， ，

(1. 中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300； 2. 中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心， 天津 300300)

引言

起落架作為飛機(jī)起飛、著陸所必須的支撐系統(tǒng)，其可靠性和穩(wěn)定性是影響飛機(jī)飛行安全的關(guān)鍵因素[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993-2003年間，各類飛機(jī)因起落架系統(tǒng)故障引起的不正常飛行事件占總數(shù)的15%，其中由起落架收放系統(tǒng)故障所引發(fā)的事故占比就達(dá)到了23%[3-4]，因此對(duì)其故障問題的研究是極為必要的。

起落架收放系統(tǒng)故障中，較為常見的故障有系統(tǒng)氣塞、管路堵塞、油液泄漏、結(jié)構(gòu)卡滯等[5]。對(duì)于這類故障進(jìn)行分析和診斷的一般方法是進(jìn)行地面試驗(yàn)，其所需的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本較高，為起落架系統(tǒng)的維護(hù)工作帶來了困難。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過虛擬仿真模擬地面試驗(yàn)的方法在一定程度上解決了上述問題，已成為當(dāng)前對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究的主要趨勢(shì)。文獻(xiàn)[6-10]通過Virtulab Motion、AMESim和ADAMS等仿真平臺(tái)，對(duì)起落架液壓系統(tǒng)和收放機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行綜合建模，研究其收放性能；文獻(xiàn)[11-14]考慮起落架收放過程中的受載，在仿真中深入討論了質(zhì)量力、氣動(dòng)阻力、慣性力、摩擦力以及作動(dòng)筒力對(duì)收放運(yùn)動(dòng)的影響。

為獲得更好的氣動(dòng)性能，新型民機(jī)均采用了超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)，如波音公司的B767、B777、B787和空客公司的A380等。機(jī)翼剖面高度變小導(dǎo)致無法容納傳統(tǒng)飛機(jī)(如B737，A320)的平面連桿式的起落架，需要采用特定的起落架來解決空間受限問題[15]。這類起落架采用了新型的空間收放機(jī)構(gòu)，其工作原理改變也帶來了新的故障特征，而目前對(duì)這類采用空間收放結(jié)構(gòu)的新型民機(jī)起落架收放系統(tǒng)故障問題的研究還相對(duì)較少。

本研究在分析新型民機(jī)起落架收放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過機(jī)電液一體化仿真技術(shù)建立了起落架系統(tǒng)模型，并基于該模型研究了節(jié)流孔阻塞、系統(tǒng)混入空氣、油液泄漏和機(jī)構(gòu)磨損等典型故障問題對(duì)起落架收放性能的影響。

1 起落架收放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理分析

1.1 起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理

本研究的B787飛機(jī)采用的空間收放機(jī)構(gòu)式起落架，其收放機(jī)構(gòu)如圖1所示。

收上時(shí)，由解鎖作動(dòng)筒對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行解鎖，收放作動(dòng)筒拉動(dòng)主支柱，阻力臂和側(cè)撐桿折疊，完成收起動(dòng)作。為簡(jiǎn)化分析，將該空間機(jī)構(gòu)中側(cè)撐桿與阻力臂分開討論。圖2為側(cè)撐桿機(jī)構(gòu)原理圖。

圖1 起落架收放機(jī)構(gòu)

圖2 單側(cè)撐桿收放機(jī)構(gòu)原理圖

如圖2所示，桿1為主支柱；桿2，3分別為下，上側(cè)撐桿；桿4，5分別為下，上鎖撐桿。OP為主支柱收放轉(zhuǎn)軸，固定在機(jī)架上，點(diǎn)C和點(diǎn)E分別是上側(cè)撐桿和上鎖撐桿的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，將點(diǎn)C投影于軸OX上的點(diǎn)P，則點(diǎn)E必在不斷運(yùn)動(dòng)變化的直線PA上。由此可知，在收放時(shí)，上下側(cè)撐桿、上下鎖撐桿以及側(cè)撐桿解鎖作動(dòng)筒始終處于同一個(gè)平面內(nèi)，且相鄰構(gòu)件之間鉸接轉(zhuǎn)軸都與該平面垂直。

阻力臂機(jī)構(gòu)收放原理與上述結(jié)論基本相同。

1.2 上位鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理

該起落架上位鎖機(jī)構(gòu)為鉤環(huán)鎖，如圖3所示，由鎖殼、鎖鉤、鎖環(huán)、轉(zhuǎn)動(dòng)塊、彈簧和解鎖作動(dòng)筒等附件組成。

圖3中給出了起落架鎖定過程中上位鎖機(jī)構(gòu)的受力情況，其中O1，O2，O3，OH分別為各轉(zhuǎn)動(dòng)塊和鎖鉤的轉(zhuǎn)動(dòng)中心。收起時(shí)，解鎖作動(dòng)筒推出，通過轉(zhuǎn)動(dòng)塊帶動(dòng)鎖鉤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至過中立開位。當(dāng)收起至末端時(shí)，位于主支柱上的鎖環(huán)撞擊鎖鉤，使其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至鎖定位置并鉤住鎖環(huán)，上鎖完成。鎖定過程中的動(dòng)力學(xué)方程為：

圖3 上位鎖機(jī)構(gòu)(鎖定過程)

(1)

式中，F(xiàn)A為作動(dòng)筒推力；FH為鎖環(huán)對(duì)鎖鉤的撞擊力；FS為彈簧力；F12，F(xiàn)32，F(xiàn)3H分別為轉(zhuǎn)動(dòng)塊間及轉(zhuǎn)動(dòng)塊與鎖鉤間的作用力；d為各作用力的力臂；Mf1，Mf2，Mf3，MfH分別為各轉(zhuǎn)動(dòng)塊及鎖鉤轉(zhuǎn)軸處的摩擦轉(zhuǎn)矩；J1，J2，J3，JHook分別為各轉(zhuǎn)動(dòng)塊及鎖鉤對(duì)自身轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；α1，α2，α3，αHook分別為各轉(zhuǎn)動(dòng)塊及鎖鉤相對(duì)鎖殼轉(zhuǎn)過的角度。

解鎖過程與上鎖過程相反，分析方法相同。

1.3 小車位置控制機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理

起落架為四輪小車式，如圖4所示，小車位置控制機(jī)構(gòu)由小車位置作動(dòng)筒、機(jī)輪、車輪架等附件組成。

圖4 小車位置控制機(jī)構(gòu)

當(dāng)放下過程至末端后，如圖4a所示，小車位置作動(dòng)筒收回，使后輪下傾至放下位(TILT)，與水平面夾角為12°。該過程的動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

式中，F(xiàn)A為作動(dòng)筒拉力；dA為力臂；MfT為車輪架轉(zhuǎn)軸處的摩擦轉(zhuǎn)矩；JTruck為將車輪架和輪胎視為整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；αTruck為車輪架相對(duì)主支柱轉(zhuǎn)過的角度。另外，由于小車轉(zhuǎn)動(dòng)中心為車輪架中點(diǎn)，因此由機(jī)輪重力G1和G2所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩互相抵消，未體現(xiàn)在方程中。

當(dāng)收起開始時(shí)，如圖4b所示，作動(dòng)筒推出，使前輪下傾至收上位(STOW)，與水平面夾角為12°。該過程動(dòng)力學(xué)分析方法與上述過程相同。

1.4 液壓驅(qū)動(dòng)原理

起落架收放液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)工作壓力由電動(dòng)泵提供，通過電信號(hào)控制各電磁閥即可驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)收放過程。

圖5 起落架收放液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖

收放過程中的液壓驅(qū)動(dòng)原理如圖6所示。收起時(shí)，如圖6a所示，旁通/自動(dòng)關(guān)斷電磁閥處于右位，小車位置電磁閥處于左位，收放電磁閥處于左位。在液壓作用下，小車位置作動(dòng)筒推出，將小車置于收上位；側(cè)撐桿解鎖作動(dòng)筒和阻力臂解鎖作動(dòng)筒收回進(jìn)行解鎖，收放作動(dòng)筒拉動(dòng)主支柱使起落架收起；上鎖作動(dòng)筒將鎖鉤置于過中立開位。收起至末端時(shí)，鎖環(huán)撞擊鎖鉤，完成鎖定，旁通/自動(dòng)關(guān)斷電磁閥恢復(fù)左位，斷開作動(dòng)液壓。

圖6 起落架收放液壓驅(qū)動(dòng)原理圖

放下時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)原理如圖6b所示。其中需要注意的是，放下時(shí)收放作動(dòng)筒無液壓壓力驅(qū)動(dòng)，起落架由自身重力驅(qū)動(dòng)完成放下動(dòng)作。

2 起落架收放系統(tǒng)建模

基于以上分析，在AMESim復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)中建立收放系統(tǒng)仿真模型。

2.1 起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

考慮起落架收放機(jī)構(gòu)為空間連桿，因此通過AMESim仿真平臺(tái)提供的3D機(jī)械庫基礎(chǔ)模型構(gòu)建起落架空間收放機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。采用6自由度實(shí)體對(duì)起落架主支柱、側(cè)撐桿、阻力臂等連桿進(jìn)行建模，并添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，施加摩擦力、作動(dòng)筒行程末端的限制力、慣性力等載荷。構(gòu)建的收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。

仿真模型參數(shù)通過對(duì)手冊(cè)中給出的起落架機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型進(jìn)行測(cè)算確定，如表1所示。

表1 某型產(chǎn)品的參數(shù)

圖7 起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

2.2 上位鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

上位鎖作平面運(yùn)動(dòng)，因此通過平面機(jī)械庫基礎(chǔ)模型構(gòu)建上位鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，如圖8所示。

圖8 上位鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

仿真模型參數(shù)通過對(duì)手冊(cè)中給出的起落架機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型進(jìn)行測(cè)算確定，如表2所示。

表2 上位鎖機(jī)構(gòu)模型主要參數(shù)

2.3 小車位置控制機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

小車部分也可視為平面機(jī)構(gòu)，構(gòu)建的小車位置控制機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型如圖9所示。其中車輪架質(zhì)量參數(shù)見表1，轉(zhuǎn)動(dòng)中心為其自身中點(diǎn)。

圖9 小車位置控制機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

2.4 收放液壓驅(qū)動(dòng)模型

通過液壓庫基礎(chǔ)模型構(gòu)建起落架收放系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)模型，其中各電磁閥的電氣控制信號(hào)由信號(hào)庫基礎(chǔ)模型構(gòu)建，液壓驅(qū)動(dòng)模型如圖10所示。

圖10 起落架收放液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖

相應(yīng)的模型參數(shù)如表3所示。其中，系統(tǒng)壓力及油液相關(guān)參數(shù)可由手冊(cè)中直接獲得，作動(dòng)筒相關(guān)參數(shù)可通過對(duì)手冊(cè)中給出的起落架機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型進(jìn)行測(cè)量確定。

3 起落架收放系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析

在建立的起落架收放系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上，分別研究節(jié)流孔、液彈、油液泄漏和摩擦阻力等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)起落架收放性能的影響。

仿真工況為：起落架初始為放下位，小車TILT位；t=0時(shí)開始收上，0～22 s期間起落架收起；t=22 s時(shí)開始放下，22～40 s期間起落架放出。

3.1 節(jié)流孔參數(shù)的影響

節(jié)流孔的孔徑參數(shù)對(duì)于起落架的收放速度具有重要影響。起落架系統(tǒng)在工作過程中，長(zhǎng)時(shí)間使用的液壓油中會(huì)混入固體雜質(zhì)類污染物，可能會(huì)導(dǎo)致阻尼孔或控制閥口的孔徑變小，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生堵塞，嚴(yán)重影響起落架的收放性能。以起落架收放過程中起主要作用的收放作動(dòng)筒的小腔油孔連接的節(jié)流孔為對(duì)象，設(shè)置該節(jié)流孔孔徑分別為3， 5, 10 mm，對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11、圖12所示。

表3 收放液壓驅(qū)動(dòng)模型主要參數(shù)

圖11 收放作動(dòng)筒大小腔壓力隨節(jié)流孔參數(shù)的變化

圖12 收放作動(dòng)筒位移隨節(jié)流孔參數(shù)的變化

由仿真結(jié)果可知，節(jié)流孔孔徑參數(shù)對(duì)收放作動(dòng)筒大小腔壓力變化的影響較小，但會(huì)顯著影響收放作動(dòng)筒在放下過程中的活塞桿行程速度，從而使起落架放下速度明顯變慢，甚至在3 mm工況下，起落架在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有完全放下到位。因此，在維護(hù)中應(yīng)注意油液污染的監(jiān)控，保持清潔。

另外，結(jié)果中上位鎖和小車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)在幾種工況下基本相同，這是由于僅改變收放作動(dòng)筒小腔的節(jié)流孔，對(duì)上位鎖和小車機(jī)構(gòu)基本無影響。

3.2 液彈參數(shù)的影響

液彈參數(shù)決定了液壓系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。在工作過程中，若油液中溶解的空氣或系統(tǒng)老化密封性變差，使得液壓系統(tǒng)內(nèi)混入氣體，將導(dǎo)致液彈系數(shù)降低，油液的可壓縮性增大，執(zhí)行元件動(dòng)作誤差增大，因此產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，破壞了工作平穩(wěn)性，并產(chǎn)生振動(dòng)，影響起落架系統(tǒng)的正常工作。設(shè)置油液的體積模量分別為300， 800， 1700 MPa，仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 收放作動(dòng)筒大小腔壓力隨液彈參數(shù)的變化

由仿真結(jié)果可知，液彈參數(shù)降低對(duì)收放速度影響較小。但當(dāng)液彈降至300 MPa時(shí)，在開始收起和開始放下時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力振蕩，這是由于氣穴在壓力突變狀況下會(huì)引起液壓沖擊，從而引起振蕩。上述問題在圖15中非常明顯，當(dāng)液彈降至300 MPa時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)速度出現(xiàn)劇烈振蕩，這對(duì)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)都是不利的。因此，維護(hù)中應(yīng)及時(shí)將混入管路的氣體排出。

圖14 收放作動(dòng)筒位移隨液彈參數(shù)的變化

圖15 收放作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)速度隨液彈參數(shù)的變化

3.3 油液泄漏參數(shù)的影響

液壓系統(tǒng)工作過程中，由于密封件老化等原因產(chǎn)生的密封故障將導(dǎo)致出現(xiàn)油液泄漏現(xiàn)象，這是起落架收放系統(tǒng)中最常見的典型問題之一。嚴(yán)重的泄漏將導(dǎo)致液壓作動(dòng)筒工作腔的壓力降低，使系統(tǒng)無法正常工作。設(shè)置起落架收放作動(dòng)筒內(nèi)泄漏參數(shù)分別為0， 0.5， 1.0 L/(min·MPa-1)，仿真結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 收放作動(dòng)筒大小腔壓力隨內(nèi)泄漏參數(shù)的變化

由仿真結(jié)果可知，收放作動(dòng)筒內(nèi)泄漏將導(dǎo)致收起速度減慢， 但放下速度加快。原因在于起落架收起時(shí)液壓為驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)油液泄漏變大時(shí)，作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)效率降低，驅(qū)動(dòng)速度變慢。而起落架放下時(shí)，其自身重力為驅(qū)動(dòng)力，液壓為阻尼力，內(nèi)泄漏將導(dǎo)致阻尼力減小，使放下過程加快。當(dāng)內(nèi)泄漏嚴(yán)重，放下速度過快時(shí)，在過程末端將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。因此，維護(hù)時(shí)需要及時(shí)檢查并更換損壞的密封元件。

圖17 收放作動(dòng)筒位移隨內(nèi)泄漏參數(shù)的變化

3.4 機(jī)構(gòu)摩擦阻力參數(shù)的影響

起落架使用次數(shù)的增加使結(jié)構(gòu)不斷磨損，磨損表面也會(huì)出現(xiàn)銹蝕，導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大，從而增大阻礙收放動(dòng)作的載荷。設(shè)置摩擦系數(shù)分別為0.05， 0.10， 0.20，結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 收放作動(dòng)筒大小腔壓力隨摩擦阻力參數(shù)的變化

圖19 收放作動(dòng)筒位移隨摩擦阻力參數(shù)的變化

由仿真結(jié)果可知，隨著摩擦系數(shù)的增大，摩擦阻力增大，起落架收起時(shí)作動(dòng)筒所需的啟動(dòng)壓力也隨之顯著增大。起落架收和放的速度均會(huì)隨著摩擦系數(shù)的增大稍有滯后，但整體上影響較小。

4 結(jié)論

本研究采用空間收放機(jī)構(gòu)的新型民機(jī)起落架系統(tǒng)為研究對(duì)象，在分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了節(jié)流孔阻塞、系統(tǒng)混入空氣、油液泄漏和機(jī)構(gòu)磨損等故障對(duì)起落架收放性能的影響：

(1) 節(jié)流孔參數(shù)對(duì)起落架放下速度影響顯著，孔徑減小后行程滯后較為明顯；

(2) 液彈參數(shù)較低時(shí)，作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)速度下降明顯，出現(xiàn)液壓沖擊，并伴隨振蕩；

(3) 油液泄漏參數(shù)對(duì)收起落架性能影響較大，將導(dǎo)致收起速度減慢，但放下速度加快；

(4) 摩擦增大將導(dǎo)致收起時(shí)啟動(dòng)壓力增大，但對(duì)收放速度影響較小。