飛機反推力液壓作動系統(tǒng)分析

劉超

（廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 飛機維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510403）

反推力是指借助相關(guān)裝置，使得發(fā)動機的排氣方向與正常氣流流動方向發(fā)生大于90°的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與正常推力相反的推力分量，即向后的拉力，達到使飛機減速的目的。反推力作動系統(tǒng)是一套機械、電液綜合控制的系統(tǒng)。反推力的機械運動促使氣流偏轉(zhuǎn)，液壓作動系統(tǒng)驅(qū)使機械運動，而電信號給定反推力裝置打開或關(guān)閉的指令來源。分析反推力裝置的基本組成及其工作特點是搭建反推力液壓作動系統(tǒng)模型及分析的基礎(chǔ)，指導(dǎo)實際維修工作的前提。因此，本文以葉柵式反推力系統(tǒng)為對象，對反推力裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，液壓作動系統(tǒng)中的技術(shù)特點進行詳細分析。

1 反推力系統(tǒng)組成及工作原理

反推力裝置通常安裝在左右機翼下的發(fā)動機短艙的中部。在正常飛行時，反推力裝置關(guān)閉；在飛機著陸時反推力的移動罩移開，使噴氣的氣流折轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生反向推力，其安裝示意可用圖1 表示。反推力裝置由一套均勻分布在周向的固定部件和可移動部件共同組成，結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，其中固定部件包括環(huán)形的葉柵、前端框架、滑動導(dǎo)軌；可移動部件包括環(huán)形的移動罩、多個呈扇形的折流門以及連接折流門的拉桿等。

圖1 反推力裝置安裝位置示意圖

圖2 反推力裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 反推力液壓作動系統(tǒng)特點

反推力裝置上的機構(gòu)的運動是由液壓系統(tǒng)來驅(qū)動的。為了便于安裝與維修，每個移動罩由左右兩個呈半圓形的半部組成，一個半部通常由沿周向均布的3 個液壓作動筒驅(qū)動。在液壓作動系統(tǒng)中，作動筒是一個重要部件，在相關(guān)的標準中，對液壓作動系統(tǒng)的性能要求主要體現(xiàn)在以下三個方面：作動有效性，作動同步性以及作動安全性。

2.1 作動有效性

作動有效性是指作動系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)打開和收回。典型的渦扇發(fā)動機打開反推力的過程是，首先將發(fā)動機供油量由100%轉(zhuǎn)速條件下節(jié)流到地面慢車狀態(tài)，然后保持慢車狀態(tài)供油量不變，同時打開反推力，經(jīng)過大約2s 時間完成正推力和反推力的切換（反推裝置完全打開），此時反推力達到慢車最大反推，此后適當增加發(fā)動機供油量，直到反推力達到最大值。在此最大反推力狀態(tài)下，維持幾秒，當飛機速度減速到80 節(jié)左右時，慢慢減小供油，直至飛行速度在60 節(jié)時，收回反推。

所以，反推力裝置從完全關(guān)閉到完全打開不大于2s，并且從完全打開到完全關(guān)閉不大于5s。反推力裝置的工作過程一般包括完全關(guān)閉、預(yù)位階段、展開階段、最大位保持階段、收回階段以及完全收回鎖定階段，其工作過程可用圖3表示。

圖3 反推力作動系統(tǒng)工作過程簡圖

因此，在設(shè)計和測試反推力液壓作動系統(tǒng)時，因根據(jù)作動筒所受到的氣動載荷合理選擇液壓系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)的作動時間滿足要求。

2.2 作動同步性

作動筒同步性是指所有作動筒在移動過程中應(yīng)保持相對位移和速度上的同步。因為移動罩是由多個作動筒同時驅(qū)動的，只有當每個作動筒的相對位移保持同步，才能一起驅(qū)動移動罩移動，否則易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

由于飛機發(fā)動機出口氣流的流場不均勻以及每個機械部件的加工及安裝誤差，在實際工作中是很難保證被折流門阻擋的氣流負載可以均勻地傳遞到各個作動筒上，如何使各個作動筒在不同負載下實現(xiàn)同步移動是關(guān)鍵問題。因機械同步機構(gòu)簡單，可靠以及同步精度高等優(yōu)點，蝸輪蝸桿以及同步軟軸的機械同步機構(gòu)是目前應(yīng)用較廣泛的機構(gòu)。

目前，常用的液壓系統(tǒng)如圖4 所示，組成部件主要包括液壓源、控制活門、作動筒（有鎖和無鎖兩種）、展開與收回液壓管路、同步軟軸（在展開管路內(nèi)）、位置反饋機構(gòu)及同步鎖定裝置等。

圖4 液壓作動系統(tǒng)構(gòu)架

對于每一個作動筒，為了與其他作動筒能保持同步推動半個移動罩而不至卡死，在作動筒之間采用一套同步機構(gòu)相連。對于一半移動罩上的三個作動筒，一般分為有鎖和無鎖兩種，其中有鎖的作動筒是指帶機械鎖的作動筒，作動筒的運動需靠高壓油來推動使其解鎖，其內(nèi)安裝有位移傳感器和自鎖裝置，用于反饋作動筒的位置信號以及鎖定作動筒在“收回”位置。通常驅(qū)動單側(cè)移動罩的三個作動筒中有一個為有鎖作動筒，另外兩個為無鎖形式。下面以相鄰兩個有鎖及無鎖作動筒組成的機械同步機構(gòu)為例說明其同步機理，機構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 作動筒同步機構(gòu)示意圖

在圖5 中，對于任一作動筒，活塞一端固定著螺母，兩者不會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動?；钊麠U是中空的，可插入絲杠。絲杠是靠一對向心推力軸承支撐，它可繞軸線轉(zhuǎn)動但不能作軸線方向的移動。軟軸固定在蝸桿上，用來連接兩個作動筒。

當活塞兩端在進出口控制油的液壓動力差作用下水平運動時，螺母跟隨活塞水平移動，而絲杠則會在螺母的平移帶動下，發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動。同時，由于絲杠與蝸輪蝸桿的蝸輪同軸，則絲杠的轉(zhuǎn)動會同時帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，該扭矩經(jīng)蝸桿傳遞給軟軸。當每一個作動筒由于所受負載不同而使傳遞到軟軸上的扭矩與角位移不一致時，互相連接的軟軸相互作用可實現(xiàn)力與運動傳遞，最終使得每一個作動筒上所受到的液壓力、負載力及同步機構(gòu)的反饋作用力達到平衡，從而實現(xiàn)在不同負載下，各個作動筒依然可以同步運動。

2.3 作動安全性

作動安全性是指作動機構(gòu)斷裂，控制部件失靈等引起的反推力裝置失效，以及在地面需要反推而未打開，而在空中不需要反推力而意外打開。特別是在高空飛行時，不需要打開而意外打開會造成重大危害。

歷史上曾多次出現(xiàn)因反推力裝置卡滯、反推意外打開、反推非指令打開等反推作動安全性不夠而造成的災(zāi)難。例如，曾經(jīng)一架A310-300 雙發(fā)客機，隸屬于俄羅斯西伯利亞航空公司，在飛機著陸時，因反推力裝置機械故障導(dǎo)致一號發(fā)動機上的反推力裝置沒有成功展開，最后導(dǎo)致飛機沖出跑道而撞毀；另一架波音767 客機，隸屬于奧地利勞達航空公司，在空中巡航時，位于左側(cè)發(fā)動機上的反推力裝置突然意外展開，最后導(dǎo)致飛機在空中解體爆炸，出現(xiàn)了機毀人亡的慘劇。還有一架波音767-329ER，在飛機爬升時，位于一號發(fā)動機上的反推力裝置非指令地打開，出現(xiàn)了飛機無法控制并墜毀的嚴重后果。

經(jīng)過各國研究人員的不斷研究與設(shè)計，造成該事故主要是由于反推力裝置上的“兩鎖”系統(tǒng)安全性不夠，而目前對于反推力裝置一般使用三道鎖原理，使反推系統(tǒng)失效的幾率在10-9每飛行小時之下，將這種事故率降到最低。下文重點分析三道鎖原理。

目前，較先進的飛機上的反推力裝置均有機械鎖防線設(shè)計，典型設(shè)計如圖6 所示。反推力裝置上安裝的三道機械鎖分別是：第一道機械鎖鎖定左反推罩，第二道機械鎖鎖定右反推罩，第三道鎖定反推滑軌。

圖6 飛機反推力裝置液壓機械鎖防線設(shè)計圖

由于反推力裝置由左右兩個反推半罩組成，兩個反推半罩通過鎖扣鏈接在一起。在鎖扣功能正常的情況下，兩個反推半罩可視為一個完整反推罩一起運動，任意一道機械鎖均能鎖定整個反推力裝置。但在鎖扣均失效的情況下，兩個反推半罩分開，視為獨立個體，安裝在單側(cè)反推半罩的機械鎖將不能鎖定另一側(cè)的反推半罩，那就有可能發(fā)生單側(cè)反推半罩意外展開的情況。

因此，解決以上問題的方式是在兩個反推半罩之間設(shè)置一道同步軸。該軸可保證兩個反推半罩即使分開了，依然可以同步運動，從而確保整個反推力裝置能被任意一道機械鎖鎖定。另外，1 和2 號液壓機械鎖分別位于左右側(cè)的有鎖液壓作動筒的收起端，當作動筒收回到位后，其內(nèi)部鎖塊即可鎖定液壓作動筒活塞，從而加強鎖定與作動筒桿端相連的反推罩。由于這個鎖是在作動筒的內(nèi)部，此種設(shè)計可簡化液壓機械鎖在反推力裝置上的安裝形式與布局。

第三道防線是3 號液壓機械鎖鎖定反推滑軌的。由于反推罩的移動是在滑軌上移動的，因此3 號機械鎖可進一步防止反推意外打開。3 號機械鎖的打開與反推力裝置的打開有重要聯(lián)系。一般會有一條液壓反饋油路將3 號機械鎖的打開端與方向控制閥的控制端連在一起，只有當3 號液壓機械鎖在電控信號下打開后，高壓液壓油才會通過反饋油路進入液壓方向閥的控制端，在油壓作用下，方向閥的閥芯運動到展開位置。而當3 號液壓機械鎖未收到打開信號時，即使液壓方向閥接受到FADEC 的打開指令以及高壓油，若沒有反饋油路的油液，方向閥也不能到達展開位，那么反推裝置是打不開的。因此，第三道液壓機械鎖既保證了反推作動系統(tǒng)運動的時序性，也防止了第三道液壓機械鎖與反推罩的碰撞。目前，應(yīng)用該鎖的飛機主要有波音787。其原理框圖如圖7所示。

圖7 新型客機上反推力裝置的三道鎖示意框圖

3 結(jié)論

本文主要對反推力液壓作動系統(tǒng)進行分析。首先，分析了反推力作動系統(tǒng)的組成部件。隨后，指出了作動系統(tǒng)中的有效性、同步性和安全性三個特點，并分析了相應(yīng)的實現(xiàn)方法，重點分析作動筒中的同步技術(shù)難點以及反推力裝置的三道鎖原理。該內(nèi)容可供飛機反推力裝置設(shè)計人員搭建反推力液壓作動系統(tǒng)模型以及仿真，同時可供飛機維修人員學(xué)習(xí)，更好地理解反推力系統(tǒng)，提升維修效率。