MK7－3型阻攔裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制規(guī)律

楊茂勝，畢玉泉，黃 葵，王海東，楊炳恒

(海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041)

MK7－3型阻攔裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制規(guī)律

楊茂勝，畢玉泉，黃 葵，王海東，楊炳恒

(海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041)

定長(zhǎng)沖跑控制閥是大型航空母艦攔阻索裝置的核心部件。本文以美國(guó)MK7－3型阻攔索裝置為例，分析了其結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，研究了阻攔力的基本控制原理，并討論了飛機(jī)重量設(shè)置不準(zhǔn)確時(shí)對(duì)阻攔力過載的影響。結(jié)果表明，重量設(shè)置偏小和偏大都可能產(chǎn)生大過載造成飛機(jī)損傷或者人員傷亡，甚至導(dǎo)致阻攔作業(yè)失敗。

航空母艦;阻攔索裝置;定長(zhǎng)沖跑控制閥;結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

0 引言

現(xiàn)代噴氣式艦載機(jī)的著艦速度通常為200～300 km/h，如果不加以阻攔，飛機(jī)著艦后至少要滑行上千米才能停下來，而一般航空母艦的飛行甲板長(zhǎng)度只有200～300 m，所以在降落區(qū)域安裝了阻攔索裝置。美國(guó)現(xiàn)役航母上配置的MK7－3型攔阻裝置是目前世界上各國(guó)海軍航母中攔阻能量等級(jí)最大的著艦攔阻裝備，能量等級(jí)達(dá)到6 500 t·m。其基本工作原理是:當(dāng)艦載機(jī)著艦時(shí)，飛機(jī)尾鉤鉤住阻攔索，飛機(jī)前沖力通過阻攔索傳遞到滑輪組索上，滑輪組索再將該作用力傳遞到阻攔機(jī)動(dòng)滑輪組、定滑輪組，隨著滑輪組索被飛機(jī)尾鉤不斷拉出，阻攔索牽動(dòng)阻攔機(jī)動(dòng)滑輪組向定滑輪組方向移動(dòng)從而帶動(dòng)主液壓缸柱塞運(yùn)動(dòng)，主液壓缸中的工作液經(jīng)定長(zhǎng)沖跑控制閥閥口，在閥口上下產(chǎn)生壓力差，從而為飛機(jī)提供阻攔力。在阻攔過程中，定長(zhǎng)沖跑控制閥閥口在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下逐漸變小，當(dāng)閥口完全關(guān)閉時(shí)，飛機(jī)停?。?－4］?？梢?，定長(zhǎng)沖跑控制閥是整個(gè)阻攔裝置的大腦和心臟，是阻攔任務(wù)成功與否的關(guān)鍵［5－6］。本文介紹了 MK7－3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥的結(jié)構(gòu)組成，分析了阻攔力的控制原理，研究了飛機(jī)重量設(shè)置不準(zhǔn)對(duì)阻攔作業(yè)的影響。

1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，MK7－3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥主要由閥體、閥體支柱和飛機(jī)重量選擇器3部分組成。

圖1 定長(zhǎng)沖跑控制閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of constant runout valve structure

1.1 閥體

閥體由閥套、閥芯、閥座和一些安裝組件組成。工作時(shí)，一方面從主液壓缸的來油通過閥座流向閥口，在閥口處經(jīng)節(jié)流降壓后，由閥體流向蓄能器。另一方面調(diào)整螺釘在外部作用力的帶動(dòng)下推動(dòng)閥套，從而帶動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉閥口。閥體組件的實(shí)質(zhì)就是1個(gè)由外力所控制的節(jié)流閥，主要作用是在閥口上下兩端產(chǎn)生壓力差，為飛機(jī)提供阻攔力。

1.2 閥體支柱

閥體支柱由凸輪和上、下?lián)u塊及柱塞組成的搖臂機(jī)構(gòu)2部分組成。其中凸輪安裝在水平方向的凸輪軸上，工作時(shí)，在鏈輪的帶動(dòng)下，凸輪繞著凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)凸輪線型的變化就可以控制閥口的關(guān)閉規(guī)律。

搖臂機(jī)構(gòu)從上至下共有4個(gè)軸承，其中1號(hào)軸承與上端凸輪組件的凸輪相連，4號(hào)軸承與下端閥體組件的調(diào)整螺釘相連，在1號(hào)和4號(hào)2個(gè)軸承之間安裝有上、下2個(gè)搖塊。工作時(shí)，軸承1在凸輪旋轉(zhuǎn)力的作用下和軸承2一起向下運(yùn)動(dòng)，軸承2的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)上搖塊繞著支點(diǎn)A做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)軸承3向下運(yùn)動(dòng)，軸承3的運(yùn)動(dòng)又帶動(dòng)下?lián)u塊繞著支點(diǎn)B做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)軸承4向下運(yùn)動(dòng)，最終帶動(dòng)與之相連的調(diào)整螺釘向下運(yùn)動(dòng)，逐漸關(guān)閉閥口。

在閥體支柱中核心就是這2個(gè)搖塊，從這2個(gè)搖塊的簡(jiǎn)化示意圖(圖2)中可以看出，假如此時(shí)軸承3和4都處在上、下?lián)u塊的中間位置，那么要想軸承4向下移動(dòng)1個(gè)單位長(zhǎng)度，就需要軸承3向下運(yùn)動(dòng)2個(gè)單位長(zhǎng)度，而軸承2就需要向下移動(dòng)4個(gè)單位長(zhǎng)度，即軸承2與軸承4向下移動(dòng)距離的比值是4:1，這個(gè)比值叫做臂長(zhǎng)比。進(jìn)一步來看，軸承2移動(dòng)的距離也就是凸輪最下端點(diǎn)移動(dòng)的距離，而軸承4移動(dòng)的距離也就等于閥芯向下移動(dòng)的距離，由于凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和閥芯的向下移動(dòng)是同步進(jìn)行的，所以，距離的變化也就代表了速度的變化。因此，臂長(zhǎng)比在這里反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是凸輪線型變化時(shí)最下端點(diǎn)移動(dòng)速度與閥芯移動(dòng)速度之間的比值。假如沒有這2個(gè)搖塊，閥芯向下移動(dòng)速度就等于凸輪最下端點(diǎn)移動(dòng)速度，而有了這2個(gè)搖塊，閥芯的向下移動(dòng)的速度既可以等于又可以不等于凸輪下端的移動(dòng)速度，也就是說通過搖塊臂長(zhǎng)比的改變，就可以改變閥芯向下移動(dòng)速度，這就是安裝這2個(gè)搖塊的主要作用。

圖2 搖塊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of roll block manipulator

1.3 飛機(jī)重量選擇器

飛機(jī)重量選擇器安裝在閥體支柱上搖塊左端，主要由指示器、手輪和導(dǎo)向螺桿組成。當(dāng)需要調(diào)整飛機(jī)重量設(shè)置時(shí)，通過電機(jī)帶動(dòng)或手輪旋轉(zhuǎn)就可帶動(dòng)導(dǎo)向螺桿伸縮，改變上搖塊支點(diǎn)A的位置，支點(diǎn)位置A的改變，使得軸承2和軸承3分別在上、下?lián)u塊上的位置也發(fā)生變化，也就改變了整個(gè)搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比。另外，支點(diǎn)位置A的改變，通過搖塊結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)，帶動(dòng)軸承4向下運(yùn)動(dòng)，最終反應(yīng)在閥芯向下移動(dòng)的距離上，也就是閥的初始開口大小。預(yù)開口大小的調(diào)節(jié)，使得阻攔力大小適應(yīng)了飛機(jī)重量的變化，而臂長(zhǎng)比的改變，保證了重量設(shè)置不同時(shí)閥口的關(guān)閉時(shí)機(jī)相同。

當(dāng)導(dǎo)向螺桿處于最大伸出狀態(tài)時(shí)，也就是立柱組件中的4個(gè)軸承處在同一直線上時(shí)，初始狀態(tài)下閥芯向下移動(dòng)的距離最小，也就是閥的預(yù)開口最大，所以此時(shí)所設(shè)置的飛機(jī)重量應(yīng)該最輕，此時(shí)搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比為1:1，隨著導(dǎo)向螺桿逐漸向左縮回，閥芯向下移動(dòng)的距離越來越大，臂長(zhǎng)比也逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)向螺桿向左運(yùn)動(dòng)到底處于最大縮回狀態(tài)時(shí)，閥芯向下移動(dòng)的距離最大，也就是閥的預(yù)開口最小，所以此時(shí)所設(shè)置的飛機(jī)重量應(yīng)該最重，同時(shí)臂長(zhǎng)比增加到最大，為4:1。但是不管所設(shè)置的飛機(jī)重量輕還是重，在飛機(jī)達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度都是一樣的，由于凸輪線型一定，因此軸承1向下移動(dòng)的距離也一樣，只是重量輕時(shí)，預(yù)開口大，也就是要使得閥口關(guān)閉需要閥芯向下移動(dòng)的距離h1就大(見圖3(a));重量重時(shí)，預(yù)開口小，h2就小(見圖3(b))。但是重量輕時(shí)的臂長(zhǎng)比小，軸承1向下移動(dòng)1 mm，閥芯也向下移動(dòng)1 mm;而重量重時(shí)，臂長(zhǎng)比大，軸承1向下移動(dòng)4 mm，閥芯才向下移動(dòng)1 mm，也就是重量輕時(shí)閥芯向下移動(dòng)的速度快，重量重時(shí)閥芯向下移動(dòng)的速度慢，這樣可以保證在相同時(shí)間內(nèi)讓h1和h2都能同時(shí)變?yōu)?，也就是讓閥口同時(shí)關(guān)閉，飛機(jī)同時(shí)停住。

圖3 重量選擇器搖塊機(jī)構(gòu)的臂長(zhǎng)比Fig.3 Arm ratio of roll block manipulator for weight selector

2 控制原理

由阻攔裝置基本工作原理可知，阻攔力的大小最終是反應(yīng)在主液壓缸內(nèi)的液壓壓力上，因此，控制阻攔力的變化，也就是控制主液壓缸中的壓力變化，使其滿足阻攔需求:一方面飛機(jī)在阻攔過程中過載要平穩(wěn)，也即盡量保持阻攔力恒定;另一方面還需適應(yīng)飛機(jī)重量變化。為了分析方便，將阻攔裝置中的相關(guān)部件動(dòng)滑輪柱塞、主液壓缸、定長(zhǎng)沖跑控制閥單獨(dú)列出來，如圖4所示。

由液壓原理可知，單位時(shí)間內(nèi)流過閥口的液壓油流量Q是與閥口上下2端的壓力差ΔP以及閥口面積A成正比，也即這三者之間存在以下關(guān)系:

其中，k1為1個(gè)與閥口形狀、油液性質(zhì)有關(guān)系的系數(shù)(常數(shù))。而流過閥口的液壓油也就是從主液壓缸中排出的液壓油，其流量大小可用主液壓缸缸筒的移動(dòng)速度v'和缸筒面積S的乘積來表示，而缸筒的移動(dòng)速度與飛機(jī)滑跑速度v成正比，因此流量還可以表示為:

圖4 定長(zhǎng)沖跑控制閥控制原理Fig.4 Control principle of constant runout valve

其中，系數(shù)k2為缸筒移動(dòng)速度與飛機(jī)滑跑速度間的1個(gè)比例因子，聯(lián)合式(1)和式(2)，消掉Q就可以求得

其中，k1，k2和S這3項(xiàng)都是常數(shù)，用另外1個(gè)系數(shù)k來代替，最終得到閥口面積A的表達(dá)式為:

由于閥口上端的液壓油是流向蓄能器的，其工作壓力在2～4 MPa之間，而主液壓缸中的工作壓力P1一般在60 MPa左右，因此P2的數(shù)值相對(duì)于主液壓缸中的壓力P1來講是一個(gè)小量，可以近似地認(rèn)為閥口上下兩端的壓力差ΔP也就代表了主液壓缸中的壓力P1。要滿足過載穩(wěn)定的需求，也就是要求ΔP不變，而飛機(jī)速度在滑跑過程中是逐漸減小的，因此也要求閥口面積逐漸變小;反過來，只要能控制好閥口面積的變化規(guī)律，讓其與飛機(jī)速度的變化規(guī)律相同，就能保證ΔP不變，從而滿足過載穩(wěn)定的需求。同時(shí)，當(dāng)飛機(jī)達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)控制閥口，讓其完全關(guān)閉，面積為0，速度就為0，飛機(jī)停止向前滑行，就達(dá)到了定長(zhǎng)阻攔的目的。所以，控制阻攔力變化使其滿足過載穩(wěn)定和定長(zhǎng)阻攔2個(gè)需求都可以通過控制閥口面積的變化規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)飛機(jī)重量增加時(shí)，所需阻攔力也需增加，也就是要增大ΔP。在初始條件下，由于飛機(jī)著艦的初始速度v0一定，由式(4)可知，要想增加ΔP，就必須減小閥口面積A，也就是閥的初始開口要變小。所以，要滿足飛機(jī)重量變化的需求，只要控制閥的初始開口大小就可以實(shí)現(xiàn)，讓飛機(jī)重量大時(shí)閥的預(yù)開口小，重量小時(shí)閥的預(yù)開口大。

3 重量設(shè)置對(duì)阻攔作業(yè)的影響

3.1 飛機(jī)重量設(shè)置偏小

假如在阻攔作業(yè)前飛機(jī)重量設(shè)置偏小，即閥的預(yù)開口偏大，液壓油就能更容易流過閥口，因此在閥口上下產(chǎn)生的壓力差ΔP就偏小，為飛機(jī)提供的阻攔力也偏小，則飛機(jī)在達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)速度還不能減為0，但由于閥口的關(guān)閉時(shí)機(jī)不因飛機(jī)重量設(shè)置而改變，即在此時(shí)閥口已完全關(guān)閉。由式(4)可知，面積A為0，速度v不為0，因此ΔP趨于無窮大，從而產(chǎn)生一個(gè)極大的過載，強(qiáng)行將飛機(jī)停下，整個(gè)阻攔過程中過載的變化如圖5中虛線所示。由于過載太大，一方面可能超出飛行員或機(jī)體的承載能力，造成人員受傷或飛機(jī)損傷，另一方面還可能導(dǎo)致阻攔鋼索斷裂，造成機(jī)毀人亡的事故。

圖5 重量設(shè)置偏小對(duì)過載的影響Fig.5 The influence of less weight setting on over loading

3.2 飛機(jī)重量設(shè)置偏大

假如在阻攔作業(yè)前飛機(jī)重量設(shè)置偏大，即閥的預(yù)開口偏小，液壓油流過閥口比較困難，在閥口上下產(chǎn)生的壓力差ΔP偏大，為飛機(jī)提供的阻攔力也偏大，在飛機(jī)還未達(dá)到規(guī)定滑跑距離時(shí)，速度就已減為0，整個(gè)阻攔過程中過載的變化如圖6中的虛線所示。與重量設(shè)置偏小不同的是，在阻攔開始的瞬間，阻攔力迅速增加，產(chǎn)生1個(gè)過載極值，若此極值在飛行員或機(jī)體的承受范圍以內(nèi)，則阻攔作業(yè)是安全的，只是飛機(jī)的測(cè)距距離比正常時(shí)要短，一旦此極值超出了承受范圍，則可能造成比重量設(shè)置偏小時(shí)更為嚴(yán)重的后果。

圖6 重量設(shè)置偏大對(duì)過載的影響Fig.6 The influence of bigger weight setting on over loading

4 結(jié)語

本文分析了美國(guó)現(xiàn)役航母上配置的MK7－3型攔阻裝置定長(zhǎng)沖跑控制閥的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，研究了阻攔力的基本控制原理，并討論了飛機(jī)重量設(shè)置不準(zhǔn)確對(duì)阻攔力過載的影響，經(jīng)分析得到如下結(jié)論:控制阻攔力的關(guān)鍵是控制定長(zhǎng)沖跑控制閥閥口面積的變化規(guī)律，飛機(jī)重量設(shè)置偏小和偏大都會(huì)引起閥口初始面積的變化，使得阻攔力過載產(chǎn)生突變，從而造成飛機(jī)損傷或者人員傷亡，甚至導(dǎo)致阻攔作業(yè)失敗。

［1］歐訊.航母的攔阻裝置［J］.現(xiàn)代艦船，2005，(9):45－47.

［2］李杰，于川.航空母艦的艦載機(jī)著艦裝備［J］.現(xiàn)代軍事，2006，(10):56 －58.

［3］MIKHALUK D，VOINOV I，BOROVKOV A.Finite element modeling of the arresting gear and simulation of the aircraft deck landingdynamics［R］.EuropeanLS － DYNA Conference，2009.

［4］焦方金，靳紅生.淺談艦載機(jī)的降落［J］.艦載武器，2005，(6):82 －85.

［5］黃勝，孟祥印，常欣.航母艦載機(jī)降落制動(dòng)滑跑距離分析及預(yù)報(bào)［J］.中國(guó)艦船研究，2009，4(2):11 －14.

［6］王海東，畢玉泉，楊炳恒，黃葵.MK7－3型攔阻裝置滑輪運(yùn)動(dòng)特性分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(2):75－77.

WANG Hai-dong，BI Yu-quan.Analysis on kinematics charactor of the block for MK7-3 arresting gear［J］.Ship Seience and Technology，2011，33(2):75 －77.

Analysis on structure character and control rule of the constant runout valve for MK7－3 arresting gear

YANG Mao-sheng，BI Yu-quan，HUANG Kui，WANG Hai-dong，YANG Bing-heng
(Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China)

Constant runout valve is the key component of arresting gear in aircraft carrier.In this article，the structure character is analyzed and the basic control principle of arresting force is studied，also the influence of inaccurate aircraft weight setting on over loading of arresting force.It has been found that it is likely to increase the over loading when the aircraft weight is set too light or too weight.It will cause aircraft damage and personnel casualty possibly，indeed the failure of arresting task.

aircraft carrier;arresting gear;constant runout valve;structure character

U674.771

A

1672－7649(2012)03－0140－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.033

2011－06－02;

2011－08－22

楊茂勝(1976－)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楹娇諜C(jī)械工程。