一種典型起落架上位鎖裝置的性能分析

沈　強(qiáng)

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

一種典型起落架上位鎖裝置的性能分析

沈強(qiáng)

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

以一種典型的起落架上位鎖裝置為研究對象，介紹了其主要結(jié)構(gòu)組成和工作原理。以閉鎖的具體性能要求為指導(dǎo)，建立了鎖鉤彈簧和液壓作動(dòng)筒彈簧的性能需求分析數(shù)學(xué)模型。在ADAMS/View仿真環(huán)境下建立了上位鎖虛擬樣機(jī)模型，以總結(jié)出的8種開鎖性能要求工況為輸入條件，逐一進(jìn)行了液壓作動(dòng)筒性能校核。結(jié)果表明，當(dāng)前的液壓作動(dòng)筒參數(shù)設(shè)定能夠滿足需求。同時(shí)，也通過仿真識別出設(shè)計(jì)裕度最小的不利工況，作為上位鎖液壓作動(dòng)筒設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)工況。

起落架上位鎖；性能分析；鎖彈簧；液壓作動(dòng)筒；虛擬樣機(jī)

飛機(jī)起落架收放過程可劃分為開鎖、啟動(dòng)到定位和上鎖這幾個(gè)階段，上位鎖裝置是起落架收放系統(tǒng)的重要組成部分，其基本功能要求是：在規(guī)定的工程環(huán)境下，當(dāng)起落架收起運(yùn)行到極限位置時(shí)將其緩沖支柱鎖住，并保持固定在規(guī)定的收上位置；放下時(shí)要完成預(yù)先開鎖的功能［1］。

上位鎖的使用特點(diǎn)對其設(shè)計(jì)提出了較高的要求，在起落架艙這樣一個(gè)振動(dòng)環(huán)境下，要保持緩沖支柱的可靠鎖定，上位鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，內(nèi)部零組件的設(shè)置和相互之間的裝配方式應(yīng)使得載荷的傳遞路徑簡短而直接。上位鎖一般都帶有兩套相互獨(dú)立的開鎖裝置，以確保正常開鎖系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍能正常開鎖釋放起落架［2］。

本文以某型號飛機(jī)裝備的一種主起落架上位鎖為對象，從其具有典型性的結(jié)構(gòu)組成和工作原理出發(fā)，以性能要求和在此基礎(chǔ)上篩選出來的工況為設(shè)計(jì)輸入，探討了鎖彈簧、鎖鉤、液壓作動(dòng)筒等上位鎖關(guān)鍵部件的尺寸設(shè)計(jì)方法。

1　結(jié)構(gòu)組成與工作原理

上位鎖的主要結(jié)構(gòu)組成包括驅(qū)動(dòng)曲柄、鎖鉤、撞針、鎖鉤彈簧、承動(dòng)鉸鏈、液壓作動(dòng)筒、電動(dòng)馬達(dá)等，參見圖1所示。收起主起落架時(shí)，在上鎖瞬間，緩沖支柱在收起行程末端的動(dòng)能通過鎖環(huán)傳遞到上位鎖鎖鉤，鎖鉤通過兩根拉伸彈簧與驅(qū)動(dòng)曲柄相連，支柱上的鎖環(huán)進(jìn)入鎖鉤后壓迫鎖鉤轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)曲柄的尾端滾柱緊貼鎖鉤表面滑動(dòng)直至其落入鎖鉤阻鐵。滾柱與阻鐵相互壓緊，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)鎖定，在無外來驅(qū)動(dòng)的情況下無法打開。

圖1　上位鎖主要外部端口（左）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成（右）

正常開鎖時(shí)，機(jī)構(gòu)解鎖所需的外部動(dòng)力是由液壓作動(dòng)筒提供的，作動(dòng)筒活塞桿推動(dòng)驅(qū)動(dòng)曲柄逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)使其尾端滾珠與阻鐵脫開。液壓作動(dòng)筒受到一個(gè)壓縮彈簧的預(yù)加載作用，其目的是當(dāng)鎖鉤受到擾動(dòng)載荷時(shí)不會(huì)意外開鎖，保證上鎖狀態(tài)穩(wěn)定安全。

應(yīng)急開鎖是通過一套電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，主要由電動(dòng)馬達(dá)、蝸桿和凸輪盤等組成。通過電接頭輸入的電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，這一轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能通過與馬達(dá)相連的蝸桿傳遞至凸輪盤上，引起與凸輪盤相接觸的驅(qū)動(dòng)曲柄球形承動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)，使尾端滾珠與阻鐵脫開后開鎖。上位鎖同時(shí)安裝有接近傳感器用于向機(jī)組指示主起落架是否成功鎖住。

2　閉鎖性能要求及鎖彈簧剛度需求判定

由上位鎖的工作原理可知，液壓作動(dòng)筒和電動(dòng)馬達(dá)提供的外部激勵(lì)都是通過驅(qū)動(dòng)曲柄傳遞到鎖鉤上從而執(zhí)行開鎖動(dòng)作的，驅(qū)動(dòng)曲柄是上位鎖機(jī)構(gòu)的中樞零件。而閉鎖狀態(tài)則由鎖鉤拉簧和液壓作動(dòng)筒壓簧保證，兩者的彈簧剛度性能直接決定了閉鎖的可靠性。本節(jié)試圖以理論計(jì)算的方法對鎖彈簧的剛度需求進(jìn)行分析。

分析時(shí)采用的局部坐標(biāo)系統(tǒng)參見下圖2，其中坐標(biāo)原點(diǎn)定義在鎖鉤的鉸鏈中心處，X軸方向與鎖鉤平面平行，Z軸方向垂直于鎖鉤承載平面。根據(jù)上鎖時(shí)鎖鉤與緩沖支柱鎖環(huán)之間的可能出現(xiàn)的最不利相對位置情況，將鎖鉤處的水平載荷Fx、側(cè)向載荷Fy、垂直載荷Fz的作用點(diǎn)定位在從鎖鉤中心向外側(cè)方向偏移4.51 mm處。

圖2　上位鎖局部坐標(biāo)系（上）及鎖鉤載荷作用點(diǎn)位置（下）

2.1鎖鉤彈簧預(yù)緊力計(jì)算

鎖鉤彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)保證上位鎖不會(huì)因驅(qū)動(dòng)曲柄受到慣性載荷這樣的非指令載荷而意外開鎖。這條要求是通過沖擊試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證的，本文分析時(shí)將其簡化為一個(gè)在最不利方向上作用于驅(qū)動(dòng)曲柄重心處，大小為6g的恒定載荷，如圖3所示。

圖3　作用在驅(qū)動(dòng)曲柄上的慣性載荷與鎖鉤彈簧載荷

為確保驅(qū)動(dòng)曲柄不會(huì)因沖擊脫鎖，慣性載荷Facc必須與最小彈簧預(yù)緊力Fspr相平衡。假設(shè)兩條鎖鉤彈簧同時(shí)受力，其它載荷如摩擦力等忽略不計(jì)。

驅(qū)動(dòng)曲柄質(zhì)量m=0.72 kg，最大沖擊加速度a=6g.因此，驅(qū)動(dòng)曲柄重心處的慣性載荷為：

慣性載荷關(guān)于鉸鏈中心的力臂LCG=17.7 mm，彈簧載荷關(guān)于鉸鏈中心的力臂Lspr=48.2 mm，鎖鉤彈簧數(shù)量n=2.因此，需要的最小彈簧預(yù)緊力為：

2.2液壓作動(dòng)筒壓簧閉鎖能力

上位鎖的設(shè)計(jì)要求包括：在液壓作動(dòng)筒供壓壓力低于4 137 KPa或等值回油壓力脈沖尖峰下應(yīng)能保持閉鎖。這一要求是通過在作動(dòng)筒活塞桿容腔內(nèi)設(shè)置一根壓簧，提供與開鎖時(shí)活塞桿運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力來實(shí)現(xiàn)的，受結(jié)構(gòu)空間的限制，壓簧的最大可用壓縮量即作動(dòng)筒活塞行程為15.6mm，參見圖4.

圖4　液壓作動(dòng)筒壓簧布置

記液壓驅(qū)動(dòng)壓力達(dá)到最小開鎖壓力Pmin=4 137 KPa時(shí)的作動(dòng)筒載荷為Funl，min，液壓作動(dòng)筒活塞直徑dP=21.9 mm，則：

此時(shí)的彈簧載荷記為Fspring，壓縮量為X，彈簧剛度為K=51.3 N/mm；活塞桿行程為零時(shí)的彈簧預(yù)緊力F0=1 416 N.因此，根據(jù)：

導(dǎo)出：X=2.8mm

以上計(jì)算過程表明，當(dāng)作動(dòng)筒壓力達(dá)到最小開鎖壓力時(shí)的壓簧壓縮量，即活塞桿行程為2.8 mm.因此，若要保持閉鎖狀態(tài)，需要在活塞桿端頭與驅(qū)動(dòng)曲柄之間留出不小于2.8mm的設(shè)計(jì)間隙。

3　開鎖性能要求及分析工況篩選

僅以正常開鎖模式下液壓作動(dòng)筒的性能要求為前提進(jìn)行分析，應(yīng)急開鎖模式下電動(dòng)馬達(dá)等相關(guān)組件的性能要求不在本文討論范圍之內(nèi)。

正常液壓開鎖能力應(yīng)在以下8類工況條件下得到保證：

工況1：供油壓力8 274 KPa，拉伸載荷-11 148 N，無側(cè)向載荷，各處運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)μ=0.2；

工況2：供油壓力12 410 KPa，拉伸載荷-21 350 N，無側(cè)向載荷，各處運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)μ=0.2；

工況3/4：供油壓力19 305 KPa，拉伸載荷-31 529 N，無側(cè)向載荷，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的摩擦力有以下兩種情形之一出現(xiàn)：

一是，關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的摩擦力處于最不利的水平（μ=0.5），其它關(guān)節(jié)處μ=0.2；

二是，所有運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處μ=0.25.

工況5/6：供油壓力1 9305 KPa，拉伸載荷-30 368 N，無側(cè)向載荷，運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的摩擦力有以下兩種情形之一出現(xiàn)：

一是，關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處的摩擦力處于最不利的水平（μ=0.5），其它關(guān)節(jié)處μ=0.2；

二是，所有運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處μ=0.25.

工況7：供油壓力21 029 KPa，鎖鉤處加載有-34.443 kN的拉力；

工況8：供油壓力21 029 KPa，鎖鉤處加載有+30.464 kN的壓力。

4　液壓作動(dòng)筒性能校核

通過在ADAMS/View環(huán)境下建立上位鎖虛擬樣機(jī)模型，針對上述8種開鎖工況要求，對液壓作動(dòng)筒的性能進(jìn)行了仿真分析，仿真時(shí)采用了不考慮重力影響的假設(shè)條件。

4.1上位鎖虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)上位鎖作動(dòng)原理和載荷傳遞路徑，仿真時(shí)選取了以下主要組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，如圖5所示。

圖5　上位鎖ADAMS虛擬樣機(jī)模型

鎖鉤：起落架外載荷加載點(diǎn)；

驅(qū)動(dòng)曲柄：連接鎖鉤和作動(dòng)筒、壓簧，開閉鎖載荷的傳遞中樞

液壓作動(dòng)筒及壓簧：開鎖時(shí)載荷輸入；

撞針：止動(dòng)銷提供的約束支反力加載點(diǎn)；

止動(dòng)銷：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的約束點(diǎn)；

鎖鉤彈簧：閉鎖狀態(tài)保持機(jī)制，與起落架外載荷形成靜平衡；

上述零件中除彈簧外均作為剛體處理。零件之間以理想運(yùn)動(dòng)副相連接，比如，以自旋運(yùn)動(dòng)副模擬鉸鏈。彈簧和與其接觸的部件使用了載荷單元。彈簧通過一個(gè)加載在兩端接頭之間的單向力單元進(jìn)行模擬。彈簧力的計(jì)算是以彈簧變形為變量，同時(shí)考慮彈簧剛度和預(yù)緊力得到的。

4.2性能校核結(jié)果

各工況下對液壓壓力的需求計(jì)算結(jié)果如圖6-圖9所示。

圖6　作動(dòng)筒液壓性能校核-工況1（8274KPa）

圖7　作動(dòng)筒液壓性能校核-工況2（12 410KPa）

圖8　作動(dòng)筒液壓性能校核-工況3-6（19 305KPa）

圖9　作動(dòng)筒液壓性能校核-工況7-8（21 029KPa）

仿真分析計(jì)算結(jié)果表明，各工況下開鎖需要的最大液壓壓力均小于作動(dòng)筒的可用壓力，最大壓力設(shè)計(jì)裕度為工況6，達(dá)25%，最小壓力設(shè)計(jì)裕度出現(xiàn)在工況1，僅為1%.因此工況1是最不利工況，應(yīng)作為作動(dòng)筒性能設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)工況來考慮。

5　結(jié)束語

本文以一種典型起落架上位鎖為研究對象，對關(guān)系到閉鎖性能的主要構(gòu)件如鎖鉤彈簧和作動(dòng)筒壓簧的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了探討。同時(shí)利用工程軟件ADAMS建立了虛擬樣機(jī)模型，對液壓作動(dòng)筒的開鎖性能進(jìn)行了校驗(yàn)，為其它相似設(shè)計(jì)提供了一定的工程參考。

［1］顧長鴻，盛一興，張樹林.飛機(jī)起落架上位鎖機(jī)構(gòu)可靠性分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，21（4）：18.

［2］《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊（第14分冊）.起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002：466.

Performance Analysis of A Typical Landing Gear Uplock Device

SHEN Qiang
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

A introduction is given to themajor components and operation principle of a typical landing gear uplock device.Guided by the specific locking performance requirements，mathematic model is built for the performance analysis of hook spring and actuator spring.Virtual prototype of uplock was built under the simulation environment ADAMS/View，performance of hydraulic actuator was qualified for 8 unlocking cases.The results prove that current parameter set of the actuator is capable of fulfilling requirement.Meanwhile，the critical case with minimum design margin is identified by the simulation and should be chosen as the datum case for the design of hydraulic actuator of uplock.

landing gear uplock；performance analysis；uplock spring；hydraulic actuator；virtual prototype

V227.4

A

1672-545X（2016）05-0082-04

2016-02-15

沈強(qiáng)（1983-），男，安徽銅陵人，碩士研究生，工程師，研究方向：起落架設(shè)計(jì)，包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析。