民用飛機氣彈簧設計分析

唐行微

【摘 要】氣彈簧是性能可靠和安裝方便的定制結構件，相對于民機上使用的傳統機械彈簧單元在重量上具備優勢。本文介紹了氣彈簧的組成結構和工作方式，通過民用飛機艙門設計中的工程實例簡要描述了在民機艙門上氣彈簧設計的方法，通過CATIA仿真來模擬氣彈簧的安裝及運行來優化氣彈簧的各項基本參數，并且給出了民機氣彈簧的可靠性計算標準。

【關鍵詞】氣彈簧；民機艙門；可靠性

0 前言

氣彈簧是一種可以實現支撐、緩沖、制動、高度及角度調節等功能的零件，在工程機械中，主要應用于雷達罩、口蓋、艙門等部位。氣彈簧主要由活塞桿、活塞、密封導向套、填充物、壓力缸和接頭等部分組成，在密閉的缸體內充入和外界大氣壓有一定壓差的惰性氣體或者油氣混合物，進而利用在活塞桿橫截面上的壓力差完成氣彈簧自由運動。工作時，惰性氣體、油液通過活塞上的阻尼孔時產生阻尼作用，控制氣彈簧的運行速度，其運行速度相對緩慢、動態力變化不大。

在飛機結構艙門設計中經常使用彈簧作為機構功能實現的一部分單元，通常用于提供手柄回彈的回復力，機構運作的助力以及防止機構意外運動的過中心阻力。其中用于提供助力和阻力的彈簧通常為壓縮彈簧，艙門設計中通常采用傳統機械彈簧，這種設計存在兩方面的劣勢：一是傳統機械彈簧其材料通常為321固溶鋼或者15-5PH不銹鋼，在重量上需要付出一定代價，二是目前航空領域彈簧制造主要通過輔助工具手工彎制，其實際力學性能通常與設計目標存在一定差異且不穩定。氣彈簧由于其安裝方便，工作平穩，使用安全，成為汽車和機械制造等領域的標準配件。相對于傳統機械彈簧，定制氣彈簧在確保滿足設計需求和重量上具備明顯的優勢，艙門機構中使用的多處彈簧單元均可使用氣彈簧來替代。

本文根據實際艙門的結構特點及氣彈簧在艙門上的具體應用，對安裝在艙門上的氣彈簧的運動狀態進行了分析和研究，給出了具體艙門氣彈簧的設計步驟，同時對于民機艙門在使用條件及可靠性方面做了基本的分析。

1 工程實例

某型民用飛機設計艙門重量為8.39kg。艙門重心與鉸鏈臂中心轉軸的距離為：360.367mm。由于門體、鉸鏈臂（門體進行開關運動的中心） 和氣彈簧構成一個杠桿系統。在門打開過程中，通過門體本身重力和氣彈簧阻力的雙重作用，控制門下降速度門在完全打開位置時，伸展到極限程度。

根據周邊結構的實際可安裝空間情況確定使用兩個氣彈簧，并將氣彈簧的完全壓縮力初步設計為門體重量的3 倍左右，考慮摩擦力等影響，將氣彈簧的完全壓縮力初步確定為300N。

下圖為飛機航截面投影面，兩側氣彈簧的安裝相對于門體對稱面為對稱結構。所示點A為氣彈簧與鉸鏈臂連接點的位置需要確定氣彈簧在機身上的安裝點，根據門體本身尺寸考慮選取氣彈簧安裝尺寸為260mm，將氣彈簧安裝角度設定為與水平位置成12°，則確定出與機身相連接的安裝點B，如下圖點B所示。

根據氣彈簧及壓縮氣彈簧的設計標準，在氣彈簧舉力為300N時，將缸筒直徑初步定為φ22mm，導桿直徑為φ10mm。門完全打開與完全關閉時角度為82度，此時A點轉至A點，則氣彈簧長度伸展為AB=318.171，參考下圖3。

根據上面的分析初步確定氣彈簧總長度為320mm，即設計行程為60mm。根據此處鉸鏈臂的結構形式，確定氣彈簧的兩端接頭形式，與艙門鉸鏈臂連接處，在耳片與氣彈簧之間安裝球軸承；同樣在支座和氣彈簧之間也安裝球軸承，如下圖4所示。

在完成初步設計之后，通過CATIA的運動仿真功能，將初步設計的氣彈簧與門體周邊結構進行運動模擬，保證在艙門打開過程中，氣彈簧的運動不會受到卡滯，并選取運動過程中的若干個時間點進行投影運算分析力值情況，根據計算的結果對氣彈簧的結構形式進行了進一步的優化，最終確認下來總長為235mm，運動行程長度為75mm。

2 氣彈簧可靠性分析

民用飛機的可靠性分析要求在飛機研制階段對各個系統可靠性進行定量的估計，根據歷史產品可靠性數據、系統的構成和結構特點、系統的工作環境等因素估計系統的可靠性。其主要用途為可以將預計結果與要求的可靠性指標相比較，從而評價設計要求提出的可靠性指標能否夠達到，并進一步在設計中，發現影響系統可靠性的主要因素，采取改進措施，此外也為安全性評估提供定量計算的依據。在本文中工程實例要求的氣彈簧的失效概率必須低于1E-5，對于民機而言考慮的是其簽派可靠性PCF。

PCF=QTYCZ×λCAD×TAF×DIFF

其中QTYCZ為組件數量，λCAD為組件Z導致簽派中斷的失效率，即組件所有可能的失效中，能導致簽派中斷的失效率，該值通過計算獲得。TAF為飛行和滑跑階段的平均時間。DIFF是飛行和滑跑階段的簽派中斷因子，改質是通過統計和計算獲得的。

λCAD=λC×FDD

其中λC表示單個組件的失效率，而FDD表示失效探測因子，這兩個參數要求將氣彈簧組件按照其組成形式分解成各個小零件，包括活塞桿、缸體，接頭等部分，根據各個零件的不同分類確定其失效探測因子，并根絕各零件固有的失效數據，按上述公式計算，即可得到用于分析氣彈簧組件可靠性的定量評估數據。

3 總結

本文介紹了氣彈簧基本組成和工作原理，結合某型飛機艙門的工程實力通過研究氣彈簧的運動范圍和安裝位置，通過計算和仿真的方式進行氣彈簧的設計和選型。同時對于氣彈簧在民機上使用中需要考慮的可靠性分析給出了計算的方式和定量的要求。對于氣彈簧在民機上的設計和使用提供了參考。

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[責任編輯：湯靜]