基于起落架落震試驗的緩沖功量分析

王少寧

（1、北京北摩高科摩擦材料股份有限公司，北京102206 2、華北電力大學，北京102206）

1 起落架緩沖系統(tǒng)簡介

起落架緩沖系統(tǒng)亦稱減震器系統(tǒng)，用以減少飛機由于瞬間撞擊引起的強烈震動。系統(tǒng)由緩沖器和輪胎組成，工作原理是將沖擊能量通過緩沖器活塞的摩擦做功、油液阻尼做功和變形等形式轉換成熱能。良好的緩沖系統(tǒng)應該既能保證飛機具有較好的舒適性，又能保證飛機具有良好的操縱性與穩(wěn)定性[1-2]。輪胎的工作原理與汽車輪胎工作原理，方式基本一致，因此本文后續(xù)主要描述緩沖器的結構形式以及工作過程?，F(xiàn)代飛機上應用最廣泛的是油氣式緩沖器。當緩沖器壓縮時,氣體的作用相當于彈簧, 油液以極高的速度穿過小孔, 吸收大量能量并轉化為熱能, 使飛機很快平穩(wěn)下來[3]。油氣式緩沖器是用空氣存儲能量，吸收和消耗能量則通過油液以一定的控制速度流經節(jié)流孔產生的節(jié)流阻尼實現(xiàn)，其工作曲線如圖1 所示。

圖1 油氣緩沖器載荷- 行程曲線

縱坐標Py表示作用在緩沖器上的軸向力，橫坐標SH表示緩沖器行程。面積OAEBCO 就是氣體壓縮消耗的能量，曲線AEB 就是氣體多變曲線。在正行程中，由于油液流過小孔時受到阻力，以熱的形式消散了一部分能量，即面積AEBDA。緩沖器吸收的全部能量就是面積OADBCO。在反行程時，也要克服小孔對油液的阻力，以熱的形式消耗的能量為AEBFA。這樣，面積ADBFA 就是在緩沖器一個工作循環(huán)中以熱的形式消耗的能量。這樣就使飛機著陸撞擊能量很快衰減，通常輪胎吸收 10%～15%的飛機著陸動能，而剩下85%～90%的著陸動能是由減震器吸收的[4]，所以起落架的緩沖性能主要取決于緩沖器的緩沖性能。在方案階段，設計起落架緩沖系統(tǒng)時往往需要采用一些經驗參數(shù)，如支柱式緩沖器能量吸收效率0.8，輪胎能量吸收效率0.47[4]。完成初樣加工后，進行起落架落震試驗，落震試驗是檢驗起落架緩沖系統(tǒng)最直接也是最接近飛機使用狀態(tài)的驗證方式。落震試驗通常有兩種方法：其一為美國軍標規(guī)定的基于能量等效的無仿升減輕質量法自由落震試驗方法，第二為俄羅斯規(guī)范執(zhí)行的帶機械式仿升的落震試驗方法[5]。

2 基于起落架落震試驗對起落架功量分析

本次落震試驗采用的是減縮質量自由落震試驗方法，機翼升力用減縮質量法模擬，取飛機升力等于飛機的質量，著陸質量由起落架，工裝夾具和吊籃及配重組成的落體系統(tǒng)質量模擬，飛機著陸時的下沉速度用落體系統(tǒng)的試驗投放高度模擬；飛機著陸水平速度用機輪預轉（轉向為逆航向）的方法模擬；機輪與跑道之間的摩擦系數(shù)用特制的測力平臺模擬。

以落體作為整體研究對象，由能量守恒定律，可知：

式中：mt-投放質量，kg；H-投放高度，m；Yc-吊籃重心位移，m；md-起落架當量質量，kg；Vy-飛機著陸時下沉速度，m/s；以某型起落架作為試驗件進行落震試驗，試驗輸入?yún)?shù)如表1 所示，試驗結果如表2 所示，總功量如圖2 所示。

表1 試驗輸入?yún)?shù)

表2 落震試驗試驗結果數(shù)據(jù)

從圖1 可以看出，無論是緩沖器還是輪胎，均有正向壓縮和反向回彈的過程。將圖1 總功量分解為正向壓縮和反向回彈2個過程，如圖2 所示。輪胎的正反向工作過程與緩沖器基本一致，只不過輪胎的阻尼相對于緩沖器而言要小的多，從圖1 也可以看出這一點。

圖2 緩沖系統(tǒng)總功量圖

圖3 緩沖器正向壓縮和反向過程

計算結果如表3 所示。

表3 能量計算結果

上表中緩沖系統(tǒng)吸收的能量與表2 中的測試功量因試驗測試采集的設備、位置和計算采用的數(shù)據(jù)不同等因素存在一定的偏差，但僅有0.3%。測試功量按下式計算：

式中：Yc-最大吊籃重心位移。

計算出緩沖器吸收能量占總比89.54%，輪胎吸收能量占總比10.46%。

3 結論

通過上述分析，計算出緩沖器吸收能量占比89.54%，輪胎吸收能量占總比10.46%。緩沖器效率80.73%，輪胎效率48.1%。與《飛機設計手冊第14 冊起飛著陸系統(tǒng)設計》給出的假定值對比如表4 所示。

表4 計算結果對比

從表4 可以看出，試驗結果與設計初期理論計算的假定值相接近，同時，從第2 章計算結果發(fā)現(xiàn)，輪胎因阻尼相對小的原因，實際吸收的能量僅為壓縮吸收能量1/3 左右，這也為以后設計計算提供了必要的參考依據(jù)。