某型飛艇儲能式氣壓制動機構設計與試驗驗證

蘇小東 張猛 張常東

摘 要：本文為解決某型飛艇動力轉向裝置在發動機啟動時會產生的振動對飛艇運行產生的不利影響，設計了儲能式氣壓制動機構并試驗驗證。其選用高摩擦系數材料保證足夠的摩擦力矩，并采用低成本空氣源作為驅動能源，具有良好的環保性和經濟性。為后續制動研究提供了一定的工程經驗。

關鍵詞：飛艇;氣壓制動;制動試驗

1.引言

飛艇是利用輕于空氣的氣體來產生靜升力的空中搭載平臺[1]。某型飛艇在發動機起動階段，發動機與螺旋槳的振動影響飛艇運行的穩定性和安全性。因此，有必要對飛艇動力矢量轉向裝置進行鎖緊。

2.氣壓制動設計

2.1原理和組成

飛艇安裝空間及重量有限，選用結構緊湊、重量輕便的蹄片式轂剎，且將制動液壓源改為經濟性好的空氣，結構組成見圖1。制動轂剎底盤作為定盤固定在發動機安裝框架上，轂剎動盤固定在轉向管上。當發動機起動時，進氣閥開啟，排氣閥關閉，高壓空氣由氣瓶通過高壓管路作用于轂剎氣缸，達到快速制動轉向管的目的。發動機運行穩定后，進氣閥關閉，排氣閥開啟。

制動轂剎雙蹄片制動力矩限制在Tf≈1000N?m，單瓶高壓氣源可提供的制動次數不小于10次。

2.2分析與設計

2.2.1制動轂剎

制動機構受力分析見圖1。理論上對制動蹄摩擦面的壓力分布規律作分析可推導出蹄片上任意一點壓力及沿摩擦片全長總的摩擦力矩公式[2]：q=q0?sin;;式中：q0為制動蹄片最大壓力;為制動蹄片摩擦片下端與豎直方向的夾角，其中1=π?6，2=5π?6;Tf為蹄片制動力矩，單個蹄片制動力矩Tf≈500N?m;f為摩擦系數，f=0.35;R為制動蹄片半徑，設計R=114.3mm。計算q0="63131.9N" 。由力矩平衡分析[2]：;式中：P為氣動氣缸柱塞張力;M為制動蹄片支承點到圓心得距離，M=90mm;h為制動蹄片支承點到作用力的距離，h=173mm。計算P="2666.5" N。

綜合選用氣動氣缸缸徑23mm;雙柱塞行程5mm;工作壓力不小于10MPa;雙柱塞速度2.5m/s的低速氣缸。

2.2.2高壓氣源

選定安全可靠的空氣作為氣壓源。氣壓制動的過程中，由質量守恒：pi×V0+pa×（Vqg+Vgl ）=pi+1×（V0+Vqg+Vgl ）

式中：pi為第i次放氣后高壓氣瓶的壓力;pa為制動轂剎氣缸及管路初始壓力（標準大氣壓：pa=101325Pa）;V0為高壓氣瓶容積;Vqg為制動轂剎氣缸容積，滿行程時容積Vqg=4.52389×10-6 m3;Vgl為高壓管路容積，Vgl=7.53982×10-5 m3。

為滿足轂剎制動需求，設計高壓氣瓶初始壓力p0=15MPa，高壓氣瓶第10次放氣制動后，其氣壓p10≥10MPa，其他項按技術指標計算可知：V0≥4.25×10-3 m3，高壓氣瓶容積余量系數取ε=2，即高壓氣瓶容積V=εV0=8.5×10-3 m3。

綜合選定高壓氣瓶為LC8.5-15A型鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶，參數如為[3]：額定容積8.5L，公稱外徑171mm，公稱長度512mm，公稱重量3.8kg，額定工作壓力15MPa。

2.2.3高壓管路及附件

設計選用高壓管路直徑d=4mm，滿足密封和壓力要求。附件進排氣閥選用耐高壓P≥15MPa、溫度范圍-40℃～+50℃的雙柱塞直通閥。

3試驗驗證

開展制動力矩試驗及制動次數試驗。

當氣瓶壓力的變化范圍為20MPa～5MPa時（每次間隔2.5MPa）進行制動機構輸出的制動力矩測試：壓力降至17.5MPa時，力矩為3261N·m（判定合格）;壓力降至9.8MPa時，力矩為1600N·m（判定合格）;壓力降至7.5MPa時，力矩為950N·m（判定不合格）。即當氣瓶壓力降至10MPa及以下，大于7.5MPa的某一值，鎖緊機構的制動力矩不小于1000N·m。試驗結果滿足要求。對單瓶高壓氣源進行制動測試，氣壓由15MPa降至10MPa的測試其制動次數及制動力矩。由試驗結果分析，單瓶高壓氣源充放氣總次數達30次且制動力矩均不小于1000N·m，滿足要求。

4結論

1）氣壓制動機構功能滿足要求;重量輕便，僅18.5kg;制動力矩隨高壓氣瓶不同壓力成線性變化，穩定可靠;制動次數余量充足，性能指標超出預期。

2）用氣缸驅動替代液壓缸驅動的形式，具有較好的環保性、經濟性和創新性。

參考文獻

[1]基里林·阿列克桑德拉·尼卡拉伊維奇.現代飛艇設計導論[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]劉惟信. 汽車制動系的結構分析與設計計算[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]全纏繞復合氣瓶產品手冊 北京天海工業有限公司90D7F795-1993-46CD-9DA9-EE759C18A4AA