基于理想氣體定律的起落架氣壓檢測

苗紅濤

摘? 要：起落架是實現直升機著陸、停放、滑行、滑跑的重要部件，緩沖器是起落架組成中的核心部件，緩沖器充氣壓力檢測是直升機的日常維護工作之一，常規充氣壓力檢測方法必須先將直升機頂起，操作準備時間長且在復雜環境下的操作受限，該文提出一種無須頂起直升機，在停機狀態下進行充氣壓力檢測的方法，不僅能夠縮短維護準備時間，提高直升機使用效率，也能滿足復雜地形下起落架氣壓檢測的維護需求。

關鍵詞：直升機;起落架;充氣壓力檢測

中圖分類號：V226? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

起落架是直升機上的重要部件，主要用于實現直升機著陸、停放、滑行、滑跑等操作，同時要具備緩沖著陸、著艦載荷，降低著陸、著艦過載的功能，核心部件為緩沖器，目前大部分緩沖器采用油氣式結構，最簡單的緩沖器的原理模型如圖1所示，其物理結構包括2個筒體（活塞桿和外筒）和一個節流閥，分離活塞用于物理隔離油液和氣體，由2個筒體包圍組成了緩沖器的內部腔體，內部腔體被節流閥和分離活塞隔離成3個腔體，分別是壓油腔、回油腔和氣腔，油腔內充填一定體積的液壓油，氣腔內充填一定壓強的工業氮氣，這3個腔體和節流閥構成了油氣式緩沖器實現緩沖功能的4個必備的基本要素。

正確的緩沖器充氣壓力是保證起落架性能的前提，因此在直升機的日常檢查維護工作中，定期檢測緩沖器充氣壓力是一項重要工作，由于初始充氣壓力是指在緩沖器全伸長不受載的情況下的氣腔壓力值，因此常規檢測方法在檢測前必須先用千斤頂頂起直升機，確保起落架完全離地，緩沖器處于全伸長狀態，再使用壓力表測量氣腔壓力值，并與規定的初始值進行對比，判定充氣壓力值是否合格。

由常規氣壓檢測方法可以看出，用千斤頂頂起直升機是充氣壓力檢測前的必要工作，這不僅增加了維護準備時間，更重要的是在某些復雜地形下，如果不能實現直升機頂起操作，就無法進行起落架充氣壓力檢測工作。象在艦面上，艦船受海浪影響時常處于搖晃狀態，頂起直升機的難度和風險大大增加，因此一般在艦面上不允許頂起直升機，起落架的氣壓檢查和充氣工作只能在陸基完成;象在崎嶇斜坡路面或松軟沙地都不便于直升機頂起操作，均無法實現緩沖器充氣壓力檢測。

所以提出一種非頂起直升機狀態下的緩沖器充氣壓力檢測方法很有必要，這樣不僅能大大縮短維護保障時間，提高直升機使用效率，更能在復雜地形實現對起落架緩沖器的充氣壓力檢測，滿足起落架氣壓檢測的維護需求。

1 緩沖器工作原理

以單腔緩沖器為例對緩沖器工作原理進行說明。通常把如圖1所示的緩沖器稱為單腔緩沖器，是指它只有一個氣腔。

單腔緩沖器工作原理為直升機著陸時，著陸載荷推動緩沖器壓縮，緩沖器內腔總體積減小。由于節流閥和活塞桿是固定在一起的，因此活塞桿壓縮時壓油腔體積會減小，油液由壓油腔通過節流閥流入回油腔，進而推動分離活塞運動，回油腔體積增大，氣腔體積減小，氣體被壓縮。在該過程中，由于氣體被壓縮，壓力增大，相當于一個彈簧，吸收一部分著陸能量，此外油液通過節流閥時會損失一部分壓力，也會消耗一部分能量，最終通過氣腔“彈簧”和油液阻尼實現起落架吸收著陸能量、緩沖著陸載荷、降低著陸過載的功能。

由緩沖器工作原理看出，如果要檢測緩沖器初始充氣壓力，必須頂起直升機，使起落架完全卸載離地，緩沖器處于全伸長狀態。而當直升機處于停機狀態，起落架處于承載狀態，緩沖器在載荷作用下會被壓縮，氣腔充氣壓力升高，此時氣壓值必定與初始值不一致，僅檢測氣壓值無法判定初始氣壓值是否正確。同時，起落架承受的停機載荷與直升機重量、重心位置均有關，當重量重心變化時，停機狀態緩沖器氣壓值也隨之變化，所以停機狀態緩沖器充氣壓力值不是定值。

雖然在直升機停機狀態檢測氣壓值無法判定初始氣壓值是否正確，但根據工作原理也能發現：當緩沖器全伸長狀態（活塞桿全伸長），氣腔壓力為初始值;當緩沖器被壓縮，活塞桿外伸量縮短，氣腔壓力值升高;而且活塞桿外伸量越短（即緩沖器壓縮量越大），氣腔壓力值越高。假設該過程中緩沖器運動十分緩慢，可近似認為符合理想氣體定律（在試驗室進行緩沖器靜壓試驗時得到了驗證），即氣腔壓強p、體積V、環境溫度T符合理想氣體狀態方程pV=nRT（其中，n為物質的量，R為氣體常量）。因此，如果能依據理想氣體狀態方程確定氣腔壓力值與活塞桿外伸量的關系，形成氣腔壓力—活塞桿外伸量曲線，便可通過對照該曲線判定充氣壓力值是否合格。

2 活塞桿外伸量與氣腔壓力值關系

圖1為一般單腔油氣式緩沖器結構圖，根據緩沖器工作原理，對活塞桿外伸量與氣腔壓力之間的對應關系進行理論推導。由理想氣體定律可知，溫度也是變量要素，因此，推導過程考慮環境溫度因素。

假設緩沖器初始全伸長狀態時，環境開氏溫度為TO，氣腔壓力為P0，氣腔體積為V0，緩沖器外伸量為X0，計算當環境開氏溫度為T1、對應緩沖器氣腔壓力值為P1時的外伸量X1。推導過程如下：

當緩沖器外伸量為X1時，緩沖器被壓縮，壓縮長度為（X0-X1），此時油液被擠壓，由于油液的不可壓縮性，油液會通過節流閥上的油孔進入回油腔，同時擠壓分離活塞，進而壓縮氣腔體積，使氣腔壓力升高。此時，

流入回油腔的油液體積等于氣腔被壓縮的體積：

得出活塞桿外伸量X與緩沖器充氣壓力值P之間的理論關系，依據該關系式，可得出環境開氏溫度為T1時的X-P曲線，如圖2所示。

依據X-P曲線進行充氣壓力檢測時，只需測量停機狀態時緩沖器實際的氣壓值PS和活塞桿外伸量XS，并在X-P曲線中查找P=PS時對應的理論外伸量值XL，X=XS時對應的理論充氣壓力PL，如圖3所示，并將XS與XL進行對比，可得出以下結論：

（1）如果XS=XL，則PS=PL，表明充氣壓力正常。

（2）如果XS

（3）如果XS>XL，則PS>PL，表明充氣壓力過高，應在保持外伸量XS不變的情況下，在停機狀態將氣壓降至PL。

考慮實際檢測過程中存在工程誤差，應設定實測外伸量與理論外伸量之間的誤差閥值△X，并在檢測過程中計算實測值與理論值之間的偏差是否超出預定閥值，具體判定結論如下：

（1）如果|XS-XL|≤△X，則PS符合要求，表明充氣壓力正常。

（2）如果|XS-XL|>△X，且XS

（3）如果|XS-XL|>△X，且XS>XL，則PS>PL，表明充氣壓力過高，應在保持外伸量XS不變的情況下，在停機狀態將氣壓降至PL。

3 緩沖器充氣壓力檢測步驟及示例

依據該文推導出的單腔緩沖器X-P曲線及判定結論，直升機停機狀態起落架充氣壓力檢測的流程可按圖3進行，具體步驟如下：

（1）根據緩沖器結構參數計算得出緩沖器外伸量與充氣壓力之間的“X-P”曲線，并確定外伸量偏差閥值△X;

（2）用尺子測量緩沖器外伸量XS。

（3）用壓力表測量緩沖器充氣壓力值PS。

（4） 在“X-P”曲線中查找壓力PS對應的緩沖器理論外伸量XL，計算|XS-XL|，若|XS-XL|≤△X，則充氣壓力正常，檢測結束。

（5）若|XS-XL|>△X，應在起落架上安裝伸縮限制器，確保緩沖器外伸量XS不變，同時，若XS

示例：

根據某型直升機起落架緩沖器低壓腔初始外伸量、氣腔充氣壓力、結構參數，計算出“緩沖器外伸量—充氣壓力（X-P）”曲線，如圖4所示，圖4中橫軸表示起落架緩沖器低壓腔充氣壓力，單位MPa;縱軸表示起落架緩沖器低壓腔活塞桿外伸量，單位mm。緩沖器外伸量偏差閥值△X=5mm。

當直升機非頂起狀態檢測到緩沖器充氣壓力PS=3.00 MPa，低壓腔活塞桿外伸量XS=250 mm;在圖4中對應標記的實測值點;對照圖4曲線查到，3.00 MPa對應的理論外伸量XL=302 mm，250 mm對應理論充氣壓力PL=3.78MPa。依據判定流程，|XS-XL|=52>△X，且 XS

4 結論

該文提出一種基于理想氣體定律的起落架非頂起狀態充氣壓力檢測判定方法，該方法依據理想氣體狀態方程推導出單腔緩沖器外伸量與充氣壓力的關系式，并形成“X-P”曲線和充氣壓力檢測判定流程。依據該流程可判定其實測外伸量和充氣壓力值是否正常，并確定理論充氣壓力值。該方法可實現在非頂起直升機狀態下對起落架進行充氣壓力檢測，不僅縮短了維護檢查時間，而且能滿足在復雜地形對起落架進行氣壓檢測的維護需求，具有工程應用價值。

參考文獻

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