某新型民用飛機起落架撐桿鎖彈簧的載荷設(shè)計

辛 艷，陳心劍

(中航西飛民用飛機有限責任公司，陜西 西安 710089)

現(xiàn)代飛機起落架是飛機的重要部件之一，其工作性能的優(yōu)劣直接影響飛機起飛、著陸性能和安全。撐桿鎖是起落架下位鎖中較常見的一種形式，其作用是當起落架到達放下位置時，對起落架進行鎖定[1]。鎖彈簧帶動起落架鎖撐桿運動到鎖定位置，并將起落架保持在鎖定位置，其載荷設(shè)計需要考慮起落架從放下到鎖定位置過程中的各種受力因素。

1 主起落架撐桿鎖概述

某新型民用飛機主起落架撐桿鎖機構(gòu)主要包含上撐桿、下?lián)螚U、上鎖撐桿、下鎖撐桿、鎖彈簧、開鎖作動筒等組件，如圖1所示。其中各個撐桿采用工字梁的形式，上撐桿與下?lián)螚U合稱為側(cè)撐桿，上鎖撐桿與下鎖撐桿合稱為鎖撐桿，鎖彈簧采用了雙備份的形式，開鎖作動筒選用成品。

圖1 某新型民用飛機側(cè)撐桿及其撐桿鎖機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 撐桿鎖原理及結(jié)構(gòu)特點

現(xiàn)在較成熟的撐桿鎖結(jié)構(gòu)是可折撐桿鎖，通常布置于起落架撐桿折疊處，為連桿式鎖。上鎖后可使撐桿不能折疊，自身承受拉壓載荷。按鎖桿機構(gòu)布置形式，可折撐桿鎖分為自折式和支承式。為保證起落架能自由放下并上鎖，自折式和支承式可折撐桿鎖皆采用彈簧設(shè)計，利用彈簧的拉力或壓力實現(xiàn)上鎖目的，并利用開鎖作動筒解鎖[2]。

自折式撐桿鎖的鎖機構(gòu)布置在撐桿上，結(jié)構(gòu)緊湊，利用空間小，鎖彈簧不會頻繁受力，但其結(jié)構(gòu)剛度較弱，運動軌跡特殊，對開鎖作動筒設(shè)計要求較高。常見的自折式撐桿鎖結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 自折式撐桿鎖

支承式撐桿鎖的鎖機構(gòu)一般不設(shè)置在撐桿上，結(jié)構(gòu)受力合理且剛度好，撓度值一般相對較小，上鎖后不會因受載變形而開鎖，應(yīng)用廣泛。由于鎖彈簧受力復雜，因此對鎖彈簧的設(shè)計要求較高。典型的支承式撐桿鎖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 支承式撐桿鎖

某新型民用飛機主起落架撐桿鎖的布置空間相對狹窄，采用典型支承式撐桿鎖，考慮到撐桿鎖機構(gòu)與周邊結(jié)構(gòu)的間隙要求，對其進行了優(yōu)化設(shè)計，使鎖彈簧受力更加簡單合理，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖4為某新型民用飛機主起落架撐桿鎖的原理示意圖，其中A、D分別代表主起支柱轉(zhuǎn)軸與側(cè)撐桿轉(zhuǎn)軸，AB代表支柱，CD與BC代表上、下?lián)螚U，F(xiàn)G與EF代表上、下鎖撐桿，HK代表彈簧，LF代表開鎖作動筒。主起收放運動機構(gòu)包含由AD、AB、CD、BC構(gòu)成的四連桿機構(gòu)和由EF、FG、BC、AB構(gòu)成的四連桿機構(gòu)[2]，EG、BD分別為鎖撐桿和側(cè)撐桿的撓度線。

圖4 某新型民用飛機撐桿鎖

當起落架放下到位時，側(cè)撐桿CD與BC被拉直，而鎖撐桿FG與EF在鎖彈簧的作用下突破死點，形成7.5 mm的負撓度(撓度方向取撓度線上方為正)并限位頂死。起落架需要收起時，必須先通過開鎖作動筒LF驅(qū)動下鎖撐桿EF，使鎖撐桿撓度為正[3-4]，收放作動筒才能收起主起落架，而后開鎖作動筒在收放過程中隨動。

通過機構(gòu)運動仿真分析可知，在整個收放過程中，鎖彈簧理論使用長度范圍為310.818～408.448 mm，開鎖作動筒使用長度范圍為215.463～258.046 mm。

3 計算與分析

3.1 撐桿鎖受力分析

主起落架在收放過程中，撐桿鎖機構(gòu)受載情況也在變化，主要承受收放作動筒驅(qū)動力、氣彈簧驅(qū)動力、開鎖作動筒驅(qū)動力、鎖彈簧力、氣動力、重力等[5]，不同收放姿態(tài)下的受力特點分析如下。

3.1.1上鎖過程

在主起放下過程中，收放作動筒和氣彈簧同時驅(qū)動主起落架至放下位置，并由鎖彈簧帶動至鎖定位置，上鎖過程有以下特點：

1)鎖撐桿在鎖彈簧的作用下上鎖(彈簧長度由319.567 mm變化至310.818 mm)，鎖撐桿撓度由-7.5 mm變成+7.5 mm。

2)開鎖作動筒長度由248.336 mm變化至258.046 mm。

3)側(cè)撐桿先向下輕微折疊之后再呈拉直狀態(tài)(理論撓度由0至-0.650 mm再至0)。由于側(cè)撐桿撓度變化很小，收放作動筒驅(qū)動力、重力、氣動力等傳至鎖撐桿形成的上鎖阻力極小。

4)主起落架重心變化非常小(小于0.001 mm)。

5)在撐桿鎖上鎖過程中，主要克服機構(gòu)的摩擦阻力與開鎖作動筒的油液阻尼力。

3.1.2開鎖過程

在開鎖過程中，開鎖作動筒驅(qū)動下鎖撐桿，并帶動撐桿鎖機構(gòu)開鎖，鎖撐桿撓度方向與上鎖過程相反，開鎖過程有以下特點：

1)鎖撐桿無論處于正撓度還是負撓度，收放作動筒由于已被供壓，此時收放作動筒在開鎖過程中起到助力作用；氣彈簧由于內(nèi)部存在壓縮氣體，在開鎖過程中是阻力部件。

2)整個開鎖過程中，上鎖彈簧的彈簧力始終為開鎖阻力。

3)開鎖初期，鎖撐桿撓度由+7.5 mm變成-7.5 mm，側(cè)撐桿先向下輕微折疊之后再呈拉直狀態(tài)；由于側(cè)撐桿撓度變化很小，因此重力、氣動力等傳至鎖撐桿處的開鎖阻力極小。

4)開鎖后期，起落架重心位置先降低，此時重力有利于開鎖，開鎖阻力隨之降低。

5)開鎖阻力呈先增大后減小的趨勢。

3.1.3鎖定狀態(tài)

此處的鎖定狀態(tài)為起落架放下鎖定后，輪載信號顯示為“地面”狀態(tài)。該種狀態(tài)為地面承載狀態(tài)，地面載荷主要由側(cè)撐桿承受，鎖撐桿只承受較小的地面載荷。根據(jù)地面載荷計算結(jié)果，最大設(shè)計工況為右偏航著陸工況，此時側(cè)撐桿受拉，最大受壓工況為左偏航著陸工況。

3.2 鎖彈簧載荷設(shè)計

3.2.1設(shè)計要求

鎖彈簧主要功能是實現(xiàn)撐桿鎖機構(gòu)上鎖并使其保持在鎖定位置，設(shè)計采用了兩根彈簧互為備份的結(jié)構(gòu)形式，與ATR-72、A320、B737等機型的鎖彈簧布置類似，其設(shè)計主要需考慮以下幾個方面：

1)起落架放下過程中，側(cè)撐桿被拉直，彈簧力應(yīng)能使鎖撐桿撓度由-7.5 mm轉(zhuǎn)變?yōu)樯湘i狀態(tài)的正撓度+7.5 mm。

2)起落架放下鎖定，但輪載信號顯示為“空中”，鎖彈簧必須能夠承受住由起落架上±2.5g加速度產(chǎn)生的慣性載荷，即能夠使鎖撐桿安全地保持在放下鎖定狀態(tài)。

3)起落架放下鎖定后接觸地面回彈，鎖彈簧需平衡下部質(zhì)量20倍過載的慣性載荷(參考CCAR-25-R4中第25.487條回跳著陸情況)[6]，能夠使鎖撐桿安全地保持在放下鎖定狀態(tài)。

4)起落架放下鎖定，輪載信號顯示為“地面”，鎖彈簧必須能夠承受住在起落架各種地面載荷工況下的鎖定載荷，能夠使鎖撐桿安全地保持在放下鎖定狀態(tài)。

3.2.2鎖彈簧力計算

對鎖彈簧進行設(shè)計計算，設(shè)計中需考慮主要驅(qū)動部件收放作動筒作用力的影響，如圖4所示。另外，也需要考慮重力、氣動力、摩擦阻力等因素。

1)上鎖能力。

由于側(cè)撐桿的理論撓度為零，起落架放下后，鎖撐桿機構(gòu)上鎖過程中，側(cè)撐桿先向下輕微折疊之后再呈拉直狀態(tài)，由于側(cè)撐桿撓度變化很小，收放作動筒驅(qū)動力、重力、氣動力等傳至鎖撐桿處的上鎖阻力將很小，以收放作動筒為例，放下過程中收放作動筒按計算需要提供65 000 N的驅(qū)動力，由力矩平衡可知，側(cè)撐桿需承受的力F側(cè)撐桿=F收放作動筒×d1/d2=22 240.64 N。其中：F收放作動筒為收放作動筒驅(qū)動力；d1為收放作動筒軸線到支柱轉(zhuǎn)軸的距離；d2為側(cè)撐桿軸線到支柱轉(zhuǎn)軸的距離。

鎖撐桿需承受的力F鎖撐桿=F側(cè)撐桿×d3/d4=134.62 N。其中：d3為側(cè)撐桿力作用線到側(cè)撐桿下連接轉(zhuǎn)軸的距離；d4為鎖撐桿力作用線到側(cè)撐桿下連接轉(zhuǎn)軸的距離。

上鎖時鎖彈簧載荷F彈簧=F側(cè)撐桿×d6/d5=21.52 N。其中：d5為上鎖彈簧力作用線到上鎖撐桿運動轉(zhuǎn)軸的距離；d6為鎖撐桿力作用線到上鎖撐桿運動轉(zhuǎn)軸的距離。

2)空中鎖定能力。

合并考慮3.2.1中2)與3)的情況，20倍過載的慣性載荷為空中振動設(shè)計工況，重心位置假定于輪軸處，該載荷將使支柱逆時針轉(zhuǎn)動，根據(jù)收放載荷計算報告，該載荷在支柱轉(zhuǎn)軸處形成的力矩值為6 905 000 N·mm，此時F側(cè)撐桿，F(xiàn)鎖撐桿為：F側(cè)撐桿=M過載/d2=21 269.71 N；F鎖撐桿=F側(cè)撐桿×d3/d4=128.74 N。其中：M過載為20倍過載的慣性載荷產(chǎn)生的繞支柱轉(zhuǎn)軸的力矩。

空中上鎖時鎖彈簧載荷F彈簧=F鎖撐桿×d6/d5=20.58 N。

3)地面鎖定能力。

只有當側(cè)撐桿受壓且側(cè)撐桿撓度向下的時候才能驅(qū)動起落架在放下位置鎖定，側(cè)撐桿的最大受壓使用載荷為324 983.07 N(地面載荷計算報告中數(shù)據(jù))，此時F鎖撐桿=F側(cè)撐桿×d3/d4=1 967.10 N。

地面上鎖時鎖彈簧載荷F彈簧=F鎖撐桿×d6/d5=314.50 N。

綜合以上3種情況，單根鎖彈簧需提供不小于314.50 N的載荷。

3.3 開鎖力計算

受起落架上的位置空間以及安裝方式限制，在起落架試驗中難以直接測量鎖彈簧的力值來驗證鎖彈簧的設(shè)計載荷是否滿足要求，因此間接通過對開鎖力的計算和仿真來驗證是否滿足要求。

撐桿鎖在開鎖過程中受到收放作動筒力、氣彈簧力、重力、上鎖彈簧力、氣動力、摩擦阻力等多種載荷的影響。

1)收放作動筒附加的開鎖力。

根據(jù)收放作動筒載荷計算報告，收放作動筒提供43 520 N的收起驅(qū)動力，此時F側(cè)撐桿，F(xiàn)鎖撐桿為：F側(cè)撐桿=F收放×d1/d2=14 890.96 N；F鎖撐桿=F側(cè)撐桿×d3/d4=90.13 N。

由力矩平衡可知，開鎖作動筒需提供的力F開鎖1=F鎖撐桿×d8/d7=29.67 N。其中：d7為開鎖作動筒開鎖力作用線到下鎖撐桿與側(cè)撐桿連接軸距離；d8為鎖撐桿力作用線到下鎖撐桿上的開鎖作動筒安裝軸距離。

2)氣彈簧附加的開鎖力。

根據(jù)載荷計算報告，氣彈簧載荷在放下位置的載荷為10 600 N時，得到的側(cè)撐桿上的載荷為6 095 N，此時需要的開鎖力F開鎖2=F側(cè)撐桿×d3/d4×d8/d7=12.15 N。

3)重力附加的開鎖力。

根據(jù)載荷計算報告，下部活動質(zhì)量約為400 kg，過載系數(shù)取2.5時得到的側(cè)撐桿上的載荷為11 990 N，此時需要的開鎖力F開鎖3=F側(cè)撐桿×d3/d4×d8/d7=23.90 N。

4)上鎖彈簧力附加的開鎖力。

上鎖彈簧進行了雙備份，其彈簧力取方案值450 N，此時需要的開鎖力F開鎖4=F彈簧×2×d5/L1×L2/d7=1 120.06 N。其中：L1為上鎖撐桿的長度；L2為下鎖撐桿的長度。

5)總開鎖力。

總開鎖力F開鎖=F開鎖1+F開鎖2+F開鎖3+F開鎖4=1 185.78 N。由于主起機構(gòu)的復雜性，氣動力與摩擦阻力等其他因素對開鎖的影響較難精確評估，如不考慮該部分影響，開鎖作動筒需提供不小于1 185.78 N的開鎖力。

3.4 開鎖力仿真分析

以上的開鎖力計算是一種靜態(tài)的求解過程，只是對各載荷因素按極限設(shè)計后進行疊加求解。由于主起機構(gòu)具有運動特性[7-8]，如對起落架收放中的每個姿態(tài)進行工程計算，存在較大的困難。為精準求得開鎖力的大小，利用LMS Virtual. Lab軟件進行仿真，仿真模型如圖5所示。施加的載荷有收放作動筒力、氣彈簧力、鎖彈簧力以及各組件的重力等，未考慮氣動阻力與各運動構(gòu)件的摩擦阻力。

圖5 開鎖力仿真模型

圖6為開鎖力仿真結(jié)果圖，由圖可知：1)開鎖力先增大后減小，開鎖啟動力為1 000.80 N，該仿真結(jié)果與工程計算結(jié)果1 185.78 N相當； 2)開鎖力最大值為1 420.56 N，出現(xiàn)在開鎖作動筒長度為245.3 mm時，此時鎖撐桿撓度為-13.945 mm，上鎖彈簧長度為322.69 mm。

圖6 開鎖力仿真結(jié)果圖

仿真分析結(jié)果表明，開鎖力最大值為1 420.56 N，開鎖力設(shè)計時取最大值，考慮氣動力與摩擦阻力的影響，一般取安全系數(shù)為2.0，即開鎖力應(yīng)不小于1 420.56×2.0=2 841.12 N。同時，仿真結(jié)果更有力地驗證了工程計算結(jié)果，上述工程計算結(jié)果可用于確定上鎖彈簧的啟動力。

在主起落架收放研發(fā)試驗中對鎖彈簧也進行了試驗驗證。試驗中，起落架收放運動符合設(shè)計要求，且鎖彈簧在試驗載荷下工作正常；鎖彈簧在主起接近放下鎖定位置時，能夠帶動鎖撐桿機構(gòu)運動至鎖定位置，且在收放過程中沒有形成對收放作動筒的額外負載。

4 結(jié)束語

本文以某新型民用飛機主起撐桿鎖彈簧的載荷設(shè)計為例，敘述了撐桿鎖結(jié)構(gòu)及原理特點，并對撐桿鎖的工作過程進行受力分析，可作為類似撐桿鎖彈簧載荷設(shè)計的參考。撐桿鎖彈簧在確定設(shè)計載荷時，需要對其各種載荷工況進行計算，根據(jù)計算結(jié)果確定初步設(shè)計值。經(jīng)間接對開鎖力的計算和仿真分析表明，鎖彈簧的載荷值滿足設(shè)計要求，并得到了收放試驗的驗證。另外，鎖彈簧在設(shè)計中不僅需滿足其力值的要求，另外還要考慮布置空間的限制以及安裝拆卸通道的可達性等，才能設(shè)計出合適的彈簧。