某型飛機前起落架減擺器優化

張海東，石飛，王進劍，朱親強

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

某型飛機前起落架為支柱式起落架，如圖1所示。在進行減擺器設計時，為了降低研制成本，加快研制速度，選用了已有成熟機型的減擺器。經試驗驗證，該成熟減擺器能夠提供的最大阻尼力矩系數為34.99N·m·s。在該飛機前起落架基本完成詳細設計時，發現該減擺器不能滿足設計要求，需要改進減擺器的設計。

1 擺振分析

采用機輪擺振簡化理論[1]，對該前起落架進行擺振分析。擺振簡化計算如圖2所示，考慮機輪擺動角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構

圖2 前起落架擺振計算示意圖

式中：V是飛機滑跑速度；I是擺動部分繞定向軸的轉動慣量；S是飛機滑跑路程；Ct是減擺器阻尼力矩系數；a是輪胎側向剛度；b是輪胎扭轉剛度；λlt是輪胎側向變形；φlt是輪胎扭轉變形；α是輪胎側向滾動系數；β是輪胎扭轉滾動系數；Lt是穩定距。

引入時間變量t后，擺振方程可以表示為：

采用狀態方程方法求解后，可以確定覆蓋0.6～2倍前起停機載荷下，前起落架臨界阻尼系數與飛機滑跑速度的關系，如圖3所示。

圖3 防擺臨界阻尼力矩系數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為15.3N·m·s。

2 傳遞比分析

減擺器的阻尼力通過傳動機構傳遞給前起落架定向軸，阻止前輪擺動。此定向軸是前起緩沖器軸線。傳動機構幾何關系如圖4所示。

圖4 原減擺器運動關系

可假定阻尼力矩與轉動角速度呈線性關系，并引入機輪繞活塞桿軸線轉動和搖臂繞減擺器轉軸轉動的阻尼力矩系數Ct1、Ct2。

機輪繞活塞桿軸線轉動的力矩、搖臂繞減擺器轉軸轉動的阻尼力矩均可通過阻尼力矩系數與機輪擺動角速度乘積表示：

根據虛功原理，兩個力矩做功相等得到：

定義阻尼系數傳遞比：

通過三角函數關系，很容易得γ與φ的關系。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R1轉軸O1的力矩和相對R2轉軸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的關系

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

3 減擺優化措施及分析

3.1 優化措施

為了提高飛機前起落架減擺器的減擺能力，能夠實施的改進主要有4個方面：

1)調節輪胎剛度；

2)增大穩定距；

3)優化傳遞比；

4)增加減擺器阻尼。

3.2 措施分析

輪胎已經選定，胎壓本身較高，不易調整剛度；飛機輪心位置、收放機構已經確定，難以通過調整支柱傾角等增加穩定距；由于結構限制，可以少量調整減擺器相關桿件的長度，減小減擺器搖臂的長度，以調整傳遞比，但調節量有限。調整后的減擺器機構幾何尺寸如圖6所示。調整后的平均傳遞比為0.9164，整體上較原結構增加了0.3，如圖5所示。

增加減擺器的阻尼。由于結構限制，減擺器的長度不能增加，可提高油液通過阻尼孔的流速。減擺器活塞結構如圖7所示，通過增加減擺器活塞直徑，減小阻尼孔直徑，增加阻尼孔長度從而增大阻尼。增加阻尼的效果比較可觀，下面詳細開展分析。

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]。通過調整減擺器活塞直徑和過油孔面積，沿程壓力損失和局部壓力損失能夠明顯提高；而與原結構相比，活塞柱面摩擦損失基本不變。

圖6 改進后的減擺器運動關系

沿程壓力損失[3]是油液在管路中流動時，由于管壁對油液及流體內各部分之間的粘性摩擦作用而產生的壓力損失，通常表示為：

L是管長；d是管路截面尺寸，對圓管取內徑；ρ是油液密度，對于15號航空液壓油取837kg/m3；λ是沿程流動阻力系數；V是油液流速；

油液在管內的流動狀態由雷諾數Re的大小決定。對于圓管，υ是航空液壓油運動粘性系數，20℃時取 0.216m2/s。

在減擺器近似計算中，當Re＜4×103時，可取：

當 4×103＜Re＜105時，可以取：

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

ξ是局部流動阻力系數。

活塞向左右兩側運動時，局部壓力損失不一致，由左向右運動時局部壓力損失大，偏安全考慮，取由右向左運動的局部阻力系數。對于原減擺器結構，Φ1=36mm，Φ2=5mm，Φ3=0.8mm，則幾個變截面處的局部阻力系數[2]如表1所示。

圖7 減擺器活塞結構示意圖

表1 減擺器油路直徑變化處的阻力系數

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。減擺器內部可視為液壓系統，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分別為減擺器內兩個截面的面積和液壓油流速。在相同的活塞運動速度下，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阻尼孔的速度。

對于原減擺器，Φ0.8和Φ5.0的油路中油液流速分別為：

VH是減擺器活塞運動速度，由減擺器搖臂轉動半徑乘得到。

沿程壓力損失：

按照式(8)計算，對于Φ0.8油路，雷諾數在湍流范圍內，阻力系數λ按照式(10)計算，則：

對于 Φ5.0 油路，Re＜2320，λ 按照式(9)計算：

沿程阻尼力矩為：

局部壓力損失按照式(11)計算，阻力系數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相應的阻力系數。局部阻力力矩為：

相同減擺器擺動速度下，調整后的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系，調整后阻尼大大增加了。沿程阻尼力矩是改進前的1.84倍以上，局部阻尼力矩是改進前的4.2倍。

通過調整，減擺器的阻尼顯著增加，減擺器的傳遞比較原設計有了一定的提高，平均傳遞比從0.5721提高到0.9164。考慮3的安全系數，減擺器提供的阻尼力矩系數應該達到50.09以上。改進后，減擺器的阻尼有很大提高，阻尼力矩系數應能夠達到原阻尼力矩系數的1.84倍以上，即64.38N·m·s以上，滿足飛機設計要求，而且還略有余量。

4 結論

在輪胎和起落架結構基本確定的條件下，優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。

調節減擺器相關桿件的長度能夠有效調節傳遞比；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，與油液通過阻尼孔的速度呈平方關系。通過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阻尼孔的流速，增大減擺器的阻尼。