滾珠式鋼索在飛行操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用

白一尚

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

通過飛行器上機(jī)械傳動鏈的方式，將飛行員的操縱指令傳遞到操縱面，從而實(shí)現(xiàn)飛行控制目的的機(jī)構(gòu)稱為飛行操縱系統(tǒng)[1]。飛行操縱系統(tǒng)控制飛行器的飛行姿態(tài)和高度，與飛行器性能、安全性、可靠性和飛行品質(zhì)有密切的關(guān)系。飛行操縱系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了簡單機(jī)械式操縱系統(tǒng)、機(jī)械液壓式操縱系統(tǒng)、電傳操縱系統(tǒng)，再到光傳操縱系統(tǒng)[2]。因?yàn)闄C(jī)械液壓式飛行操縱系統(tǒng)成本低、可靠性高，所以在飛行器上仍然被廣泛采用。

典型的機(jī)械液壓式操縱系統(tǒng)一般由駕駛員操縱裝置、機(jī)械傳動環(huán)節(jié)和機(jī)械液壓伺服作動器組成。根據(jù)機(jī)械傳動環(huán)節(jié)所使用的傳輸構(gòu)件的不同，又分為硬式操縱線系和軟式操縱線系。硬式操縱線系主要由拉桿、搖臂和支座組成，具有摩擦力小、系統(tǒng)剛度好、對結(jié)構(gòu)變形和溫度變化不敏感、間隙大、重量大、成本高等特點(diǎn)；軟式操縱線系主要由鋼索和滑輪裝置組成，具有系統(tǒng)間隙小、重量輕、易布置、成本低、摩擦力大、系統(tǒng)剛度差、對結(jié)構(gòu)變形和溫度變化敏感等特點(diǎn)[3]。

目前各類飛行器中主要采用軟、硬式操縱或混合操縱線系。在系統(tǒng)方案選擇中一般對遠(yuǎn)距離、平直段傳輸、受力較小的系統(tǒng)或區(qū)域、結(jié)構(gòu)變形小和溫度變化小的區(qū)域、空間開敞維修方便的線路選用軟式操作線系，如輕小類、轟運(yùn)類飛機(jī)的平尾與方向舵操縱、動力飛行操縱系統(tǒng)的前段系統(tǒng)等，其余類型選用硬式操縱線系[3]。飛行操縱系統(tǒng)研制可分為可行性研究、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、地面試驗(yàn)、試飛驗(yàn)證和適航取證等過程。因軟式或硬式操縱線系一般貫穿整機(jī)，零部件多、與其他系統(tǒng)接口多，操縱系統(tǒng)研制涉及大量的計(jì)算、布置、協(xié)調(diào)工作，相應(yīng)的系統(tǒng)驗(yàn)證、后期維護(hù)等工作量也較大。

1 采用滾珠式鋼索的飛行操縱系統(tǒng)

1.1 滾珠式鋼索

滾珠式鋼索，也叫滾珠式軟軸、球柔鋼索等。其傳遞運(yùn)動和力的唯一機(jī)構(gòu)是中間的芯部滑桿，芯部滑桿采用雙滑道和斷面“8”字形結(jié)構(gòu)，由兩排滾珠引導(dǎo)運(yùn)動。產(chǎn)品以芯部滑桿為中心呈中間對稱結(jié)構(gòu)，兩排滾珠的外側(cè)是固定桿，兩固定桿與外圍的金屬管中心軸重疊，固定桿鎖定在鎖緊套上以保證鋼索整體安全。在芯部滑桿和固定桿之間設(shè)有保持架桿，保持架設(shè)有均布的小孔，滾珠就安裝在其中，保持架使?jié)L珠隔開并保持適當(dāng)?shù)木嚯x[4]。產(chǎn)品工作時，滾珠在固定桿和芯部滑桿形成的軌道之間滾動，大大減小了芯部滑桿運(yùn)動時的摩擦阻力。在最外層設(shè)有耐高溫的保護(hù)套，主要是起到保護(hù)及密封的作用。

1.2 滾珠式鋼索特性

軟式操縱線系中鋼索滑輪傳動機(jī)構(gòu)具有典型的剛度和摩擦特性，類似彈簧、摩擦滑塊組件；硬式操縱線系中搖臂拉桿傳動機(jī)構(gòu)具有典型的間隙特性，即可視為具有特定間隙的剛性組件[5]。因?yàn)闈L珠式鋼索傳力部件是一根被約束在滾道中的細(xì)長滑桿，其特性介于軟式操縱線系和硬式操縱線系之間，所以滾珠式鋼索具有較典型的剛度和摩擦特性。

滾珠式鋼索具有易安裝布置、可靠性高的特點(diǎn)和良好的三維定向性能，適合應(yīng)用在狹小、復(fù)雜的空間環(huán)境。滾珠式鋼索兼具硬式操縱線系和軟式操縱線系的優(yōu)點(diǎn)，即摩擦力小、系統(tǒng)剛度較好、對結(jié)構(gòu)變形和溫度變化不敏感、間隙小、重量小等。滾珠式鋼索在EC120 發(fā)動機(jī)控制、EC155主槳操縱系統(tǒng)、NH90 尾槳操縱系統(tǒng)、A340 起落架艙門控制、A320A321 空調(diào)控制等型號中應(yīng)用較廣。在國內(nèi)，滾珠式鋼索在起落架應(yīng)急收放、旋翼剎車、艙門控制和發(fā)動機(jī)控制等方面有應(yīng)用，在主舵面控制方面應(yīng)用較少，相應(yīng)的研究也較少。

2 應(yīng)用實(shí)例

針對某型機(jī)航向操縱系統(tǒng)布置空間狹小、檢查維護(hù)困難的情況，將航向操縱系統(tǒng)中尾梁段由原硬式操縱線系更改為滾珠式鋼索結(jié)構(gòu)。原航向操縱系統(tǒng)由若干拉桿、搖臂、扭軸、支座和軸承組成，更換滾珠式鋼索部分的航向操縱系統(tǒng)由滾珠式鋼索、支座、角片和卡箍等組成。換裝滾珠式鋼索后航向操縱系統(tǒng)重量、安全性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)與換裝前相當(dāng)，維修性改善。為驗(yàn)證更換滾珠式鋼索后的航向操縱系統(tǒng)性能，進(jìn)行了航向操縱系統(tǒng)地面對比試驗(yàn)和試飛驗(yàn)證工作。

3 驗(yàn)證

航向操縱系統(tǒng)地面對比試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖6 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：換裝滾珠式鋼索后航向操縱系統(tǒng)功能正常，操縱范圍、傳動比、摩擦力、間隙、動特性等指標(biāo)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

摩擦力和啟動力：因?yàn)橛彩綋u臂拉桿結(jié)構(gòu)和滾珠式鋼索都主要為滾動摩擦，因此換裝滾珠式鋼索前后系統(tǒng)摩擦力和啟動力相當(dāng)，如圖1 和圖2 所示。

間隙：換裝滾珠式鋼索后傳動環(huán)節(jié)減少，運(yùn)動副減少，航向操縱系統(tǒng)間隙小于換裝前，如圖3 所示。

剛度：因滾珠式鋼索細(xì)長滑桿結(jié)構(gòu)和其剛度特性，換裝滾珠式鋼索后系統(tǒng)剛度減?。▓D4），滾珠式鋼索段剛度與系統(tǒng)調(diào)節(jié)狀態(tài)有關(guān)，經(jīng)安裝調(diào)整，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

頻率特性：航向飛行操縱系統(tǒng)頻率特性在換裝滾珠式鋼索前后均滿足設(shè)計(jì)要求，但由于滾珠式鋼索在操縱系統(tǒng)中引入了柔性環(huán)節(jié)，頻率特性比硬式操縱線系狀態(tài)差，如圖5 所示。

階躍特性：航向飛行操縱系統(tǒng)階躍特性在換裝滾珠式鋼索前后均滿足設(shè)計(jì)要求，但由于滾珠式鋼索在操縱系統(tǒng)中引入了柔性環(huán)節(jié)，階躍特性比桿系狀態(tài)稍優(yōu)，如圖6 所示。

航向操縱系統(tǒng)更換滾珠式鋼索后進(jìn)行了試飛驗(yàn)證，試飛結(jié)果表明，換裝滾珠式鋼索的航向操縱系統(tǒng)操縱正常，操縱力及操縱響應(yīng)正常。

4 結(jié)論

圖1 換裝前后摩擦力

圖2 換裝前后航啟動力

圖3 換裝前后間隙

圖4 換裝前后剛度

圖5 換裝前后頻率特性

圖6 換裝前后階躍特性

滾珠式鋼索特性介于軟式操縱線系和硬式操縱線系之間，兼具硬式操縱線系和軟式操縱線系的優(yōu)點(diǎn)。具有三維定向性好、安裝布置和可靠性高等特點(diǎn)，適合應(yīng)用在空間狹小、復(fù)雜的環(huán)境。在某直升機(jī)航向操縱系統(tǒng)平臺上，通過將尾梁段操縱線系由硬式操縱線系更換為滾珠式鋼索，并進(jìn)行了航向操縱系統(tǒng)地面對比試驗(yàn)和試飛驗(yàn)證工作，表明換裝滾珠式鋼索的航向操縱系統(tǒng)功能正常，系統(tǒng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。滾珠式鋼索在飛行操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用簡化了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，同時也降低了飛行操縱系統(tǒng)維護(hù)時間和成本。