慮了支柱彈性、減擺器傳動系統(tǒng)弾性、輪胎的變形（包括輪胎的側(cè)向變形、扭轉(zhuǎn)變形和側(cè)傾）、結(jié)構(gòu)重量和垂直載荷的影響以及機(jī)輪陀螺作用等影響因素。

2.2 起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)對擺振的影響分析

起落架的防擺設(shè)計由起落架結(jié)構(gòu)和防擺阻尼系統(tǒng)兩部分組成[6]。設(shè)計階段已確定起落架擺振運動臨界邊界條件以及動態(tài)響應(yīng)特性，即通過選擇合適的起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是減擺阻尼以及輪胎參數(shù)，使飛機(jī)機(jī)輪在起飛和著陸滑跑過程中不發(fā)生擺振失穩(wěn)。

從使用維護(hù)方面開展擺振影響分析，重點是分析起落架和輪胎特征參數(shù)變化時對擺振運動臨界邊界條件的影響，因此，研究影響擺振穩(wěn)定性需從飛機(jī)起落架支柱結(jié)構(gòu)、輪胎特性、防擺阻尼系統(tǒng)和使用維護(hù)等參數(shù)變化方面來考慮。起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)對擺振的主要影響分析如表1所示，飛機(jī)使用維護(hù)中指標(biāo)可能改變并對起落架擺振穩(wěn)定性有較大影響的參數(shù)有：支柱扭轉(zhuǎn)和側(cè)傾剛度、支柱垂向載荷、結(jié)構(gòu)間隙、減擺阻尼系數(shù)、減擺器傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度和間隙、輪胎剛度、輪胎充氣壓力以及外部激勵等。

針對某大型運輸機(jī)起落架的具體使用故障，可結(jié)合故障樹分析，從相互關(guān)聯(lián)的影響因素中找到主導(dǎo)型的故障原因，從而制定有針對性且適合該機(jī)型起落架防擺使用維護(hù)的預(yù)防措施。

3 故障分析

3.1 故障概況

根據(jù)機(jī)組反映的故障情況，存在飛機(jī)重著陸擺動、大側(cè)風(fēng)降落擺動、前輪接地擺動、主輪接地擺動、打開發(fā)動機(jī)反推擺動、大角度連續(xù)轉(zhuǎn)彎擺動等不同故障現(xiàn)象。據(jù)修理統(tǒng)計，工廠參與排故的多起起落架擺動故障首次發(fā)生時機(jī)接近飛機(jī)第二次維修使用期末期。發(fā)生擺振故障的飛機(jī)起落架具有壽命老舊、支柱結(jié)構(gòu)交點間隙超差和減擺器傳動系統(tǒng)間隙超差占比大等特點，同時易受外部激勵影響引發(fā)擺振。

3.2 故障樹分析

綜合外場主要故障現(xiàn)象、飛參判讀和故障排查情況，建立故障樹，如圖3～圖6所示。從故障樹的結(jié)構(gòu)可見，該型運輸機(jī)起落架的擺振主要是由起落架結(jié)構(gòu)和減擺系統(tǒng)運動副間隙超差引起的，間隙值越大，擺振幅度越大，且存在超差的運動副間隙越多，擺振越容易發(fā)生。

3.3 故障原因分析

1）通過對該機(jī)群飛機(jī)滑跑擺動實際故障模式及影響分析，可以排除影響飛機(jī)方向穩(wěn)定性因素對飛機(jī)滑跑擺動故障的影響，如機(jī)場跑道異常、飛機(jī)機(jī)身變形、飛機(jī)各操縱舵面變形、飛機(jī)動力裝置異常、飛機(jī)載重異常、前輪轉(zhuǎn)彎操縱功能異常以及飛行員操縱異常等。

2）該機(jī)群飛機(jī)的滑跑擺動主要由起落架擺振引發(fā)。起落架擺振來自機(jī)輪和支柱兩個部分的擺振運動。一是機(jī)輪的復(fù)擺，包括機(jī)輪、機(jī)輪懸掛機(jī)構(gòu)和防扭臂等繞支柱的轉(zhuǎn)動，其擺角大小是由飛機(jī)滑跑方向穩(wěn)定性要求所決定并通過起落架的構(gòu)造來保證的；二是支柱本身的晃動，由于起落架支柱本身或機(jī)身結(jié)構(gòu)剛度不足，造成飛機(jī)起飛或著陸滑跑時起落架支柱發(fā)生平移、傾斜和彎曲等；三是起落架減擺防扭傳動系統(tǒng)出現(xiàn)彈性變形或間隙；四是輪胎相對機(jī)輪的異常變形，即由于輪胎充氣壓力不足、磨損或機(jī)輪載荷過大，致使輪胎觸地面對機(jī)輪對稱面發(fā)生異常位移?？梢?，這些擺振運動與起落架減擺阻尼系數(shù)、支柱剛度、支柱垂向載荷、減擺器傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度、輪胎剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)在使用中發(fā)生改變密切相關(guān)。

3）機(jī)械磨損超差導(dǎo)致起落架穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)惡化。隨著飛機(jī)機(jī)齡老化和日常飛行頻次增強(qiáng)，飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)剛性減弱，起落架主要承力機(jī)械零部件材料損耗接近或超出設(shè)計容限，內(nèi)部聯(lián)結(jié)以及與機(jī)身結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的各交點配合出現(xiàn)磨損、變形、斷裂，加之上次維修時可能存在零件尺寸修理余量保留不足，導(dǎo)致前、主起落架結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)尺寸和總位移超差，部分附件產(chǎn)品性能指標(biāo)出現(xiàn)偏離等，致使起落架支柱側(cè)偏剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和減擺傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)弱化，降低了起落架系統(tǒng)擺振穩(wěn)定性。同時，由于機(jī)輪擺振和側(cè)向沖擊載荷會使起落架支柱運動環(huán)節(jié)間隙增大，造成結(jié)構(gòu)之間的碰撞和摩擦，產(chǎn)生額外的接觸力，接觸力隨時間不斷變化，加劇起落架結(jié)構(gòu)的破壞，從而使擺振進(jìn)一步加劇。

4）前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)減擺性能弱化。一是在轉(zhuǎn)彎減擺液壓操縱系統(tǒng)中，由于減擺器節(jié)流活門、液壓作動筒等磨損，使活門、活塞與殼體（筒體）配合間隙超差，油路之間發(fā)生竄油，導(dǎo)致阻尼性能降低；二是減擺液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中形成空穴，當(dāng)混有氣泡的油液通過減擺器的阻尼孔道時，由于氣泡的可壓縮性，其阻尼作用會降低，形成減擺器的阻尼空程，由空穴引起的擺振時有發(fā)生；三是隨著前輪轉(zhuǎn)彎機(jī)械傳動系統(tǒng)的使用磨損，減擺傳動系統(tǒng)間隙超差，致使減擺器的有效阻尼減少，前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)減擺阻尼性能降低而引發(fā)擺振。

5）外部激勵，具有一定的綜合性特征。起落架系統(tǒng)擺振性能故障與飛機(jī)著陸機(jī)場環(huán)境、跑道基礎(chǔ)設(shè)施條件限制等因素也存在一定的影響關(guān)系，如側(cè)風(fēng)著陸、重著陸、機(jī)場跑道滑跑急轉(zhuǎn)彎、車輛不當(dāng)牽引、前輪偏轉(zhuǎn)接地等均會造成起落架結(jié)構(gòu)受損，引發(fā)與擺振穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變，使起落架側(cè)向和垂向載荷發(fā)生異常變化從而引起擺振。

3.4 故障排除

工廠通過更換起落架支柱和減擺傳動系統(tǒng)的超差承力襯套、修復(fù)更換損傷零件以及調(diào)整主起落架輪間距等措施，使起落架總位移指標(biāo)和裝置總體安裝形位尺寸恢復(fù)到合格范圍，有效消除了起落架擺振故障。

4 飛機(jī)滑跑擺動故障預(yù)防措施

1）規(guī)范故障分析流程。工廠定期收集機(jī)群故障信息，聯(lián)合用戶分析研究故障機(jī)理，明確主導(dǎo)型影響因素，形成外場排故階段性指導(dǎo)意見和機(jī)群排故方案。

2）針對飛機(jī)滑跑擺動整機(jī)和系統(tǒng)影響因素，制定外場排故檢查專項方案。明確飛機(jī)整機(jī)和系統(tǒng)修理過程檢查重點，形成機(jī)身、機(jī)翼、動力裝置、起落架承力件與附件修理檢查重點，防止飛機(jī)結(jié)構(gòu)、蒙皮、大部件、附件、零組件和系統(tǒng)管路產(chǎn)生損傷、變形、裂紋及滲漏而導(dǎo)致的飛機(jī)方向穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)惡化。

3）針對飛機(jī)滑跑擺動起落架影響因素，制定內(nèi)場排故修理專項方案。明確起落架修理過程檢查重點，形成前起落架、主起落架和機(jī)輪的修理檢查重點，防止因機(jī)械磨損超差、腐蝕超差、異常受力造成損傷、變形、裂紋和性能變化而導(dǎo)致的起落架擺振穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)惡化。

4）開展起落架擺振數(shù)字化模擬驗證工作。組織收集起落架構(gòu)型設(shè)計資料和典型故障模式，進(jìn)行故障建模分析研究，逐項模擬驗證典型影響因素對故障發(fā)生的貢獻(xiàn)率。

5）加強(qiáng)起落架深修精修工藝研究。針對飛機(jī)起落架擺振造成的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的磨損、損傷等故障，嚴(yán)格控制起落架各配合尺寸、裝配后的形位尺寸，零件修理時應(yīng)考慮保持足夠的可耗損余量。通過分解前性能檢查、無損檢測、修理換新、增材修復(fù)新工藝等精修深修手段，加強(qiáng)起落架修理可靠性。

6）開展前輪轉(zhuǎn)彎操縱附件修理及調(diào)試技術(shù)研究。

7）開展起落架修理維護(hù)及定期修理周期技術(shù)研究。工廠與用戶共同建立針對“飛機(jī)起降滑跑擺動故障”的外場維護(hù)保障合作機(jī)制，開展飛機(jī)使用和維護(hù)階段滑行防擺技術(shù)研究；將飛機(jī)擺動檢查方案內(nèi)容納入飛機(jī)巡檢巡修技術(shù)方案，針對飛機(jī)擺動故障進(jìn)行預(yù)防性檢查。

5 結(jié)論

通過對故障起落架設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析研究，識別出飛機(jī)起落架使用維護(hù)中易發(fā)生變化且對擺振穩(wěn)定性有較大影響的參數(shù)，可有效指導(dǎo)對飛機(jī)滑跑擺動故障的機(jī)理認(rèn)知；同時經(jīng)故障樹分析和排除效果驗證進(jìn)一步判定，故障根本原因是起落架結(jié)構(gòu)間隙總位移超差和形位尺寸調(diào)整不當(dāng)，造成相關(guān)起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生改變而引發(fā)其“機(jī)械擺振”。工廠和用戶在深化故障研究基礎(chǔ)上，完善修定飛機(jī)起落架修理工藝標(biāo)準(zhǔn)和外場維護(hù)預(yù)防深度檢查措施，共同建立針對飛機(jī)起降滑跑擺動故障外場維護(hù)保障合作機(jī)制，對保證該型航空裝備機(jī)群完好率和任務(wù)出勤率意義重大。

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