趙杰彥

摘? 要：該文主要分析了一種機(jī)械式操縱系統(tǒng)的操縱器件運(yùn)動(dòng)角度與操縱力之間的關(guān)系，并且給出一種計(jì)算分析方法。機(jī)械式的操縱系統(tǒng)，飛行時(shí)飛機(jī)舵面所受氣動(dòng)載荷通過(guò)機(jī)械式系統(tǒng)直接傳遞給飛行員，往往操縱力大，對(duì)飛行員操縱強(qiáng)度要求高。為了降低操縱力及飛行員操縱強(qiáng)度，在舵面行程不變的情況下，增大操縱器件的運(yùn)動(dòng)行程是一種有效的方法，但操縱器件的行程受到人機(jī)工效的限制，不可能無(wú)限增大，所以操縱器件的運(yùn)動(dòng)行程和操縱力之間需要找到最佳的平衡點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：駕駛盤偏轉(zhuǎn);操縱力;副翼操縱系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V227? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

該文以某型飛機(jī)的副翼操縱系統(tǒng)為例，采用理論分析、計(jì)算分析和CATIA軟件建模分析相結(jié)合的方法，從原理及理論驗(yàn)證方面對(duì)機(jī)械式操縱系統(tǒng)的操縱器件運(yùn)動(dòng)角度與操縱力之間的關(guān)系進(jìn)行了探討和研究，分析了改進(jìn)后的利弊，為副翼操縱系統(tǒng)的后續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)，為類似系統(tǒng)的改進(jìn)工作提供一種思路和方法。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該型飛機(jī)副翼操縱系統(tǒng)為機(jī)械式操縱系統(tǒng)，線系采用軟-硬混合式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主要由駕駛盤、扇形盤、副翼立柱、鋼索、拉桿等組成。從左、右駕駛盤引出的操縱線系為軟式線系，即鋼索線系，從兩側(cè)機(jī)翼引出的操縱線系為硬式線系，即拉桿線系。鋼索線系和拉桿線系在飛行員地板下扇形盤部位匯合。具體如圖1所示。

駕駛盤為副翼操縱系統(tǒng)的操縱器件，它將飛行員的作用力傳遞至副翼。飛行員通過(guò)操縱駕駛盤完成副翼偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，副翼舵面所受氣動(dòng)載荷通過(guò)操縱系統(tǒng)反向傳遞至駕駛盤。鋼索、拉桿、副翼立柱、扇形盤均為系統(tǒng)的傳動(dòng)部件。鋼索、拉桿傳遞運(yùn)動(dòng)和力但不改變系統(tǒng)傳動(dòng)比。副翼立柱和扇形盤作為搖臂部件，不僅改變操縱線系的運(yùn)動(dòng)方向而且可以改變操縱線系的傳動(dòng)比。

2 問(wèn)題說(shuō)明

在GJB 35-85、GJB 185-86和美軍標(biāo)的相關(guān)規(guī)定中，對(duì)副翼操縱系統(tǒng)操縱器件工作行程和操縱力的要求為駕駛盤偏轉(zhuǎn)范圍不大于±90°，最大操縱力不大于180 N。而該型飛機(jī)駕駛盤左右偏轉(zhuǎn)167°時(shí)副翼才能達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角度，駕駛盤偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)規(guī)范要求值將近1倍。從人機(jī)工效的角度來(lái)說(shuō)，駕駛盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度在90°以內(nèi)，屬于飛行員操縱舒適區(qū)域。而超出該區(qū)域特別是接近180°時(shí)需要額外的操縱動(dòng)作才能達(dá)到操縱要求，這就增加了飛行員的操縱強(qiáng)度，在某些姿態(tài)下也會(huì)引起飛行員操縱飛機(jī)的不適應(yīng)性。

3 改進(jìn)方案分析

針對(duì)此問(wèn)題，擬減小駕駛盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，但根據(jù)省力不省功的原理，減小駕駛盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，操縱力則會(huì)相應(yīng)增加，這就要求在兩者之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，以保證在駕駛盤轉(zhuǎn)動(dòng)行程減少的同時(shí)操縱力不會(huì)增加太多。

而要保證副翼的偏轉(zhuǎn)角度，減少駕駛盤的轉(zhuǎn)動(dòng)行程，就意味著需要改變副翼操縱系統(tǒng)的傳動(dòng)系數(shù)，因此須考慮對(duì)副翼操縱系統(tǒng)中的某些傳動(dòng)部件進(jìn)行改進(jìn)。

從整個(gè)副翼操縱系統(tǒng)布局及機(jī)構(gòu)組成來(lái)看，駕駛盤下部為軟式鋼索線系，機(jī)翼兩側(cè)為硬式拉桿線系，鋼索線系和拉桿線系均不改變傳動(dòng)比，只負(fù)責(zé)力的傳遞。而駕駛盤轉(zhuǎn)軸處用于與鋼索線系連接的零部件受到駕駛艙及駕駛柱布局的影響無(wú)法更改。這樣能夠更改傳動(dòng)比的零部件就只剩搖臂組件，改變搖臂組件半徑可以達(dá)到更改傳動(dòng)比的目的。

該型飛機(jī)副翼操作系統(tǒng)的搖臂組件主要包括扇形盤搖臂和副翼立柱搖臂2個(gè)部分，更改搖臂半徑就是更改扇形盤搖臂半徑和副翼立軸搖臂半徑。而更改搖臂半徑，從而增大傳動(dòng)系數(shù)又有2種途徑，一種是減小各傳動(dòng)搖臂的輸入半徑，一種是增大傳動(dòng)搖臂的輸出半徑。為了保證最佳的改進(jìn)效果，同時(shí)改變輸入半徑和輸出半徑的方法更有效。如果將駕駛盤行程減小到90°，那么操縱力增加太多，按照此原則并結(jié)合該型飛機(jī)副翼操縱系統(tǒng)工況特點(diǎn)和用戶要求，擬將駕駛盤行程由167°改為140°，并將副翼操縱系統(tǒng)的傳動(dòng)系數(shù)的改變比擬定為△=1.19，副翼操縱系統(tǒng)需要改進(jìn)的部件及改動(dòng)量如下。

3.1 扇形盤搖臂輸入和輸出端

由于其輸入端為纏繞鋼索的扇形盤，纏繞半徑縮小會(huì)加劇鋼索磨損，此處鋼索較易發(fā)生斷絲情況，纏繞半徑縮小會(huì)影響鋼索使用壽命，因此不改變扇形盤半徑，即輸入端。按照扇形盤搖臂處的結(jié)構(gòu)形式，將輸出端搖臂半徑由R140 mm改為R159 mm。

3.2 副翼立軸搖臂輸入和輸出端

按照副翼立軸搖臂結(jié)構(gòu)形式，將輸入端搖臂半徑由R152 mm改為R145 mm，同時(shí)為保證自動(dòng)駕駛儀舵機(jī)的傳動(dòng)，輸出端搖臂半徑保持不變。

按此方案改進(jìn)后，副翼操縱系統(tǒng)的傳動(dòng)系數(shù)改變比為ΔK=1.19 mm，駕駛盤行程140°，滿足改進(jìn)目標(biāo)要求。為驗(yàn)證此方案的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在CATIA軟件中建立更改后的副翼操縱系統(tǒng)的數(shù)字模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬分析。通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬我們發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的副翼操作系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)卡滯、無(wú)死點(diǎn)，滿足副翼操縱系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)要求。

4 改進(jìn)后影響分析

按照此方案改進(jìn)后，飛行員操作副翼操作系統(tǒng)時(shí)工作的力度將增加，飛行員對(duì)桿力-桿位移的反饋感知將發(fā)生改變，同時(shí)傳動(dòng)部件的受力載荷也會(huì)發(fā)生一定的變化，所以有必要對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的影響分析。

4.1 對(duì)飛行員操縱力的影響

在相同的舵面鉸鏈力矩的情況下，改進(jìn)后飛行員的操縱力將會(huì)增加16.2%。

由于該系統(tǒng)的操縱力已經(jīng)偏大，為此，還需要采取措施將操縱力減輕到飛行員感到舒適的水平。這就需要通過(guò)其他方式來(lái)優(yōu)化操縱力，考慮到飛機(jī)的副翼為內(nèi)補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)，一側(cè)副翼的補(bǔ)償面上有4組共12個(gè)內(nèi)補(bǔ)償孔，各孔的開(kāi)度可以在“全關(guān)閉”“1/3開(kāi)度”“2/3開(kāi)度”和“全開(kāi)”4種狀態(tài)中調(diào)整。減小內(nèi)補(bǔ)償孔的開(kāi)度可以減小副翼系統(tǒng)的操縱力。

4.2 對(duì)傳動(dòng)構(gòu)件受力的影響

在舵面鉸鏈力矩不變的情況下，系統(tǒng)中位于被更改傳動(dòng)部件前面的傳動(dòng)組件（包括傳動(dòng)拉桿、副翼操縱鋼索和鏈條）的受力將會(huì)增加16.2%，其后的傳動(dòng)組件的受力不變。

操縱系統(tǒng)傳動(dòng)拉桿、搖臂、鋼索、鏈條等傳動(dòng)組件是否留有足夠的強(qiáng)度余量，能否滿足改進(jìn)后的使用要求，對(duì)零部件的疲勞性能的影響，還需要進(jìn)一步論證。

4.3 對(duì)桿力-桿位移反饋感知的影響

在副翼偏轉(zhuǎn)同樣的角度時(shí)，駕駛盤的偏轉(zhuǎn)角度將是改進(jìn)前的84%，也就是說(shuō)如果飛行員操縱駕駛盤轉(zhuǎn)動(dòng)與原來(lái)相同的角度，飛機(jī)的姿態(tài)會(huì)比原來(lái)改變的大，改變了飛機(jī)狀態(tài)，這需要飛行員對(duì)原有的反饋感知做出相應(yīng)的調(diào)整。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)改變傳動(dòng)搖臂的半徑來(lái)改變系統(tǒng)傳動(dòng)比，可以改變駕駛盤轉(zhuǎn)動(dòng)的最大偏角，但須考慮操縱力變大、傳動(dòng)零件強(qiáng)度以及疲勞壽命等問(wèn)題。

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