基于落震試驗(yàn)臺(tái)體的前輪轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

黨井衛(wèi)，胡立龍，王小鋒

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

某型飛機(jī)起落架需進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)彎耐久性試驗(yàn)，以考核轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的耐久性能，同時(shí)考核密封裝置的周向運(yùn)動(dòng)的密封性能[1]，但任務(wù)需求中明確要求需真實(shí)模擬飛機(jī)受載狀態(tài)，不允許以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)固定壓縮量工裝的方式進(jìn)行試驗(yàn)考核，對(duì)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)提出了更高的要求。針對(duì)該問題，通過翻閱資料，研究了不同起落架產(chǎn)品的轉(zhuǎn)彎加載特點(diǎn)，目前大多型號(hào)基本都是通過傳統(tǒng)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)形式實(shí)現(xiàn)加載，尚未有類似需求提出，也沒有更好的解決途徑。通過對(duì)其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、受載狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩施加及接口尺寸等進(jìn)行分析、討論，基于落震試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一套新型前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，包含四立柱導(dǎo)軌、移動(dòng)吊籃、過渡板、提升裝置、配重加載等模塊，加以傳統(tǒng)負(fù)載加載裝置等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通過配重加載的方式模擬飛機(jī)機(jī)身自重，且吊籃結(jié)構(gòu)通過四立柱導(dǎo)軌可實(shí)現(xiàn)豎直方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前起支柱的動(dòng)態(tài)變化，更加貼近真實(shí)性，滿足設(shè)計(jì)需求，具有較高的通用性、真實(shí)性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)良好，并可在其它類似起落架轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)中推廣應(yīng)用。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

某型飛機(jī)前起落架結(jié)構(gòu)如圖1所示，起落架主回轉(zhuǎn)軸1及起落架撐桿2與起落架外筒3連成一體，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4一端與起落架外筒3固連，另一端通過齒輪與防扭臂5連接，防扭臂5與機(jī)輪輪軸6相連。起落架在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)時(shí)，通過起落架主回轉(zhuǎn)軸1及起落架撐桿2與試驗(yàn)型架通過支座及銷軸固連，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4在供給液壓時(shí)，通過其機(jī)構(gòu)中的齒輪帶動(dòng)防扭臂5及機(jī)輪輪軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

圖1 起落架結(jié)構(gòu)示意

1.2 需求

起落架結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，需設(shè)計(jì)起落架主回轉(zhuǎn)軸支撐座及撐桿軸支撐座固定起落架并使其緩沖支柱軸線始終與水平面垂直，需釋放豎直方向的自由度進(jìn)行上下移動(dòng)，且需模擬機(jī)身載荷（32 000±1000）N，另外需要滿足以下需求：1）緩沖支柱氣壓正常充填；2）能對(duì)輪軸加載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩大小為0～1800 N·m；3）前輪操縱角度為±65°；4）前輪轉(zhuǎn)彎速為20（°）/s。

1.3 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)分析

通常轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)?zāi)M飛機(jī)機(jī)身載荷的方法是根據(jù)機(jī)身質(zhì)量及起落架本身的充填參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得知其壓縮量，通過設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)其壓縮量的工裝，約束其自由度進(jìn)行試驗(yàn)[2]，以圖2所示的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)做進(jìn)一步說明：主回轉(zhuǎn)軸支座2及撐桿支座4用于固定試驗(yàn)件3，轉(zhuǎn)彎型架1用于固定主回轉(zhuǎn)軸支座2及撐桿支座4，轉(zhuǎn)彎卡座5用于固定輪軸及調(diào)整由于使用載荷產(chǎn)生的不同壓縮量，負(fù)載加載裝置6用于建立負(fù)載及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎。該轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)方法可滿足轉(zhuǎn)彎操縱角度、速度及轉(zhuǎn)矩等要求，但弊端是需要通過轉(zhuǎn)彎卡座6來設(shè)計(jì)工裝補(bǔ)償壓縮量，無法滿足起落架緩沖支柱氣壓正常充填要求，且其在上下方向的自由度被約束，不能模擬真實(shí)飛機(jī)使用狀態(tài)，無法滿足新的設(shè)計(jì)需求。

圖2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)示意1.轉(zhuǎn)彎型架2.主回轉(zhuǎn)軸支座3.試驗(yàn)件4.撐桿支座5.轉(zhuǎn)彎卡座6.負(fù)載加載裝置

1.4 方案確定

通過以上技術(shù)分析，確定新的任務(wù)需求與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的矛盾點(diǎn)在于如何真實(shí)模擬飛機(jī)使用狀態(tài)，保證緩沖支柱正常充填下，模擬機(jī)身傳遞的載荷值。基于此，需設(shè)計(jì)一套新的前輪轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)彎型架進(jìn)行重新評(píng)估，保證機(jī)身載荷正向傳遞，通過與傳統(tǒng)負(fù)載加載裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，滿足新的任務(wù)需求。

2 轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

通過分析調(diào)研，認(rèn)為需要該系統(tǒng)方便施加配重塊以調(diào)節(jié)載荷，可承載及抗轉(zhuǎn)矩，且能上下一個(gè)方向移動(dòng)，其原理與落震試驗(yàn)臺(tái)極為相似[3]，可參考落震試驗(yàn)臺(tái)體進(jìn)行轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，落震試驗(yàn)臺(tái)體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含四立柱導(dǎo)軌、移動(dòng)吊籃、過渡板、提升裝置、配重加載等模塊[4]。

圖3 落震試驗(yàn)臺(tái)體示意

通過分析落震試驗(yàn)臺(tái)體的設(shè)計(jì)思想，可依據(jù)起落架空間及配合尺寸、施加載荷大小等需求，設(shè)計(jì)一套基于落震試驗(yàn)臺(tái)體的前輪轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)系統(tǒng)：1）根據(jù)起落架配合尺寸設(shè)計(jì)主回轉(zhuǎn)軸支座及撐桿軸支座，使起落架緩沖支柱軸線始終與水平面垂直；2）根據(jù)起落架空間尺寸設(shè)計(jì)提升吊籃框架，用于起落架支柱軸線方向的自由度釋放，且滿足配重塊的增減支撐；3）設(shè)計(jì)過渡板以實(shí)現(xiàn)各安裝支座與吊籃的連接；4）設(shè)計(jì)不同厚度的配重塊，通過累加實(shí)現(xiàn)（32 000±1000）N的載荷需求，且與吊籃接口匹配；5）根據(jù)起落架空間及吊籃空間設(shè)計(jì)四立柱導(dǎo)軌用于提升吊籃的上下移動(dòng)，釋放自由度；6）輪軸加載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)彎角度以及速度等要求通過負(fù)載加載裝置實(shí)現(xiàn)。

最終方案結(jié)構(gòu)如圖4所示，滾輪5固定于提升吊籃3上，滑軌4固定于轉(zhuǎn)彎型架1處用于導(dǎo)向，轉(zhuǎn)彎型架1用于提升吊籃3與滾輪5組成的整體上下移動(dòng)，主回轉(zhuǎn)軸支座6及撐桿支座7用于固定試驗(yàn)件8，提升吊籃3用于固定主回轉(zhuǎn)軸支座6及撐桿支座7，配重2放置于提升吊籃3上，為模塊化結(jié)構(gòu)，用于模擬飛機(jī)不同載荷，轉(zhuǎn)彎卡座9用于固定機(jī)輪輪軸，負(fù)載加載裝置10用于建立負(fù)載及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎。

為便于理解，給出吊籃及配重示意圖做出進(jìn)一步解釋，如圖5 所示，滾輪4通過螺栓安裝在吊籃主體3及滾輪支臂2上，主回轉(zhuǎn)軸支座5及撐桿支座6通過螺栓安裝于過渡板支架7上，然后過渡板支架7通過螺栓與吊籃主體3進(jìn)行連接，配重塊1通過螺栓置于吊籃主體3上方。

圖5 吊籃及配重示意

2.2 負(fù)載加載裝置設(shè)計(jì)

負(fù)載加載裝置示意如圖6所示，用于滿足對(duì)輪軸施加加載轉(zhuǎn)矩、控制轉(zhuǎn)彎角度及轉(zhuǎn)彎速度的要求，輪軸卡座1與滾動(dòng)導(dǎo)軌滑座2固連置于旋轉(zhuǎn)盤3，旋轉(zhuǎn)盤3置于座體4，通過轉(zhuǎn)盤軸承相連，擺動(dòng)缸5通過鍵槽配合帶動(dòng)輪軸卡座1轉(zhuǎn)動(dòng)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器（未示出）置于內(nèi)部用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)矩值。

圖6 負(fù)載加載裝置示意

以擺動(dòng)缸5為研究對(duì)象，流量計(jì)算公式為

弧度轉(zhuǎn)化為角速度計(jì)算公式[5]為

式中：Q為所需工作流量，L/min；ν為擺動(dòng)缸加載線速度，ν=θ/t，（°）/s；A為擺動(dòng)缸內(nèi)腔橫截面積，mm2；ω為擺動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；d齒為擺動(dòng)缸齒輪直徑，mm；d缸為擺動(dòng)缸內(nèi)腔直徑，mm。

其中，v=20（°）/s，根據(jù)擺動(dòng)缸選型，d齒=152 mm，d缸=80 mm，若滿足以上需求所需液壓系統(tǒng)工作流量為8 L/min。

將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，設(shè)置材料為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3[6]。對(duì)底端安裝面進(jìn)行固定約束，根據(jù)受力分析，對(duì)輪軸支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限工況（滿載）下的有限元仿真：對(duì)輪軸卡座安裝面施加向下載荷320 kN，主動(dòng)轉(zhuǎn)矩為2000 N·m，仿真結(jié)果如圖7所示，可知最大變形出現(xiàn)在輪軸固定端，最大變形量為0.06 mm；最大應(yīng)力位于兩個(gè)構(gòu)件接觸邊上，最大應(yīng)力為22 MPa，滿足要求。

圖7 仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖如圖8所示，配重塊與吊籃之間通過螺栓固定連接，吊籃與過渡板通過螺栓連接成整體，整體稱重滿足載荷要求，其整體沿四立柱導(dǎo)軌可釋放上下方向的自由度，可達(dá)到模擬飛機(jī)真實(shí)受載的目的。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

設(shè)置轉(zhuǎn)矩值、壓差值及轉(zhuǎn)彎速度等參數(shù)，通過實(shí)際轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其曲線圖如圖9所示，將數(shù)據(jù)與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)值擬合較好，曲線抖動(dòng)較小，真實(shí)模擬了試驗(yàn)工況，且數(shù)據(jù)更加真實(shí)。

圖9 實(shí)際曲線

4 結(jié)論

1）通過新的任務(wù)需求設(shè)計(jì)出一套前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，該系統(tǒng)可更加真實(shí)地滿足設(shè)計(jì)需求；2）針對(duì)該轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)創(chuàng)新性的基于落震試驗(yàn)臺(tái)體進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊化程度較高，可重復(fù)用于落震試驗(yàn)或轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)；3）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析判斷，該方法可行，可在此類似產(chǎn)品或者類似需求中應(yīng)用推廣。