某型飛機(jī)方向舵偏角限制裝置故障分析

劉國(guó)慶 劉菊紅

摘要：某型飛機(jī)方向舵偏角限制裝置機(jī)上地面調(diào)試時(shí)不滿足性能指標(biāo)要求。通過(guò)對(duì)限偏裝置的原理分析、方向舵操縱系統(tǒng)原理分析、方向舵操縱系統(tǒng)安裝、剛度檢查及方向舵操縱系統(tǒng)傳動(dòng)檢查，結(jié)合檢查和分析結(jié)果得出故障原因，擬定故障解決方案并在機(jī)上調(diào)試，成功排除了故障。該經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似限偏裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作提供參考。

關(guān)鍵詞：方向舵；舵偏轉(zhuǎn)限幅器；公差

Keywords：rudder；rudder deflection limiter；tolerance

1 故障描述

某型飛機(jī)采用方向舵偏角限制裝置（下稱限偏裝置）來(lái)限制方向舵在不同空速下的最大偏轉(zhuǎn)角度[1]，以防止在大速度下方向舵偏度過(guò)大導(dǎo)致方向舵載荷超過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制[2]。方向舵偏角限制規(guī)律如圖1所示。不同空速下對(duì)應(yīng)的限制偏度公差如表1所示。

在對(duì)限偏裝置進(jìn)行機(jī)上地面調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分角度公差不能滿足要求，具體如表2所示。

2 方向舵偏角限制裝置

2.1 限偏裝置工作原理

在起飛及降落階段飛機(jī)的速度較慢，這時(shí)方向舵的效率較低，飛機(jī)需要較大的方向舵偏角來(lái)對(duì)準(zhǔn)跑道，若存在大側(cè)風(fēng)時(shí)甚至?xí)玫椒较蚨鏉M偏角度來(lái)糾偏；但在高速飛行情況下，隨方向舵偏轉(zhuǎn)而增加的氣動(dòng)面載荷非常大，常常會(huì)超過(guò)機(jī)體結(jié)構(gòu)所能承受的載荷，因此需要根據(jù)空速來(lái)限制方向舵的最大偏角。在機(jī)械無(wú)助力的飛行操縱系統(tǒng)中，飛行員能發(fā)出的最大力是有限的，因此也就自動(dòng)滿足了方向舵限偏的要求；但在不可逆機(jī)械助力或電傳飛控系統(tǒng)中[3]，飛行員并不能直接感受到方向舵上的氣動(dòng)載荷，因此在高速情況下必須對(duì)方向舵的偏角予以限制以保證飛行安全。

方向舵限偏裝置工作原理如圖2所示。電動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞桿伸出或收回改變菱形四連桿機(jī)構(gòu)的形狀，使止動(dòng)點(diǎn)與活塞桿軸線的距離增加或減少，從而限制旋轉(zhuǎn)搖臂的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.2 限偏裝置與系統(tǒng)的交聯(lián)

限偏裝置并聯(lián)在方向舵操縱系統(tǒng)傳動(dòng)線系中，如圖3所示。限偏裝置的旋轉(zhuǎn)搖臂與腳蹬的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軸固連在一起，根據(jù)限偏裝置的原理，當(dāng)限偏電動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞桿伸出或收回時(shí)，腳蹬協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軸的最大偏轉(zhuǎn)角度也因此改變，相當(dāng)于限制了腳蹬的最大操縱行程，最終決定了方向舵的最大偏轉(zhuǎn)角度。

3 故障分析

3.1 限偏電動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝偏差

根據(jù)表2中方向舵偏度結(jié)果，大部分不合格的數(shù)值都是在操縱左腳蹬時(shí)出現(xiàn)，且操作副駕駛左腳蹬時(shí)方向舵偏角比操作主駕駛左腳蹬時(shí)方向舵偏角要小。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，在方向舵偏度6.5°狀態(tài)時(shí)，如果方向舵偏角限制電機(jī)在航向方向偏差1mm，會(huì)引起副駕駛腳蹬位置與理論位置產(chǎn)生2mm的偏差。從腳蹬位移測(cè)量結(jié)果反推，方向舵偏角限制電機(jī)安裝位置與圖紙偏差1mm。

3.2 系統(tǒng)剛度問(wèn)題

駕駛艙地板結(jié)構(gòu)的剛度較差，且限偏裝置安裝在副駕駛腳蹬協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軸下，從副駕駛腳蹬協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軸到助力器的傳動(dòng)路徑長(zhǎng)，從正駕駛腳蹬協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)軸到助力器的傳動(dòng)路徑短，因此操作正駕駛腳蹬和操作副駕駛腳蹬的剛度是不一致的。

空速為254km/h時(shí)，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度大0.6°，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度大0.56°。

空速為311km/h時(shí)，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度大0.6°，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度大0.55°。

空速為421km/h時(shí)，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的左偏度大0.43°，主駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度比副駕駛操縱腳蹬時(shí)方向舵的右偏度大0.51°。

腳蹬的行程越大，需要的腳蹬操作力越大。主、副駕駛在同一空速下對(duì)應(yīng)的方向舵偏度差別與腳蹬力大小有關(guān)，從表2中可以看出。腳蹬行程越大即腳蹬力越大，方向舵偏度差別就越大。

3.3 系統(tǒng)空行程

對(duì)方向舵操縱系統(tǒng)的調(diào)整是在系統(tǒng)未通壓的情況下進(jìn)行的，由于方向舵操縱系統(tǒng)的傳動(dòng)路徑較長(zhǎng)，系統(tǒng)的空行程較大，在未通壓下將系統(tǒng)調(diào)整到中立位置，當(dāng)系統(tǒng)通壓后會(huì)發(fā)現(xiàn)方向舵相對(duì)于理論中立位置向左偏離了近1°。

4 解決措施

由于限偏裝置在機(jī)上已經(jīng)安裝完畢，機(jī)上安裝維護(hù)空間非常狹小，如果要對(duì)其進(jìn)行重新定位，勢(shì)必要拆除附近多個(gè)設(shè)備，考慮到實(shí)施周期過(guò)長(zhǎng)，暫不采取該措施。國(guó)內(nèi)其他飛機(jī)限偏裝置的安裝位置一般都非?？拷ζ?，這是為了避免系統(tǒng)各部分剛度不一致問(wèn)題，如果要將限偏裝置從駕駛艙位置挪到垂尾助力器前，還需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)口，且線束也需做大的更改，因此也不采取該措施。

根據(jù)表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和允許的公差，擬先對(duì)方向舵操縱系統(tǒng)進(jìn)行通壓調(diào)整，盡量提高方向舵操縱系統(tǒng)在中立位置時(shí)的精度。再針對(duì)每個(gè)空速檔位的超差情況，更改限偏裝置電動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞桿行程，以補(bǔ)償其超差部分。

4.1 通壓調(diào)整系統(tǒng)

在系統(tǒng)通壓情況下，對(duì)方向舵操縱系統(tǒng)進(jìn)行中立位置基準(zhǔn)調(diào)零。在此基礎(chǔ)上對(duì)方向舵偏角限制裝置的測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，不滿足的項(xiàng)數(shù)明顯減少，且都是在操作副駕駛時(shí)才出現(xiàn)超差情況。對(duì)于空速421km/h對(duì)應(yīng)的檔位已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，不需要進(jìn)行調(diào)整。

測(cè)試結(jié)果顯示，254km/h檔位偏小，311km/h檔位偏小，因此，在254km/h檔位上，若對(duì)方向舵偏角增加0.48°，方向舵偏角將全部滿足設(shè)計(jì)要求。在311km/h檔位上，若對(duì)方向舵偏角增加 0.42°，方向舵偏角將全部滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算，方向舵在254km/ h檔位上增加0.48°的偏角，電機(jī)輸出應(yīng)該增加1.012mm。方向舵在311km/h檔位上增加0.42°，電機(jī)在175節(jié)檔位時(shí)的電機(jī)輸出應(yīng)該增加0.658mm。

4.2 限偏裝置電動(dòng)機(jī)構(gòu)控制更改

更改限偏裝置電動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出行程后，均勻緩慢地蹬腳蹬，得出方向舵偏角限制裝置工作狀態(tài)下方向舵偏度的測(cè)試結(jié)果，如表4所示。

由于系統(tǒng)空行程的存在，使得在快速操縱腳蹬時(shí)方向舵的偏度會(huì)存在部分超差?？焖俨倏v腳蹬時(shí)的方向舵偏度如表5所示。

快速蹬腳蹬時(shí)，311km/h檔位超過(guò)了公差0.04°，421km/h檔位超過(guò)了公差0.39°。在311km/h檔位時(shí)，如果將方向舵偏度減小0.21°，在各種操縱狀態(tài)下都將滿足要求。針對(duì)421km/h檔位出現(xiàn)的現(xiàn)象，根據(jù)以往的調(diào)試結(jié)果，如果再向下調(diào)整容易出現(xiàn)計(jì)算機(jī)指令與電機(jī)的電位計(jì)行程不匹配，因此不針對(duì)421km/h檔位再調(diào)整。更改電機(jī)輸出行程后的方向舵偏度測(cè)試結(jié)果如表6所示，所有結(jié)果均在要求的公差范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

針對(duì)方向舵偏角限制裝置的故障，從限偏裝置原理出發(fā)，結(jié)合交聯(lián)的方向舵操縱系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，確定故障原因。本文并未直接針對(duì)引起故障的原因進(jìn)行調(diào)整和修正，而是根據(jù)實(shí)際的施工難度及進(jìn)度，從其他容易實(shí)施的措施來(lái)間接解決系統(tǒng)故障，在解決問(wèn)題時(shí)應(yīng)跳出“修正引起故障的原因來(lái)消除故障”這一思維的禁錮。本文對(duì)今后相似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)參考，應(yīng)極力避免類(lèi)似問(wèn)題的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第6冊(cè) 氣動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第9冊(cè) 載荷、強(qiáng)度和剛度[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 徐鑫福，馮亞昌.飛機(jī)飛行操縱系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1989.

作者簡(jiǎn)介

劉國(guó)慶，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轱w機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

劉菊紅，研究員，研究方向?yàn)轱w機(jī)飛控總體設(shè)計(jì)。