起落架收放系統(tǒng)中的關節(jié)軸承徑向受載特性研究

孫穩(wěn)

【摘 要】飛機起飛著陸過程中，前起落架所受外載荷不斷變化。結合受載情況以及相關收放參數(shù)，通過建立飛機前起落架收放動力學模型以及液壓模型，仿真計算出撐桿作動筒一端關節(jié)軸承的徑向載荷。

【關鍵詞】前起落架；收放動力學；關節(jié)軸承；徑向受載

【Abstract】The external loads of nose landing gear changes during the aircraft take-off and landing process. According to the external loads and some related parameters about the retraction system， the nose landing gear retraction dynamics and hydraulic models are built， and the radial loads of spherical plain bearing are calculated.

【Key words】Front landing gtar；Retractable dyhamics；Spherical plain bearings；Radial loaded

自潤滑關節(jié)軸承具有結構緊湊、重量輕、耐沖擊、耐腐蝕、承載大、使用壽命長等特點，在使用過程中可以免維護和無須添加潤滑劑等優(yōu)異特性，廣泛運用于航空航天領域[1]。本文涉及的低速重載自潤滑關節(jié)軸承應用于飛機前起落架收放系統(tǒng)，其性能直接影響收放系統(tǒng)的可靠性，其摩擦學特性、承載特性以及使用壽命均與使用工況密切相關。

在飛機起飛著陸過程中，輪胎與地面接觸，前起落架收放作動筒進行收放動作，關節(jié)軸承的受載狀態(tài)不斷變化。關節(jié)軸承上的載荷主要是徑向載荷和軸向載荷[2]。由于飛機起飛著陸過程中的側向力主要由主支柱承受，且關節(jié)軸承主要運動形式為內外圈的轉動，擺動角度很小，關節(jié)軸承上軸向載荷并不明顯，載荷變化主要表現(xiàn)為徑向載荷的變化。

利用Adams和AMESim進行聯(lián)合仿真，建立前起落架收放動力學模型及其液壓模型，計算出關節(jié)軸承在飛機起飛著陸過程中徑向載荷變化。

1 起落架收放系統(tǒng)中關節(jié)軸承

在飛機前起落架收放系統(tǒng)中，自潤滑關節(jié)軸承應用于收放作動筒，其主要形式為桿端關節(jié)軸承[3]，其結構如圖1所示。飛機前起落架收放作動筒示意圖如圖2所示。

2 收放系統(tǒng)中關節(jié)軸承受載特點

飛機從著陸開始，到再次起飛，要經(jīng)歷著陸滑跑、主輪剎車、著陸曲線滑行、轉彎、牽引、起飛線曲線滑行、發(fā)動機試車、起飛滑跑等階段[4]，期間除了輪胎要受到跑道的作用力之外，前起落架還受到氣動阻力的影響。

輪胎與地面接觸時，機輪軸主要受到垂直于地面向上的作用力Py、沿飛機航向的摩擦力Px以及垂直于上述兩力所在平面的側向載荷Pz，三個力的方向示意圖如圖3和圖4所示。在飛機起飛著陸過程中，發(fā)動機試車時地面各項作用力最大，地面的支反力幾乎由前起落架主支柱及緩沖器承受，而輪胎與地面的摩擦力和側向載荷較地面支反力小很多，相關數(shù)值如表1所示。

飛機從降落到完全停止，或者從起飛線開始滑跑至爬升過程中，由于起落架收放角度在不斷變化，對應的迎風面積也在不斷變化，因此作用在起落架上的氣動載荷也不斷變化。假定前起落架完全放下時的收放角度為0°，收起時的角度為90°，在從0°到90°的變化范圍內，氣動力載荷隨角度變化而連續(xù)變化，將氣動力載荷折算成對前起落架主支柱根部鉸接點的力矩，如圖5和圖6所示。

起落架收放過程中，收放作動筒結構上是一個二力桿，關節(jié)軸承的徑向載荷即為收放作動筒上的液壓力。

3 前起落架收放動力學模型及其液壓模型

3.1 收放動力學模型

首先在Catia中建立前起落架收放的三維模型，并對各個部件賦予相關的屬性；利用MSC.SimDesigner端口，將三維模型導入到Adams中，并在Adams中給動力學模型各部分施加約束，并在適當?shù)墓?jié)點施加載荷，模擬起落架起飛著陸過程中的受載工況。

起落架收放過程中，影響關節(jié)軸承受載的有三個方面：1）起落架的質量力；2）氣動阻力；3）起落架收放作動筒液壓力。質量力是起落架收放中的關鍵載荷，尤其是在接近收上位置時或打開上位鎖放下時，起落架質量力對收放的影響較大，幾乎是在收放作動筒上的全部載荷。通過SimDesigner導出的起落架模型已經(jīng)自動生成了各零件的質量屬性文件，并且所有的質量屬性會隨著模型一起導入Adams中，也就是說，從Catia導入進Adams的模型同時具有幾何特性和質量屬性[5]。在Adams中軟件會根據(jù)各零件的質量屬性自動產(chǎn)生重力，作用點在零件的質心，也可以自行定義重力加速度的方向和大小。收放動力學模型如圖7所示。

圖7中對幾個鉸點連接以及某些部件之間的位置進行約束，起落架根部轉軸與其支座、撐桿作動筒根部與其支座均采用平面鉸接方式連接，撐桿作動筒一端關節(jié)軸承與起落架支柱上的耳片采用球鉸連接，撐桿作動筒內筒與外筒采用滑移副約束，各支座與頂板也均采用固定連接的方式進行約束。

起落架氣動阻力的連續(xù)變化相對復雜，因而對它的模擬是整個仿真過程中一個的難點。氣動載荷加載一般有兩種方式，一種是已知氣動載荷譜，可直接編寫氣動載荷—時間曲線函數(shù)，將表達式讀入收放動力學模型；另一種是利用Adams/Aircraft模塊中的氣動加載功能來加載。根據(jù)圖3及圖4中的曲線，編寫氣動載荷—收放角度函數(shù)，在動力學模型中加載氣動載荷。

3.2 收放系統(tǒng)液壓模型

收放作動筒的液壓力為起落架收放運動的主要驅動力，結合前起落架系統(tǒng)各部分的質量、收放作動筒的行程、起落架收放時間以及氣動阻力矩，可確定收放作動筒上的載荷。利用AMESim液壓仿真軟件建立前起落架收放系統(tǒng)的液壓模型，如圖8所示。

通過設置收放液壓模型與收放動力學模型之間的軟件接口，實現(xiàn)Adams與AMESim之間的數(shù)據(jù)交換，從而進行聯(lián)合仿真。

4 仿真結果

圖9為飛機起飛線發(fā)動機試車時關節(jié)軸承上的徑向載荷，圖10為起飛著陸過程中氣動阻力作用下關節(jié)軸承徑向載荷變化。

圖9中顯示飛機在起飛線試車時，關節(jié)軸承徑向載荷約為44178.70N。圖10中，0到5.37s起落架從放下位置收起至上鎖位置，撐桿作動筒中的液壓力從0升至68998.27N；起落架收上后，在收起位置停留5.63s，此時撐桿作動筒中液壓力在卸載；11s時，上位鎖解鎖，起落架開始放下，由于液壓系統(tǒng)的阻尼作用，導致?lián)螚U作動筒中的液壓力出現(xiàn)振蕩，起落架放下過程中，氣動阻力與起落架本身的質量力共同作用，液壓系統(tǒng)中流量持續(xù)減小，至15.83s時起落架完全放下。

最終確定收放作動筒一端的關節(jié)軸承徑向載荷變化范圍為0至68998.27N。

5 結束語

本文采用聯(lián)合仿真的方法對飛機前起落架收放作動筒中的關節(jié)軸承徑向載荷進行了仿真計算，對前起落架收放動力學以及液壓系統(tǒng)進行了相應的建模，仿真過程中充分考慮飛機在起飛著陸過程中前起落架的受載情況以及相關收放參數(shù)。仿真結果對飛機起落架收放系統(tǒng)測試試驗設計提供了參考依據(jù)，并對收放系統(tǒng)中關節(jié)軸承的選型以及關節(jié)軸承各項性能的試驗研究有重要的工程意義。

然而，仿真無法代替實際測試，仿真中將前起落架作為一個純剛體，并未考慮某些部件的形變帶來的影響，如前起落架輪叉、主支柱緩沖器，如果要盡可能獲取精確的仿真數(shù)據(jù)，必須考慮所有影響收放過程的方面。

【參考文獻】

[1]楊育林，祖大磊，黃世軍.自潤滑關節(jié)軸承現(xiàn)狀及發(fā)展[J].軸承，2009（1）：58-61， 65.

[2]郭寶霞. 關節(jié)軸承及其標準發(fā)展概況[J]. 中國標準導報，2003（7）：44-46.

[3]飛機設計手冊總編委員會. 飛機設計手冊第14冊起飛著陸系統(tǒng)設計[M].北京： 航空工業(yè)出版社， 2002：739.

[4]余雄慶， 徐惠民， 昂海松.飛機總體設計[M].北京： 航空工業(yè)出版社， 2000：8.

[5]王洪憲.飛機起落架動態(tài)性能研究及試驗驗證[D].南京航空航天大學，2010.

[責任編輯：曹明明]