某飛機起落架艙門拉桿故障分析與處理

陳育良，徐達(dá)生，陳永卿

（中航飛機起落架有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410200）

0 引言

現(xiàn)代飛機空地循環(huán)周期縮短，壽命期內(nèi)地面運動距離增長，致使起落架結(jié)構(gòu)所承受的動載荷較大，造成系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，出現(xiàn)故障較多。如何高效及時處理起落架設(shè)計生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障，成為飛機設(shè)計、生產(chǎn)與使用過程中關(guān)注的焦點之一[1，2]。CATIA和ANSYS作為計算機輔助設(shè)計與工程分析軟件代表[3，4]，在現(xiàn)代機械設(shè)計中備受青睞，處理分析起落架故障這類實際生產(chǎn)問題，也理應(yīng)是有效的手段。本文將機械運動仿真和有限元分析引入到故障原因分析中來，并設(shè)計方案成功排除故障。

1 故障描述

（1）工作原理

艙門連接拉桿組件主要由拉桿、連桿、耳環(huán)接頭、螺紋套筒、螺母、止動墊圈等組成。如圖1所示，拉桿組件上端通過萬向接頭與安裝在緩沖支柱的接頭連接，下端通過接頭與艙門上的耳片連接，起落架收放時通過驅(qū)動連接拉桿組件帶動艙門隨動。起落架放下位置，拉桿固定艙門。

（2）故障現(xiàn)象描述

某型飛機起落架艙門安裝調(diào)試時發(fā)現(xiàn)起落架放下狀態(tài)，沿側(cè)向推拉艙門，艙門來回晃動（拉桿組件與艙門連接簡如圖1所示）。將耳環(huán)螺栓擰出或擰進2 mm，故障未能排除。

圖1 拉桿組件與艙門連接簡圖

（3）拉桿故障檢查

通過對故障現(xiàn)場拉桿組件及其設(shè)計圖樣進行檢查發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有設(shè)計與裝配中，連桿與拉桿之間存在1 mm的軸向間隙（如圖2所示），檢查過程中未發(fā)現(xiàn)其它異常情況。

圖2 拉桿組件結(jié)構(gòu)簡圖

2 故障原因

下文先進行運動仿真，計算出拉桿存在1 cm間隙引起艙門局部點的最大位移；再用有限元分析艙門打開及無故障狀態(tài)下拉桿組件的軸向變形及失穩(wěn)臨界應(yīng)力；最后分析確定故障原因。

2.1 機械運動學(xué)仿真

運用CATIA軟件中DMU運動學(xué)模擬器，對艙門及拉桿組件進行仿真。模擬拉桿組件存在1 mm間隙，到連桿帶動艙門沿拉桿軸線向上運動1 mm（間隙消除）這一過程。分別記錄圖1中A、B、C三點（三點分別是艙門距離耳片軸線最遠(yuǎn)邊線上，靠近機頭端點、中點和靠近機尾端點）在運動初始狀態(tài)和最終狀態(tài)的坐標(biāo)，并計算得兩個狀態(tài)各點坐標(biāo)差（單位mm）：

A（▽X，▽Y，▽Z）=A（0，2.855，-1.641）；

B（▽X，▽Y，▽Z）=B（0，3.14，-1.463）；

C（▽X，▽Y，▽Z）=C（0，3.287，-1.312）；

由空間兩點距離：

得到運動后A、B、C三點位移：

▽LA=3.293；▽LB=3.464；▽LC=3.539.

2.2 穩(wěn)定性與變形計算

（1）載荷

艙門打開狀態(tài)下，拉桿受載嚴(yán)重工況，飛機在水中滑行（限制速度為10 km/h），最大側(cè)向速度Vy=1 m/s；艙門阻力系數(shù)Cy=2；艙門側(cè)向投影面積Sy=0.561 m2；動壓 q=（ρ× V2）/2；海水密度 ρ=1 025 kg/m3.

側(cè)向流體阻力[5]：

fy=Cy×q×Sy

=Cy×[（ρ×V2）/2]×Sy

=2×（0.5×1 025×12）×0.561

=575 N

飛機坐標(biāo)系中連桿向量BA方向余弦（cos78.939°，cos 99.364 °，cos 14.57 °）；

連桿作用于艙門B點的坐標(biāo)（圖3所示坐標(biāo)系）：B（-372.657，-134.01，-361.072）；

艙門打開狀態(tài)，外載作用點P點坐標(biāo)：P（-27，-5.636，-257.216）；

外部載荷作用于P點，它對轉(zhuǎn)軸O的矩與連桿AB（二力桿）作用于轉(zhuǎn)軸O的矩平衡。

圖3 艙門打開狀態(tài)參數(shù)模型

PAB× cos14.57°× By-PAB× cos99.364°×（-Bz）=Fy×（-Pz）

PAB× cos14.57°× By-PAB× cos99.364°×（-Bz）=575×257.216

得連桿設(shè)計載荷（1.5倍使用載荷）Psj=1.5×PAB=1.5×784.8=1 177.2 N.

（2）穩(wěn)定性與變形有限元分析

利用Ansys有限元軟件分析艙門打開狀態(tài)下，拉桿與連桿無間隙時，拉桿組件軸向變形與失穩(wěn)臨界壓力（結(jié)果見圖4）。有限元分析結(jié)果顯示，一階模態(tài)下拉桿組件屈曲臨界壓力（有限元分析加載F=1 N，計算得一階載荷系數(shù)λ=15 445）：

Plin=F×λ=1×15 445=15 445 N

臨界壓力下，拉桿組件軸向最大形變：▽LZ=0.096 mm.

圖4 拉桿組件屈曲有限元分析結(jié)果

2.3 故障原因確定

（1）艙門及拉桿組件機械運動仿分析顯示：若連桿與拉桿留有1 mm間隙，此間隙會導(dǎo)致艙門邊緣處的單側(cè)移動距離達(dá)到3.5 mm左右。

（2）拉桿組件穩(wěn)定性與變形有限元分析顯示：1）艙門打開狀態(tài)下，拉桿組件屈曲臨界壓力（Plin=15445N）遠(yuǎn)大于最大設(shè)計載荷（Psj=1 177.2 N）；2）臨界壓力下軸向最大形變約為0.1 mm.

綜上所述，可以判定：正常使用情況下艙門不會因為拉桿組件失穩(wěn)和變形導(dǎo)致艙門晃動故障。此次艙門側(cè)向晃動障是由于連桿與拉桿存在1 mm間隙導(dǎo)致的。

3 設(shè)計改進

考慮到故障成因，為滿足拉桿組件連桿和拉桿之間滿足拉-壓條件下的轉(zhuǎn)動的同時，其軸向連接間隙不能引起艙門晃動，對拉桿組件作如下優(yōu)化更改：在拉桿組件中增加聚四氟乙烯襯墊，以消除拉桿與連桿間隙；為保證拉桿組件裝配后連桿與拉桿轉(zhuǎn)動靈活，允許銼修聚四氟乙烯襯墊端面，但軸向間隙不得大于0.15 mm（經(jīng)機械運動仿真，艙門放下狀態(tài)，拉桿與連桿間隙0.15 mm時，圖1中A、B、C三點運動前后位移都不超過0.5 mm）。優(yōu)化后拉桿組件裝配結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拉桿組件優(yōu)化后裝配簡圖

4 設(shè)計貫改及故障排除

按設(shè)計方案發(fā)更改單，對拉桿組件在制品進行貫改：拆下拉桿組件，將新制襯墊安裝在拉桿組件中。檢查拉桿組件中連桿與拉桿轉(zhuǎn)動是否靈活，修銼聚四氟乙烯襯墊保證軸向間隙不大于0.15 mm，安裝調(diào)試合格后重新裝機使用，結(jié)果表明方案合理可行。

5 結(jié)論

（1）Ansys變形與屈曲分析確定了拉桿組件無間隙，正常使用情況下，艙門不會出現(xiàn)文中所述晃動故障。

（2）DUM運動仿真分析出，艙門打開狀態(tài)，拉桿組件間隙會帶來艙門邊緣約3.5倍的位移，確定了裝機拉桿組件1 mm間隙會造成晃動故障；同時也為改進方案中規(guī)定拉桿組件間隙不超過0.15 mm，提供了理論依據(jù)。

（3）本文針對故障原因設(shè)計的拉桿組件改進方案貫改到飛機上，成功排了除故障。

[1]Heiner Dupow,Gordon Blount.A review of reliability prediction[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology，1997，69(4):356-362.

[2]張成亮.某型飛機起落架故障分析[J].機械工程師，2016（12）：275-276.

[3]李學(xué)志，李若松.CATIA實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]李田囡，王小鋒，寧曉東.飛機起落架收放機構(gòu)與鎖機構(gòu)的集成運動仿真[J].機電工程技術(shù)，2010，39（05）：61-63.

[5]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.《飛機設(shè)計手冊》第14冊-起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.