一種基于四桿機(jī)構(gòu)的民用飛機(jī)雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳魯峰，陸　丹

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 結(jié)構(gòu)部，上海 201210)

一種基于四桿機(jī)構(gòu)的民用飛機(jī)雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳魯峰，陸丹

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 結(jié)構(gòu)部，上海 201210)

摘要：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)民用飛機(jī)雷達(dá)罩在航線正常運(yùn)行的維修性有非常重要的作用。對(duì)現(xiàn)役傳統(tǒng)機(jī)型的雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和分析，設(shè)計(jì)出一種基于“四桿機(jī)構(gòu)+氣彈簧”運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。將其與傳統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行了對(duì)比，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：四桿機(jī)構(gòu)；氣彈簧；雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

0引言

民用飛機(jī)雷達(dá)罩一般安裝在飛機(jī)機(jī)頭最前端，是構(gòu)成機(jī)身的一部分。雷達(dá)罩除了作為結(jié)構(gòu)件維持飛機(jī)氣動(dòng)外形外，同時(shí)作為氣象雷達(dá)天線的電磁透波窗口，還要滿足氣象雷達(dá)天線對(duì)它的電性能要求，盡量降低對(duì)雷達(dá)電波的影響。此外，相對(duì)于軍用飛機(jī)，作為投入航線運(yùn)營(yíng)的商用飛機(jī)，雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)要滿足飛機(jī)在外場(chǎng)對(duì)氣象雷達(dá)的使用維護(hù)要求。因此，合適的雷達(dá)罩開(kāi)啟閉合機(jī)構(gòu)在維護(hù)過(guò)程中尤為重要。

參考《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]和工程經(jīng)驗(yàn)，雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般要滿足以下要求：

(1)雷達(dá)罩能夠繞機(jī)頭前氣密端框旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得雷達(dá)罩能夠打開(kāi)特定角度；

(2)雷達(dá)罩打開(kāi)角度需能滿足外場(chǎng)檢修雷達(dá)天線及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求；

(3)根部布置撐桿以保證雷達(dá)罩在完全打開(kāi)角度時(shí)能夠維持打開(kāi)狀態(tài)；

(4)撐桿應(yīng)該有足夠的剛度承受外場(chǎng)風(fēng)載等地面載荷；

(5)不能影響前端框的氣密線；

(6)不影響雷達(dá)的掃射區(qū)域。

1傳統(tǒng)機(jī)型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式

傳統(tǒng)機(jī)型的雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般都采用“鉸鏈+撐桿”的組合，A320飛機(jī)雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。其鉸鏈機(jī)構(gòu)為鵝頸結(jié)構(gòu)，在前氣密端框前上部布置鉸鏈支座。撐桿為具有伸縮功能的支桿，并帶有限位鎖，能夠保證雷達(dá)罩維持開(kāi)啟狀態(tài)。操作時(shí)，外場(chǎng)機(jī)務(wù)人員需將雷達(dá)罩抬起至特定角度待限位鎖自動(dòng)鎖定。關(guān)閉雷達(dá)罩時(shí)，需一人抬住雷達(dá)罩，一人松開(kāi)限位鎖，然后緩慢關(guān)閉雷達(dá)罩。

圖1　A320飛機(jī)雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，大部分現(xiàn)役飛機(jī)的雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都能基本上滿足雷達(dá)罩正常的啟閉和維護(hù)，但是也存在以下缺點(diǎn)：

(1)因鉸鏈機(jī)構(gòu)布置在非氣密區(qū)，需在前氣密端框外另布置鉸鏈支座和結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；

(2)撐桿具有伸縮功能，但無(wú)法提供輔助力，外場(chǎng)維護(hù)人員開(kāi)啟時(shí)需用較大的力抬起雷達(dá)罩。

2四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理

四桿機(jī)構(gòu)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常用的一種形式。按照連架桿能否可以做整周轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可以分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。由于受運(yùn)動(dòng)空間限制，雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的四桿機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，即其中一個(gè)連桿固定作為機(jī)架，另兩個(gè)連桿可繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示[2]。

圖2　四桿機(jī)構(gòu)原理圖

結(jié)合雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)罩打開(kāi)時(shí)能夠維持特定開(kāi)啟角度，需在雷達(dá)罩與飛機(jī)機(jī)頭間布置撐桿，“四桿機(jī)構(gòu)+雷達(dá)罩撐桿”的使用如圖3所示。O1、O2和O3點(diǎn)固定在飛機(jī)上，其中O1是撐桿在飛機(jī)上的支撐點(diǎn)，O2和O3是四桿機(jī)構(gòu)的固定點(diǎn)。A、B和C點(diǎn)在雷達(dá)罩上，分別繞3個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，其中A、B兩點(diǎn)是四桿機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)，桿O2A和桿O3B構(gòu)成了四桿機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)桿。C點(diǎn)為撐桿在雷達(dá)罩上的支撐點(diǎn)，O1C表示了撐桿的運(yùn)動(dòng)和伸縮。G點(diǎn)表示雷達(dá)罩中心，其位置變化代表雷達(dá)罩的運(yùn)動(dòng)和關(guān)閉。

圖3　四桿機(jī)構(gòu)在雷達(dá)罩上的應(yīng)用

3雷達(dá)罩鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在某型民用飛機(jī)雷達(dá)罩設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了四桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)撐桿采用了氣彈簧，在雷達(dá)罩打開(kāi)的時(shí)候可以提供輔助支撐力，適當(dāng)減小機(jī)務(wù)人員的操作力。如圖4所示。

圖4　四桿機(jī)構(gòu)在某型飛機(jī)上的應(yīng)用

雷達(dá)罩關(guān)閉時(shí)，撐桿初始長(zhǎng)度762mm。在雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)長(zhǎng)度減至702mm時(shí)，氣彈簧處于完全壓縮狀態(tài)。雷達(dá)罩開(kāi)啟到位時(shí)，氣彈簧處于完全伸展?fàn)顟B(tài)，長(zhǎng)度929mm。撐桿長(zhǎng)度變化如圖5所示。

圖5　雷達(dá)罩開(kāi)啟角度的變化

雷達(dá)罩的開(kāi)啟過(guò)程可以簡(jiǎn)化描述為剛體的平面運(yùn)動(dòng)，因此，其應(yīng)滿足力矩平衡方程：

設(shè)定雷達(dá)罩重量46kg，雷達(dá)罩關(guān)閉時(shí)，手動(dòng)開(kāi)啟施力點(diǎn)在雷達(dá)罩最下側(cè)。根據(jù)力矩平衡方程，利用雷達(dá)罩開(kāi)啟關(guān)閉運(yùn)動(dòng)軌跡，從而得到手動(dòng)操作力變化圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，操作力最大值出現(xiàn)在雷達(dá)罩完全打開(kāi)時(shí)，F(xiàn)=140N。相比無(wú)輔助力的撐桿，完全打開(kāi)時(shí)候操作力約為230N，減小約40%。

圖6　操作力變化圖

撐桿的支撐力隨著開(kāi)啟角度的變化如圖7所示。

圖7　撐桿支撐力變化圖

4雷達(dá)罩撐桿鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了方便機(jī)務(wù)人員操作時(shí)能夠輕松的釋放限位鎖，在撐桿的根部設(shè)計(jì)了一個(gè)“按鈕式”的機(jī)構(gòu)，使用可轉(zhuǎn)動(dòng)的銷軸將機(jī)構(gòu)外殼與軸承端連接，形成一個(gè)以可轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸為軸心的力矩杠桿。

根據(jù)人機(jī)工程學(xué)有關(guān)分析，手操作輕型按鈕允許的最大用力不超過(guò)5N，重型按鈕最大作用力不超過(guò)30N[3]?？紤]鎖定外殼寬度32mm，最多允許兩指按壓，因此，手按壓解鎖力暫定為5N，如圖8所示。

手指按壓外殼從鎖定狀態(tài)到外殼上揚(yáng)5.8°，壓縮彈簧共向下壓縮2.3mm。根據(jù)GB/T1239.6-92《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》，選定中徑D=6mm，簧絲直徑d=0.8mm，彈簧圈數(shù)n=15,彈簧剛度p=1.25N/mm。

圖8　鎖定機(jī)構(gòu)按鈕設(shè)計(jì)

5與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的對(duì)比

通過(guò)在某型號(hào)的雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用“四桿機(jī)構(gòu)+氣彈簧”的設(shè)計(jì)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在不影響氣密線和不需增加多余結(jié)構(gòu)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)罩順利平滑地開(kāi)啟和關(guān)閉；

(2)由于撐桿采用了氣彈簧，能夠在雷達(dá)罩開(kāi)啟時(shí)提供輔助力，機(jī)務(wù)人員的操作力減小40%；

(3)氣彈簧的阻尼效果可以使得雷達(dá)罩關(guān)閉時(shí)能夠緩慢地閉合，避免意外發(fā)生；

(4)采用按鈕式的撐桿鎖定機(jī)構(gòu)，操作簡(jiǎn)便。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“四桿機(jī)構(gòu)+氣彈簧”實(shí)現(xiàn)雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，方便安裝。相比傳統(tǒng)機(jī)型，具有更好的操作性和維護(hù)性。但是，在本文涉及機(jī)型的研制過(guò)程中，由于受總體輸入條件的影響，撐桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中長(zhǎng)度先縮短后伸長(zhǎng)，因此，開(kāi)啟過(guò)程不能設(shè)計(jì)成理想的無(wú)需操作力，僅在撐桿支撐力下就能打開(kāi)的情況。盡管如此，本文的設(shè)計(jì)為以后雷達(dá)罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了較好的思路和基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委員會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第10冊(cè)-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2000:292-293.

[2] 孫桓,陳作模.機(jī)械原理[M].6版.北京:高等教育出版社,2001:190-191.

[3] 胡萍.人機(jī)工程學(xué)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的綜合應(yīng)用[J].機(jī)械制造,2009,47(1):56-58.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：東艷]

A Mechanism for Civil Aircraft Rodame Based on Four-bar Linkage

CHENLu-feng,LUDan

(Structure Design Department,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 201210,China)

Abstract：Mechanism plays an important role for the maintainability of civil aircraft rodame during its service life.This paper researches and analyzes the conventional radome mechanisms,and a mechanism configuration based on "four-bar linkage + gas spring" is designed.Through the comparison with conventional configurations,the mechanism reveals advantages such as simplified structure,convenient operation,etc.

Key words：four-bar linkage;gas spring;radome mechanism

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：陳魯峰(1986-)，男，山東陽(yáng)谷人，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

中圖分類號(hào)：V214.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)03-0003-03