起落架落震試驗中摩擦系數的控制研究

薛云芳 張 飛

（中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065）

起落架[1-3]作為飛機滑跑、起飛、著陸、地面停放和移動時承受相應載荷，支撐飛機重力的裝置，在飛機安全起降過程中起著至關重要的作用，具有不可替代性。飛機著陸瞬間，由于受撞擊和摩擦力的作用，起落架機輪從靜止突然高速旋轉，產生地面作用在輪胎上的垂直載荷和水平載荷，其中水平沖擊載荷的峰值（最大起轉、回彈載荷）是起落架安全設計和性能分析的重要依據。

在落震試驗中能準確模擬起轉和回彈載荷對起落架的載荷設計非常重要[4-5]。由于最大起轉載荷和最大回彈載荷會與同一時刻對應的垂直載荷相耦合作用于起落架，并且長時間的起轉會加劇輪胎在著陸觸地時的滑動磨損，長時間的回彈振動過程易使起落架與機體產生疲勞損傷等問題。目前國內起落架落震試驗主要是在立柱式的試驗臺上進行，飛機著陸的航向速度通過機輪帶轉設備來實現。利用摩擦式或隨動式帶轉系[6]統(tǒng)將機輪反向預帶轉到額定速度，然后將起落架從指定的投放高度釋放，自由落體撞擊到三向測力平臺上后，機輪在三向測力平臺上開始定點轉動，而后靜止。這不同于飛機著陸的先滑動后滾動，所以這樣的落震試驗所模擬的起轉載荷和回彈載荷與真實的著陸情況有一定區(qū)別，但是基于國內現有的試驗能力，只能通過確定機輪與平臺之間的摩擦系數（0.55-0.8）[7]來模擬飛機著陸過程中起落架機輪的起轉和回彈載荷。在真實的物理試驗中，機輪帶轉速度、支柱傾角、機輪側傾角、輪胎磨損、平臺表面的粗糙度和干濕度等因素都會影響起落架在落震過程中的垂直載荷、起轉載荷和回彈載荷，從而影響摩擦系數的大小。針對試驗中的多種影響因素，采用控制變量法，在其它因素一定的情況下，通過改變平臺表面粗糙度來達到調控機輪與測力平臺之間的摩擦系數的目的。

本文以某支柱式主起落架為研究對象，在配裝5 種不同規(guī)格摩擦臺面的測力平臺上進行落震試驗，并對試驗結果進行對比和分析，尋找可有效控制輪胎與測力平臺間摩擦系數的方法，從而能準確模擬落震試驗中起落架的起轉、回彈載荷，為起落架設計提供可靠有效的數據支撐。

1 落震試驗方法和試驗情況

1.1 試驗方法

在落震試驗[8]中，為了得到起落架承受撞擊時的沖擊響應，必須測量出起落架在落震過程中的各種試驗參數，然后根據得到的試驗結果來判斷起落架緩沖系統(tǒng)的工作情況，并應用于起落架的緩沖性能設計。這里提到的試驗參數主要有：起落架所承受的垂直、航向和側向載荷，起落架上部質量重心位移，緩沖器行程，機輪輪軸的垂直、航向和側向變形，起落架上部質量重心過載，機輪輪軸中心處的垂向、航向和側向加速度，起落架關鍵部位的應力值等。

其中水平（航向和側向）載荷的準確測量對起落架及直接受其影響的連接結構，以及機翼、機身、外部燃油箱、發(fā)動機艙等部件的設計非常關鍵。所以能夠在試驗過程中準確測量水平載荷對于起落架的安全及性能設計有著非常重要的的意義。此次落震試驗設備示意圖如圖1 所示。

本次主起落架落震試驗在立柱式落震試驗臺上進行，試驗采用減縮質量法[1]，即將飛機升力所做的功等效為起落架落震投放質量的減縮，對當量質量進行二次折算，從而滿足起落架在著陸過程中所需吸收功量的要求。飛機的下沉速度由落體系統(tǒng)（吊籃、夾具、起落架和配重）的投放高度保證,飛機航向著陸速度由機輪帶轉系統(tǒng)保證, 輪胎與跑道之間的摩擦特性利用特定的摩擦臺面來模擬。

試驗時，當落體系統(tǒng)由控制臺提升到預定的投放高度后, 帶轉系統(tǒng)開始驅動機輪使其輪緣切線速度逐步達到預定的著陸航向速度,然后釋放吊籃上部的電控鎖,落體系統(tǒng)自由下落撞擊測力平臺，同時觸發(fā)數據采集系統(tǒng)，獲取各通道測試數據，從而完成一個試驗工況。本次落震試驗程序如圖2 所示。

圖2 落震試驗程序

1.2 機輪與測力平臺之間的摩擦系數

如圖3 所示，在起落架落震試驗中，最大起轉載荷為航向載荷試驗曲線中第一個波峰，最大回彈載荷是指航向載荷試驗曲線中第一個波谷。

圖3 起轉、回彈載荷示意圖

摩擦系數定義為起轉載荷與其同一時刻對應的垂直載荷的比值。具體見公式(1)。

式中：

Pxqzmax- 最大起轉載荷，kN；

Pyqz- 最大起轉載荷對應的垂直載荷，kN。

1.3 測量參數

本次落震試驗的投放質量7000 kg，下沉速度3 m/s，航向帶轉速度340 km/h，輪胎充填壓力2.2 MPa。準備了5 種不同粗糙度的鋁制摩擦臺面進行對比試驗。試驗中的測量參數和對應的測量方法如下：

（1）地面作用在機輪上的垂向、航向和側向載荷，采用三向測力平臺進行測量；

（2）吊籃重心位移，采用位移傳感器進行測量；

（3）緩沖器行程，采用位移傳感器進行測量；

（4）緩沖器氣腔壓力，采用安裝在充氣嘴的壓力傳感器進行測量；

（5）輪胎壓縮量，采用高速攝像進行測量。

5 種摩擦臺面分別定義為1#摩擦臺面、2#摩擦臺面、3#摩擦臺面、4#摩擦臺面、5#摩擦臺面，如表1 所示。

表1 摩擦臺面

2 試驗結果

在同等試驗條件下，利用5 種不同粗糙度的摩擦臺面進行某型主起落架的對比落震試驗，試驗數據在表2和表3 中給出，試驗數據作歸一化處理后，試驗曲線見圖4～圖8。另外，圖9 給出了不同摩擦臺面下起落架落震過程中起轉、回彈載荷的對比結果。

表2 不同摩擦臺面下主起落架的落震試驗數據

表3 不同摩擦臺面下主起落架的落震試驗結果

圖4 1#摩擦臺面試驗曲線

圖5 2#摩擦臺面試驗曲線

圖6 3#摩擦臺面試驗曲線

圖7 4#摩擦臺面試驗曲線

圖8 5#摩擦臺面試驗曲線

圖9 不同摩擦臺面下的起轉、回彈載荷

從試驗結果可以看出，隨著測力平臺表面摩擦臺面的網格變小變深，得到的試驗結果也會隨之發(fā)生明顯的變化：

（1）吊籃重心位移和緩沖器支柱行程逐漸減?。?/p>

（2）作用在輪胎上的最大起轉載荷逐漸增大，且最大值出現的時間也隨之提前；

（3）作用在輪胎上的最大垂直載荷逐漸增大；

（4）作用在輪胎上的起轉、回彈載荷對垂直載荷的峰值走勢有很大影響，其中垂直載荷的油峰和氣峰的趨勢發(fā)生逆轉，這說明了水平沖擊載荷的大小直接影響起落架的性能。

利用最小二乘法擬合曲線見圖10 所示，從對比結果可以看出網格密度和粗糙度之間的關系。隨著摩擦臺面粗糙度的增加，摩擦系數也逐漸增加，當摩擦系數達到國軍標相關試驗要求時，輪胎表面的磨損也在加劇。所以在試驗過程中除了關注輪胎與測力平臺之間的摩擦系數外，還要實時監(jiān)控輪胎的磨損程度，防止試驗過程中輪胎爆胎對試驗件和試驗設備造成損傷。

3 結論

本文以某型支柱式主起落架為研究對象，在配裝不同粗糙度摩擦臺面的測力平臺上進行對比落震試驗，研究了5 種臺面下輪胎與測力平臺間摩擦系數的差異性。從得到的試驗結果可以發(fā)現，在其他影響因素（機輪帶轉速度、支柱傾角、機輪傾角、臺面干濕度等）一定的情況下，隨著摩擦臺面網格逐漸變小，摩擦系數會隨之變大。另外，網格大小相同時，其深度越深，摩擦臺面與輪胎間的摩擦系數越大，即隨著臺面粗糙度變大，摩擦系數會隨之逐漸變大。這說明在落震試驗中可以通過控制測力平臺臺面粗糙度使輪胎與平臺之間的摩擦系數達到相關標準的試驗要求，從而更加準確地模擬飛機在著陸過程中地面作用在機輪上的起轉、回彈載荷的變化情況。

本文的研究內容可為相關起落架落震試驗提供技術借鑒和參考，得到的試驗結果可為起落架著陸載荷分析提供有效數據支撐，從而充分保證起落架的安全性能設計，通過正確的地面試驗支持飛機型號研制。