推拉鋼索在發(fā)動機操縱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

航空工業(yè)哈飛飛機設(shè)計研究所 董云峰 王玉璠

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，推拉鋼索等技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到航空器發(fā)動機操縱系統(tǒng)的設(shè)計中，在合適的位置應(yīng)用推拉鋼索可有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。推拉鋼索安裝簡單，節(jié)約成本，受外部條件影響小，安裝后不需特別維修和保養(yǎng)。筆者對球型推拉鋼索操縱系統(tǒng)的適用范圍、功能特點、安裝方式、參數(shù)計算等進行了簡要分析，對于含推拉鋼索的機械控制發(fā)動機操縱系統(tǒng)設(shè)計、降低業(yè)內(nèi)人員開展同類操縱系統(tǒng)的設(shè)計難度，提供有效依據(jù)和指導(dǎo)。

一、推拉鋼索應(yīng)用概述

目前，在國外的航空器飛行操縱系統(tǒng)設(shè)計中，眾多機型都采用了推拉鋼索設(shè)計技術(shù)，節(jié)省了安裝空間和系統(tǒng)重量，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。例如Bell429、EC135 等機型的航向操縱系統(tǒng)、輔助操縱系統(tǒng)，EC175 型機的主旋翼總距操縱系統(tǒng)，以及航向操縱系統(tǒng)中都采用了推拉鋼索設(shè)計，推拉鋼索部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 推拉鋼索部件結(jié)構(gòu)

鋼索組件用于傳遞作用在操縱桿上的操縱力，由于發(fā)動機操縱系統(tǒng)的敷設(shè)空間一般曲折且狹窄，發(fā)動機操縱系統(tǒng)往往整體或部分采用推拉鋼索操縱裝置，該裝置可以自然彎曲或承受一定的人工折彎，以便適應(yīng)操縱通道的線系布局。推拉鋼索的實質(zhì)是一個線性滾珠軸承，由于受到外部金屬套管的導(dǎo)向限制，不能像線性鋼索那樣形成回路或只承受拉力，而是通過單片鋼片導(dǎo)軌在金屬套管中滑動傳遞推力和拉力，從而傳遞駕駛員作用于操縱把手的運動。推拉鋼索特性的正確應(yīng)用能顯著改善操縱系統(tǒng)的重量、空行程、摩擦力等關(guān)鍵指標(biāo)。

空行程是推拉鋼索由于彈性應(yīng)變、套管變形和裝配間隙等因素產(chǎn)生的無效行程，表現(xiàn)為中心導(dǎo)軌工作時其輸入端與輸出端位移不一致，它是影響操縱系統(tǒng)精度的重要因素。摩擦力包括啟動摩擦力和運動摩擦力，系統(tǒng)摩擦力過大將導(dǎo)致過操縱、不利于回中、難于精確操縱甚至加劇飛機的“誘發(fā)震蕩”。剛度是推拉鋼索在受拉或壓時抵抗變形的能力，直接影響到系統(tǒng)的傳動關(guān)系、穩(wěn)定性和飛機的顫振臨界頻率。

推拉鋼索在系統(tǒng)設(shè)計時，不同長度及不同的布置情況會對空行程、摩擦力及剛度產(chǎn)生影響，從而影響操縱系統(tǒng)性能。通過了解推拉鋼索的一些基本機械特性，即鋼索處于不同的彎曲狀況下，其空行程、摩擦力和剛度的變化情況，可確定最佳的布置曲線。

二、推拉鋼索的特點

普通軟式鋼絲編制的鋼索只能承受拉力，不能承壓，一般通過固定的滑輪調(diào)整傳力方向并形成閉合回路，設(shè)計時要考慮安裝支架的重量問題，鋼索隨季節(jié)溫度變化張力會受到影響。

推拉鋼索軟式操縱系統(tǒng)選用1 根或多根推拉鋼索作為其主要傳力部件，其余零部件與一般機械操縱系統(tǒng)一致；負(fù)載傳輸效率可高達95%，并且抗壓與抗拉能力強，精度高，對溫度變化不敏感；推拉鋼索更好地替代了柔性鋼索或拉桿等常見的傳力部件；推拉鋼索軟式操縱系統(tǒng)不需構(gòu)成回路系統(tǒng)，不需使用滑輪導(dǎo)向，跟隨性好，不需考慮鋼索張力和鋼索下垂等問題；與硬式操縱相比，推拉鋼索軟式操縱系統(tǒng)體積小，零部件少，任意方向上運動靈活，使用期間無需調(diào)整和潤滑。

在選擇操縱線系的形式時要根據(jù)航空器的性能要求和總體布置來決定。對于上單翼結(jié)構(gòu)飛機，發(fā)動機操縱鋼索在發(fā)動機操縱臺到動力艙之間傳遞運動時，必然存在大量的空間折彎點。針對這種情況，理論上應(yīng)通過加大鋼索轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎角度，緩解空間折彎點對鋼索的影響，但在設(shè)計鋼索走向時，由于過多地強調(diào)鋼索的免維護性和可彎折性，導(dǎo)致鋼索在布局中為避讓其他系統(tǒng)，在地板下部和機翼附近存在很多小角度折彎與扭轉(zhuǎn)。折彎和扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致了鋼索芯變形，內(nèi)部滑軌不能順暢地進行直線運動，滾珠與鋼索護套內(nèi)壁接觸應(yīng)力增大，最終表現(xiàn)為空行程和摩擦力增加，進而造成發(fā)動機功率控制精度下降。

三、推拉鋼索的安裝及選擇要求

推拉鋼索的安裝方式對于獲得良好的使用效果尤為重要，如圖2所示。鋼索在自由的橫向力作用下，兩端及中心軸應(yīng)當(dāng)與輸入、輸出端在同一平面上擺動。需要注意鋼索的行程要略大于操縱桿的行程。對于具有內(nèi)置萬向結(jié)構(gòu)的操縱鋼索，端頭的擺動角β一般為±8°。對于鋼索固定點后的部分，需要保留足夠長的直段，長度應(yīng)該大于鋼索一半的行程量并且不小于50mm，最小彎曲半徑R應(yīng)在150mm 以上。為了減小運動時鋼索擺動的影響，應(yīng)盡量將第一個固定點位置放置更遠以增加“A”的長度。

圖2 推拉鋼索安裝示意

對于推拉鋼索的選擇和使用，要確定操縱系統(tǒng)輸入輸出載荷，初步設(shè)計出推拉鋼索操縱線系的走向和結(jié)構(gòu)主要承力框、梁位置，按照總體方案中的傳動比分配和操縱力要求，計算出推拉鋼索傳遞的最大載荷和工作行程。

推拉鋼索在運輸和儲存時最好完全展開或以“8”字形擺放，不能盤繞成圓圈形，長期圈形盤繞可能會的損壞鋼索內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在設(shè)計操縱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局時，應(yīng)注意推拉鋼索與相連的搖臂半徑的比例關(guān)系，將推拉鋼索的運動行程調(diào)整到一個合適的大小。防止鋼索行程過小使空行程對操縱線系的影響被放大以及操縱效率過低，或因行程過大導(dǎo)致操縱裝置的操縱距離和輸入端搖臂運行角度過大，占用過多空間且不利于系統(tǒng)響應(yīng)速度。

選取的推拉鋼索摩擦力大小應(yīng)能滿足飛行操縱系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的要求。在限制載荷范圍內(nèi)，推拉鋼索應(yīng)具有足夠的剛度保證鋼索不產(chǎn)生有害的或永久的變形，并且在限制載荷范圍內(nèi)，推拉鋼索的變形不應(yīng)產(chǎn)生過大的摩擦力和位移偏差。

推拉鋼索終端部件能適應(yīng)操縱線系接口要求，并應(yīng)考慮終端部件的成本和重量等問題。通常推拉鋼索與操縱搖臂連接采用桿端軸承，推拉鋼索的互相連接采用聯(lián)軸節(jié)。同樣長度的推拉鋼索與硬式操縱的拉桿搖臂組成的線系相比，其重量并不占優(yōu)勢，對于重量嚴(yán)格控制的操縱系統(tǒng)在選擇推拉鋼索時應(yīng)該加以注意。

在限制載荷范圍內(nèi)，推拉鋼索應(yīng)具有足夠的剛度保證鋼索不產(chǎn)生有害推拉鋼索的剛度和彎曲數(shù)量有關(guān)，彎曲數(shù)量越多，推拉鋼索剛度越差。通過在推拉鋼索彎曲處固定卡箍，可以改善推拉鋼索的剛度，但需注意卡箍不宜擰的過緊以免造成推拉鋼索摩擦力增大和傳遞效率下降。根據(jù)經(jīng)驗，小載荷（400 ～800N）的推拉鋼索在直線情況下空行程大小可保持0 ～0.1mm。

鋼索卡子的安裝間隔和擰緊程度對推拉鋼索的剛度和摩擦力大小均有影響，通過合理的布置鋼索卡子可以有效改善推拉鋼索的使用性能。推拉鋼索在安裝時應(yīng)避免出現(xiàn)小角度彎曲、連續(xù)空間折彎等情況，基于經(jīng)驗理論，以大于120°為宜，其安裝半徑不應(yīng)小于最小安裝半徑或折成“V”字形。

四、推拉鋼索在某型固定翼飛機上的應(yīng)用

發(fā)動機作為動力來源，控制發(fā)動機工作的發(fā)動機操縱線系是發(fā)動機精確控制的有力保障，原有的發(fā)動機鋼索設(shè)計在使用中暴露出很多問題，某機型發(fā)動機操縱系統(tǒng)在設(shè)計上借鑒了“空中國王”等飛機的設(shè)計經(jīng)驗，在與其他機型進行對比之后，擬采用軟式球型推拉鋼索與軟式鋼索組合的形式替代原有鋼索，從而實現(xiàn)發(fā)動機操縱系統(tǒng)的精確控制和穩(wěn)定控制。

發(fā)動機中央操縱臺位于飛機駕駛艙中部，其包括6個操縱把手，分別控制左、右發(fā)動機的功率、螺旋槳和燃油狀態(tài)。對應(yīng)每個把手設(shè)計有一套操縱鋼索，操縱那個鋼索通過叉耳接頭與把手搖臂相連，通過固定裝置經(jīng)地板下分為左右兩路沿駕駛艙壁板轉(zhuǎn)向到飛機左右客艙之中，并沿著客艙進入機翼前緣，最終穿過結(jié)構(gòu)防火墻進入發(fā)動機艙，并與發(fā)動機上的控制搖臂相連，從而使得飛行員能夠在駕駛艙中自由控制發(fā)動機。

為了便于安裝和型號歸并，將左、右每組操縱部件的操縱鋼索設(shè)置為3 根，其中，前、中段采用常規(guī)的球形推拉鋼索，而后段用于連接發(fā)動機端，且位于高溫的動力艙，需要分別控制功率、螺旋槳和燃油，具備足夠的柔性，因此采用安裝和走向更為靈活的柔性推拉鋼索。該鋼索具有防火能力，但相較球形推拉鋼索相比，摩擦力和空行程略有增加，但整體指標(biāo)滿足發(fā)動機操縱系統(tǒng)要求，且在發(fā)動機功率輸入搖臂處設(shè)計有彈簧阻尼裝置，能夠有效減少鋼索折彎過多導(dǎo)致的空行程。操縱鋼索安裝布局如圖3所示。

圖3 某型機發(fā)動機操縱鋼索安裝布局圖

按照適航條例CCAR23R3 中要求，發(fā)動機艙著火時每個動力裝置的操縱部分至少是耐火的。同類型鋼索具備在國內(nèi)外民機上使用經(jīng)驗，防火性能得到了驗證。

為了將作用在操縱手柄上的弧線運動轉(zhuǎn)化為鋼索的直線運動，目前操縱臺內(nèi)部使用了切線控制盒，但該成品重量大，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，占用維護空間，內(nèi)部的齒輪齒條結(jié)構(gòu)可靠性及精度差。通過參考“空中國王”等機型的經(jīng)驗，本次改進方案計劃在發(fā)動機和操縱臺兩端首次采用了內(nèi)置萬向推拉鋼索，不僅節(jié)省了空間而且能更直觀的傳遞操縱力，與原鋼索組件相比，由于取消了位于客艙兩側(cè)的信號采集組件，占用運動空間更少，安裝形式也更為簡單，便于與操縱搖臂運動角度變化匹配。

該型機發(fā)動機操縱系統(tǒng)采用了法國凱旋控制公司的成熟貨架產(chǎn)品，如圖4所示。該產(chǎn)品每段長度約在3 ～4m，使用行程約60mm，限制行程為70mm；限制載荷為150N，極限載荷為300N；推拉鋼索安裝到操縱系統(tǒng)后，在加載的情況下，推拉鋼索摩擦力≤10N；剛度在100N 力的作用下產(chǎn)生的變形≤0.18mm。前、中段采用了57CF 系列球型推拉鋼索，為了減少發(fā)動機運行過程中的振動導(dǎo)致的鋼索抖動和位移問題，該型機首次在發(fā)動機端采用了6VF 系列柔性推拉鋼索，將功率鋼索和油門鋼索固定點從防火墻移至發(fā)動機本體上，利用鋼索柔性消除振動，減少兩者間的相對位移，提高操縱精度。

圖4 操縱鋼索連接示意圖

1.推拉鋼索運動行程計算

根據(jù)成品廠家提供的技術(shù)參數(shù)，鋼索自由端壓縮后最小伸出長度為27mm，最大伸出長度為97mm，即鋼索自由端總行程為70mm。以某型機發(fā)動機“油門”操縱系統(tǒng)為例，飛機發(fā)動機端燃油控制機構(gòu)共設(shè)有3個位置，分別為“停車”“低慢”和“高慢”位置。為了確保發(fā)動機操縱臺端把手運動位置與發(fā)動機端對應(yīng)，設(shè)計時考慮選取發(fā)動機“低慢”位置作為基準(zhǔn)，“停車”與“低慢”間的角度為21.5°，“低慢”與“高慢”間的角度為24.5°。因此，通過對應(yīng)的比例關(guān)系，在70mm 長度范圍中，可以確定發(fā)動機操縱臺端鋼索“中立”位置長度應(yīng)為105.3mm，發(fā)動機連接端鋼索“中立”位置長度應(yīng)為102.7mm。

2.空行程及摩擦力計算

在系統(tǒng)正常工作情況下，其空行程不超過總運動行程的2%或3mm，因此，操縱系統(tǒng)需盡量減少操縱節(jié)點，注意零件公差配合和線系布局的順暢性。按廠家提供的理論公式B=K1+K2FL+K3θ，可以對空行程進行估算。其中，K1反映鋼索內(nèi)部結(jié)構(gòu)對參數(shù)的影響，取值為0.127mm，K3為每個90°下軟軸的機械間隙為0.17mm，按10kg 拉壓載荷下機械變形為0.3mm。油門鋼索目前布局形式下總角度約為900°，因此間隙為K3θ為1.7mm；K2是特征量，反映鋼索自身力學(xué)性能，取值0.3，載荷F按30N 操縱力計算，K2FL為0.8mm。即理論計算發(fā)動機操縱系統(tǒng)鋼索空行程B為2.62mm，實際裝機后測量效果基本與理論值接近。

推拉鋼索的摩擦力是其自身品質(zhì)的體現(xiàn)，此外與鋼索終端部件數(shù)量/密封件數(shù)量、鋼索長度和彎曲角度有關(guān)。根據(jù)查閱相關(guān)資料，鋼索摩擦力可按以下公式計算，F(xiàn)=1/2 （K4+K5L+K6θ+K11J），其中，K4為3.3375N，K5為0.5107N/m，K6為0.0089N，K11為0.445N，θ為總彎曲角度，根據(jù)某型機機身布局的結(jié)構(gòu)形式，該角度取900°，J為分段接頭數(shù)，L為鋼索總長度（約8.6m），計算得出F為8.31N。從結(jié)果來看，取消信號采集組件后鋼索內(nèi)部摩擦力數(shù)值比較令人滿意，在實際操縱中可通過摩擦鎖搖臂調(diào)整手柄初始力值使操縱桿操作手感達到理想狀態(tài)。

五、結(jié)論

發(fā)動機操縱系統(tǒng)作為飛機中關(guān)鍵組成部分，穩(wěn)定性差和精確度低等問題可能直接影響飛行員操作體驗。推拉鋼索在航空器發(fā)動機操縱系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用較為普遍，在合適的位置使用推拉鋼索可有效減少系統(tǒng)復(fù)雜度。筆者對推拉鋼索的安裝、選擇要求及優(yōu)勢等方面進行說明，并且對其在固定翼飛機上的實際應(yīng)用進行介紹，對于含推拉鋼索的機械飛行操縱系統(tǒng)設(shè)計具有一定的實用價值。