基于理想氣體定律的起落架氣壓檢測

苗紅濤

摘? 要：起落架是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)著陸、停放、滑行、滑跑的重要部件，緩沖器是起落架組成中的核心部件，緩沖器充氣壓力檢測是直升機(jī)的日常維護(hù)工作之一，常規(guī)充氣壓力檢測方法必須先將直升機(jī)頂起，操作準(zhǔn)備時間長且在復(fù)雜環(huán)境下的操作受限，該文提出一種無須頂起直升機(jī)，在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行充氣壓力檢測的方法，不僅能夠縮短維護(hù)準(zhǔn)備時間，提高直升機(jī)使用效率，也能滿足復(fù)雜地形下起落架氣壓檢測的維護(hù)需求。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);起落架;充氣壓力檢測

中圖分類號：V226? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

起落架是直升機(jī)上的重要部件，主要用于實(shí)現(xiàn)直升機(jī)著陸、停放、滑行、滑跑等操作，同時要具備緩沖著陸、著艦載荷，降低著陸、著艦過載的功能，核心部件為緩沖器，目前大部分緩沖器采用油氣式結(jié)構(gòu)，最簡單的緩沖器的原理模型如圖1所示，其物理結(jié)構(gòu)包括2個筒體（活塞桿和外筒）和一個節(jié)流閥，分離活塞用于物理隔離油液和氣體，由2個筒體包圍組成了緩沖器的內(nèi)部腔體，內(nèi)部腔體被節(jié)流閥和分離活塞隔離成3個腔體，分別是壓油腔、回油腔和氣腔，油腔內(nèi)充填一定體積的液壓油，氣腔內(nèi)充填一定壓強(qiáng)的工業(yè)氮?dú)?，這3個腔體和節(jié)流閥構(gòu)成了油氣式緩沖器實(shí)現(xiàn)緩沖功能的4個必備的基本要素。

正確的緩沖器充氣壓力是保證起落架性能的前提，因此在直升機(jī)的日常檢查維護(hù)工作中，定期檢測緩沖器充氣壓力是一項(xiàng)重要工作，由于初始充氣壓力是指在緩沖器全伸長不受載的情況下的氣腔壓力值，因此常規(guī)檢測方法在檢測前必須先用千斤頂頂起直升機(jī)，確保起落架完全離地，緩沖器處于全伸長狀態(tài)，再使用壓力表測量氣腔壓力值，并與規(guī)定的初始值進(jìn)行對比，判定充氣壓力值是否合格。

由常規(guī)氣壓檢測方法可以看出，用千斤頂頂起直升機(jī)是充氣壓力檢測前的必要工作，這不僅增加了維護(hù)準(zhǔn)備時間，更重要的是在某些復(fù)雜地形下，如果不能實(shí)現(xiàn)直升機(jī)頂起操作，就無法進(jìn)行起落架充氣壓力檢測工作。象在艦面上，艦船受海浪影響時常處于搖晃狀態(tài)，頂起直升機(jī)的難度和風(fēng)險大大增加，因此一般在艦面上不允許頂起直升機(jī)，起落架的氣壓檢查和充氣工作只能在陸基完成;象在崎嶇斜坡路面或松軟沙地都不便于直升機(jī)頂起操作，均無法實(shí)現(xiàn)緩沖器充氣壓力檢測。

所以提出一種非頂起直升機(jī)狀態(tài)下的緩沖器充氣壓力檢測方法很有必要，這樣不僅能大大縮短維護(hù)保障時間，提高直升機(jī)使用效率，更能在復(fù)雜地形實(shí)現(xiàn)對起落架緩沖器的充氣壓力檢測，滿足起落架氣壓檢測的維護(hù)需求。

1 緩沖器工作原理

以單腔緩沖器為例對緩沖器工作原理進(jìn)行說明。通常把如圖1所示的緩沖器稱為單腔緩沖器，是指它只有一個氣腔。

單腔緩沖器工作原理為直升機(jī)著陸時，著陸載荷推動緩沖器壓縮，緩沖器內(nèi)腔總體積減小。由于節(jié)流閥和活塞桿是固定在一起的，因此活塞桿壓縮時壓油腔體積會減小，油液由壓油腔通過節(jié)流閥流入回油腔，進(jìn)而推動分離活塞運(yùn)動，回油腔體積增大，氣腔體積減小，氣體被壓縮。在該過程中，由于氣體被壓縮，壓力增大，相當(dāng)于一個彈簧，吸收一部分著陸能量，此外油液通過節(jié)流閥時會損失一部分壓力，也會消耗一部分能量，最終通過氣腔“彈簧”和油液阻尼實(shí)現(xiàn)起落架吸收著陸能量、緩沖著陸載荷、降低著陸過載的功能。

由緩沖器工作原理看出，如果要檢測緩沖器初始充氣壓力，必須頂起直升機(jī)，使起落架完全卸載離地，緩沖器處于全伸長狀態(tài)。而當(dāng)直升機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，起落架處于承載狀態(tài)，緩沖器在載荷作用下會被壓縮，氣腔充氣壓力升高，此時氣壓值必定與初始值不一致，僅檢測氣壓值無法判定初始?xì)鈮褐凳欠裾_。同時，起落架承受的停機(jī)載荷與直升機(jī)重量、重心位置均有關(guān)，當(dāng)重量重心變化時，停機(jī)狀態(tài)緩沖器氣壓值也隨之變化，所以停機(jī)狀態(tài)緩沖器充氣壓力值不是定值。

雖然在直升機(jī)停機(jī)狀態(tài)檢測氣壓值無法判定初始?xì)鈮褐凳欠裾_，但根據(jù)工作原理也能發(fā)現(xiàn)：當(dāng)緩沖器全伸長狀態(tài)（活塞桿全伸長），氣腔壓力為初始值;當(dāng)緩沖器被壓縮，活塞桿外伸量縮短，氣腔壓力值升高;而且活塞桿外伸量越短（即緩沖器壓縮量越大），氣腔壓力值越高。假設(shè)該過程中緩沖器運(yùn)動十分緩慢，可近似認(rèn)為符合理想氣體定律（在試驗(yàn)室進(jìn)行緩沖器靜壓試驗(yàn)時得到了驗(yàn)證），即氣腔壓強(qiáng)p、體積V、環(huán)境溫度T符合理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT（其中，n為物質(zhì)的量，R為氣體常量）。因此，如果能依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程確定氣腔壓力值與活塞桿外伸量的關(guān)系，形成氣腔壓力—活塞桿外伸量曲線，便可通過對照該曲線判定充氣壓力值是否合格。

2 活塞桿外伸量與氣腔壓力值關(guān)系

圖1為一般單腔油氣式緩沖器結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)緩沖器工作原理，對活塞桿外伸量與氣腔壓力之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)。由理想氣體定律可知，溫度也是變量要素，因此，推導(dǎo)過程考慮環(huán)境溫度因素。

假設(shè)緩沖器初始全伸長狀態(tài)時，環(huán)境開氏溫度為TO，氣腔壓力為P0，氣腔體積為V0，緩沖器外伸量為X0，計(jì)算當(dāng)環(huán)境開氏溫度為T1、對應(yīng)緩沖器氣腔壓力值為P1時的外伸量X1。推導(dǎo)過程如下：

當(dāng)緩沖器外伸量為X1時，緩沖器被壓縮，壓縮長度為（X0-X1），此時油液被擠壓，由于油液的不可壓縮性，油液會通過節(jié)流閥上的油孔進(jìn)入回油腔，同時擠壓分離活塞，進(jìn)而壓縮氣腔體積，使氣腔壓力升高。此時，

流入回油腔的油液體積等于氣腔被壓縮的體積：

得出活塞桿外伸量X與緩沖器充氣壓力值P之間的理論關(guān)系，依據(jù)該關(guān)系式，可得出環(huán)境開氏溫度為T1時的X-P曲線，如圖2所示。

依據(jù)X-P曲線進(jìn)行充氣壓力檢測時，只需測量停機(jī)狀態(tài)時緩沖器實(shí)際的氣壓值PS和活塞桿外伸量XS，并在X-P曲線中查找P=PS時對應(yīng)的理論外伸量值XL，X=XS時對應(yīng)的理論充氣壓力PL，如圖3所示，并將XS與XL進(jìn)行對比，可得出以下結(jié)論：

（1）如果XS=XL，則PS=PL，表明充氣壓力正常。

（2）如果XS

（3）如果XS>XL，則PS>PL，表明充氣壓力過高，應(yīng)在保持外伸量XS不變的情況下，在停機(jī)狀態(tài)將氣壓降至PL。

考慮實(shí)際檢測過程中存在工程誤差，應(yīng)設(shè)定實(shí)測外伸量與理論外伸量之間的誤差閥值△X，并在檢測過程中計(jì)算實(shí)測值與理論值之間的偏差是否超出預(yù)定閥值，具體判定結(jié)論如下：

（1）如果|XS-XL|≤△X，則PS符合要求，表明充氣壓力正常。

（2）如果|XS-XL|>△X，且XS

（3）如果|XS-XL|>△X，且XS>XL，則PS>PL，表明充氣壓力過高，應(yīng)在保持外伸量XS不變的情況下，在停機(jī)狀態(tài)將氣壓降至PL。

3 緩沖器充氣壓力檢測步驟及示例

依據(jù)該文推導(dǎo)出的單腔緩沖器X-P曲線及判定結(jié)論，直升機(jī)停機(jī)狀態(tài)起落架充氣壓力檢測的流程可按圖3進(jìn)行，具體步驟如下：

（1）根據(jù)緩沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得出緩沖器外伸量與充氣壓力之間的“X-P”曲線，并確定外伸量偏差閥值△X;

（2）用尺子測量緩沖器外伸量XS。

（3）用壓力表測量緩沖器充氣壓力值PS。

（4） 在“X-P”曲線中查找壓力PS對應(yīng)的緩沖器理論外伸量XL，計(jì)算|XS-XL|，若|XS-XL|≤△X，則充氣壓力正常，檢測結(jié)束。

（5）若|XS-XL|>△X，應(yīng)在起落架上安裝伸縮限制器，確保緩沖器外伸量XS不變，同時，若XS

示例：

根據(jù)某型直升機(jī)起落架緩沖器低壓腔初始外伸量、氣腔充氣壓力、結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出“緩沖器外伸量—充氣壓力（X-P）”曲線，如圖4所示，圖4中橫軸表示起落架緩沖器低壓腔充氣壓力，單位MPa;縱軸表示起落架緩沖器低壓腔活塞桿外伸量，單位mm。緩沖器外伸量偏差閥值△X=5mm。

當(dāng)直升機(jī)非頂起狀態(tài)檢測到緩沖器充氣壓力PS=3.00 MPa，低壓腔活塞桿外伸量XS=250 mm;在圖4中對應(yīng)標(biāo)記的實(shí)測值點(diǎn);對照圖4曲線查到，3.00 MPa對應(yīng)的理論外伸量XL=302 mm，250 mm對應(yīng)理論充氣壓力PL=3.78MPa。依據(jù)判定流程，|XS-XL|=52>△X，且 XS

4 結(jié)論

該文提出一種基于理想氣體定律的起落架非頂起狀態(tài)充氣壓力檢測判定方法，該方法依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)出單腔緩沖器外伸量與充氣壓力的關(guān)系式，并形成“X-P”曲線和充氣壓力檢測判定流程。依據(jù)該流程可判定其實(shí)測外伸量和充氣壓力值是否正常，并確定理論充氣壓力值。該方法可實(shí)現(xiàn)在非頂起直升機(jī)狀態(tài)下對起落架進(jìn)行充氣壓力檢測，不僅縮短了維護(hù)檢查時間，而且能滿足在復(fù)雜地形對起落架進(jìn)行氣壓檢測的維護(hù)需求，具有工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]高澤迥.《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》14冊：起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會.飛機(jī)著陸裝置強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南[M].四川：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[3]諾曼.斯.柯里.飛機(jī)起落架設(shè)原理和實(shí)踐[M].北京：航空工業(yè)出版社， 1990.

[4]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]張呈林，張曉谷，郭士龍.直升機(jī)部件設(shè)計(jì)[M].北京：航空專業(yè)教材編審組， 1986.