方建義，馬丁峰，苗紅濤，焦 陽(yáng)

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)人民解放軍95966部隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150060)

0 引言

起落架在直升機(jī)著陸時(shí)起著吸收著陸能量，降低沖擊載荷的作用。起落架著陸載荷的大小不僅影響起落架的強(qiáng)度和壽命，同時(shí)也影響起落架和機(jī)身結(jié)構(gòu)的重量。

某型直升機(jī)主起落架在進(jìn)行落震試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得的載荷比理論分析的載荷大了10%左右。從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，此誤差在可接受范圍內(nèi)。但是，該理論分析的模型和方法已經(jīng)成熟，且早已在其他同構(gòu)型起落架上得到了驗(yàn)證，而從以往落震試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，理論分析的誤差都在5%以內(nèi)。本文結(jié)合主起落架動(dòng)力學(xué)分析模型對(duì)此異常情況進(jìn)行了分析，并通過(guò)分解主起緩沖器確認(rèn)了原因分析的準(zhǔn)確性。最后，試驗(yàn)件返修后重新進(jìn)行落震試驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了分析及返修改進(jìn)措施的正確性。

1 主起落架模型

某型直升機(jī)主起落架結(jié)構(gòu)為單輪搖臂式起落架，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要吸能部件緩沖器為雙氣腔帶定油孔節(jié)流閥構(gòu)型，緩沖器簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

計(jì)算起落架著陸沖擊載荷所采用的落震模擬計(jì)算分析方法是目前通用的方法。該方法首先建立起落架著陸動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)微分方程，然后對(duì)此方程進(jìn)行求解從而得到分析結(jié)果[1]。

由圖3，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的平衡條件推導(dǎo)出力和矩的平衡方程，再結(jié)合運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系將平衡方程轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)微分方程組，最后根據(jù)初始條件可求解出方程組的數(shù)值解。具體的推導(dǎo)及求解過(guò)程參考文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的描述，本文在此不再贅述。

2 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

按上文推導(dǎo)的方法計(jì)算了某型直升機(jī)主起落架的著陸載荷，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算和試驗(yàn)時(shí)取的主要參數(shù)如表1所示，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表1 計(jì)算和試驗(yàn)的主要參數(shù)

由表2可知,在吸收功量基本一致的情況下，兩種工況的垂直載荷試驗(yàn)結(jié)果均比計(jì)算結(jié)果大了10%以上。此誤差雖然在工程上是可以接受的，但結(jié)合其他同構(gòu)型起落架的落震試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該理論分析的模型和方法已經(jīng)經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證且誤差不超過(guò)5%，因此初步判斷在某個(gè)環(huán)節(jié)有未被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題影響了計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的一致性，這種環(huán)節(jié)包括設(shè)計(jì)計(jì)算、試驗(yàn)件狀態(tài)、試驗(yàn)測(cè)試等。

表2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 原因分析及定位

3.1 原因分析

為定位原因，首先對(duì)試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了復(fù)查，復(fù)查結(jié)果表明測(cè)試系統(tǒng)工作正常，且各種測(cè)試儀器儀表均在有效合格期內(nèi)。另外，在進(jìn)行主起落架落震試驗(yàn)前，剛剛采用同一套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了尾起落架落震試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)未有異常現(xiàn)象發(fā)生且試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果也相吻合，因此可排除試驗(yàn)測(cè)試對(duì)結(jié)果的影響。其次，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的輸入、計(jì)算程序等進(jìn)行了復(fù)核，也未發(fā)現(xiàn)有異常的情況。最終，將問(wèn)題原因初步定位在試驗(yàn)件狀態(tài)上，但試驗(yàn)件狀態(tài)涉及的參數(shù)有很多，直接檢查試驗(yàn)件來(lái)確定問(wèn)題具體是哪個(gè)參數(shù)的影響及影響的程度是相當(dāng)復(fù)雜的，因而首先通過(guò)理論分析模型進(jìn)行了分析，然后通過(guò)拆解緩沖器定位了該參數(shù)。

如圖3所示，取搖臂CK、機(jī)輪輪胎為分離體進(jìn)行分析，由對(duì)C點(diǎn)的力矩平衡可得垂直載荷Py、緩沖器載荷Ph、輪胎機(jī)輪重力及慣性載荷之間的平衡方程。因輪胎機(jī)輪質(zhì)量相對(duì)較小，因此垂直載荷Py主要受緩沖器載荷Ph的影響。對(duì)于本文分析的搖臂式主起落架，緩沖器為二力桿模型，其載荷Ph由空氣彈簧力Pkq、油液阻尼力Pyz和摩擦力Pm三部分組成[2-3]。

空氣彈簧力Pkq由氣體壓縮的多變方程式求得，如公式(1)所示。

Pkq=p0Fk[v0/(v0-FkSH)]n

(1)

式中，p0、v0、n、Fk、SH分別表示氣體初始?jí)毫Α怏w初始體積、氣體多變指數(shù)、緩沖器排油面積、緩沖器行程。

油液阻尼力Pyz由緩沖器內(nèi)油腔和氣腔壓力差并利用液體的流量等式求得，如公式(2)所示。

(2)

摩擦力Pm一般可認(rèn)為與空氣彈簧力成正比,如公式(3)所示。

Pm=kmPkq

(3)

式中，km為當(dāng)量摩擦系數(shù)，主要與緩沖器密封結(jié)構(gòu)、摩擦面光潔度、配合公差等有關(guān)。

由公式(1)、(2)、(3)可知，在試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填參數(shù)確定的情況下，影響緩沖器載荷的主要參數(shù)為阻尼孔面積和當(dāng)量摩擦系數(shù)。為此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)分別改變此兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置對(duì)主起落架著陸載荷進(jìn)行了重新分析，分析結(jié)果如表3、表4所示。重新分析計(jì)算時(shí)正行程阻尼油孔面積由圖樣上的130mm2調(diào)整為120mm2和110mm2；當(dāng)量摩擦系數(shù)由0.05調(diào)整為0.2、和0.3。

表3 不同阻尼孔面積下的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 不同當(dāng)量摩擦系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表3可知隨著阻尼孔面積的減小，垂直載荷相應(yīng)增大，當(dāng)阻尼孔面積增大到110mm2時(shí)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果已非常接近，誤差極小。從表4可知隨著當(dāng)量摩擦系數(shù)的增加，垂直載荷相應(yīng)增大，當(dāng)當(dāng)量摩擦系數(shù)增大到0.3時(shí)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也已接近。

一般直升機(jī)起落架緩沖器的阻尼孔采用一組或多組相同直徑的小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。該型直升機(jī)起落架緩沖器的阻尼孔采用了6個(gè)直徑為4.9mm的小孔和4個(gè)直徑為2.3mm的小孔，總面積約為130mm2，若小孔制造中尺寸偏離設(shè)計(jì)值則會(huì)影響試驗(yàn)載荷的大小。另外，對(duì)于緩沖器的當(dāng)量摩擦系數(shù)，若試驗(yàn)件的配合尺寸、形位尺寸超差或選擇的配合公差不合理，也極有可能導(dǎo)致當(dāng)量摩擦系數(shù)發(fā)生變化，從而影響試驗(yàn)時(shí)的垂直載荷。

3.2 原因定位

根據(jù)上述的原因分析，基本可以確定緩沖器內(nèi)部有偏離設(shè)計(jì)的情況存在，從而導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)垂直載荷偏大，因此只有分解檢查緩沖器后才能對(duì)原因進(jìn)行具體定位。緩沖器分解檢查的結(jié)果如下：

1) 節(jié)流閥上的阻尼孔6-φ4.9H10、4-φ2.3H10均合格，其與內(nèi)筒配合的φ55mm內(nèi)孔表面有多處軸向劃痕，劃痕深度約為0.05mm，如圖4所示；

2) 內(nèi)筒所有尺寸公差均符合圖樣要求，其與節(jié)流閥配合的φ55mm圓柱表面有多處軸向劃痕，劃痕深度約為0.06mm，長(zhǎng)約200mm，如圖5所示。

從檢查結(jié)果可以得出，節(jié)流閥與內(nèi)筒之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)大，從而產(chǎn)生了較大的摩擦力，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)垂直載荷偏大，這與前文的分析結(jié)果相吻合。按以往經(jīng)驗(yàn)，此類型緩沖器的摩擦系數(shù)一般都不大于0.1，且多數(shù)在0.05左右。如前述分析，此次試驗(yàn)的緩沖器摩擦系數(shù)達(dá)到了0.3左右。對(duì)于為什么會(huì)出現(xiàn)如此大的變化，需要進(jìn)行進(jìn)一步的核查以確認(rèn)原因。

圖6 設(shè)計(jì)狀態(tài)節(jié)流閥與內(nèi)筒的配合

圖7 實(shí)際狀態(tài)節(jié)流閥與內(nèi)筒的配合

4 改進(jìn)措施及效果

表5 返修后計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

1)仿真分析結(jié)果表明緩沖器阻尼孔面積和當(dāng)量摩擦系數(shù)對(duì)垂直載荷的大小有較大影響；

2)設(shè)計(jì)中需考慮尺寸公差對(duì)產(chǎn)品性能的影響并合理控制公差范圍；

3)產(chǎn)品制造過(guò)程中需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖樣要求進(jìn)行加工，避免超差漏檢對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生大的影響。