薛云芳 張 飛

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

起落架[1-3]作為飛機(jī)滑跑、起飛、著陸、地面停放和移動(dòng)時(shí)承受相應(yīng)載荷，支撐飛機(jī)重力的裝置，在飛機(jī)安全起降過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，具有不可替代性。飛機(jī)著陸瞬間，由于受撞擊和摩擦力的作用，起落架機(jī)輪從靜止突然高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生地面作用在輪胎上的垂直載荷和水平載荷，其中水平?jīng)_擊載荷的峰值（最大起轉(zhuǎn)、回彈載荷）是起落架安全設(shè)計(jì)和性能分析的重要依據(jù)。

在落震試驗(yàn)中能準(zhǔn)確模擬起轉(zhuǎn)和回彈載荷對(duì)起落架的載荷設(shè)計(jì)非常重要[4-5]。由于最大起轉(zhuǎn)載荷和最大回彈載荷會(huì)與同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的垂直載荷相耦合作用于起落架，并且長(zhǎng)時(shí)間的起轉(zhuǎn)會(huì)加劇輪胎在著陸觸地時(shí)的滑動(dòng)磨損，長(zhǎng)時(shí)間的回彈振動(dòng)過(guò)程易使起落架與機(jī)體產(chǎn)生疲勞損傷等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)起落架落震試驗(yàn)主要是在立柱式的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，飛機(jī)著陸的航向速度通過(guò)機(jī)輪帶轉(zhuǎn)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用摩擦式或隨動(dòng)式帶轉(zhuǎn)系[6]統(tǒng)將機(jī)輪反向預(yù)帶轉(zhuǎn)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(cè)力平臺(tái)上后，機(jī)輪在三向測(cè)力平臺(tái)上開(kāi)始定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而后靜止。這不同于飛機(jī)著陸的先滑動(dòng)后滾動(dòng)，所以這樣的落震試驗(yàn)所模擬的起轉(zhuǎn)載荷和回彈載荷與真實(shí)的著陸情況有一定區(qū)別，但是基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)?zāi)芰Γ荒芡ㄟ^(guò)確定機(jī)輪與平臺(tái)之間的摩擦系數(shù)（0.55-0.8）[7]來(lái)模擬飛機(jī)著陸過(guò)程中起落架機(jī)輪的起轉(zhuǎn)和回彈載荷。在真實(shí)的物理試驗(yàn)中，機(jī)輪帶轉(zhuǎn)速度、支柱傾角、機(jī)輪側(cè)傾角、輪胎磨損、平臺(tái)表面的粗糙度和干濕度等因素都會(huì)影響起落架在落震過(guò)程中的垂直載荷、起轉(zhuǎn)載荷和回彈載荷，從而影響摩擦系數(shù)的大小。針對(duì)試驗(yàn)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(guò)改變平臺(tái)表面粗糙度來(lái)達(dá)到調(diào)控機(jī)輪與測(cè)力平臺(tái)之間的摩擦系數(shù)的目的。

本文以某支柱式主起落架為研究對(duì)象，在配裝5 種不同規(guī)格摩擦臺(tái)面的測(cè)力平臺(tái)上進(jìn)行落震試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，尋找可有效控制輪胎與測(cè)力平臺(tái)間摩擦系數(shù)的方法，從而能準(zhǔn)確模擬落震試驗(yàn)中起落架的起轉(zhuǎn)、回彈載荷，為起落架設(shè)計(jì)提供可靠有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 落震試驗(yàn)方法和試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)方法

在落震試驗(yàn)[8]中，為了得到起落架承受撞擊時(shí)的沖擊響應(yīng)，必須測(cè)量出起落架在落震過(guò)程中的各種試驗(yàn)參數(shù)，然后根據(jù)得到的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)判斷起落架緩沖系統(tǒng)的工作情況，并應(yīng)用于起落架的緩沖性能設(shè)計(jì)。這里提到的試驗(yàn)參數(shù)主要有：起落架所承受的垂直、航向和側(cè)向載荷，起落架上部質(zhì)量重心位移，緩沖器行程，機(jī)輪輪軸的垂直、航向和側(cè)向變形，起落架上部質(zhì)量重心過(guò)載，機(jī)輪輪軸中心處的垂向、航向和側(cè)向加速度，起落架關(guān)鍵部位的應(yīng)力值等。

其中水平（航向和側(cè)向）載荷的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)起落架及直接受其影響的連接結(jié)構(gòu)，以及機(jī)翼、機(jī)身、外部燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等部件的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。所以能夠在試驗(yàn)過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量水平載荷對(duì)于起落架的安全及性能設(shè)計(jì)有著非常重要的的意義。此次落震試驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖1 所示。

本次主起落架落震試驗(yàn)在立柱式落震試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用減縮質(zhì)量法[1]，即將飛機(jī)升力所做的功等效為起落架落震投放質(zhì)量的減縮，對(duì)當(dāng)量質(zhì)量進(jìn)行二次折算，從而滿足起落架在著陸過(guò)程中所需吸收功量的要求。飛機(jī)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(jī)航向著陸速度由機(jī)輪帶轉(zhuǎn)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(tái)面來(lái)模擬。

試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)落體系統(tǒng)由控制臺(tái)提升到預(yù)定的投放高度后, 帶轉(zhuǎn)系統(tǒng)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)機(jī)輪使其輪緣切線速度逐步達(dá)到預(yù)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(cè)力平臺(tái)，同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取各通道測(cè)試數(shù)據(jù)，從而完成一個(gè)試驗(yàn)工況。本次落震試驗(yàn)程序如圖2 所示。

圖2 落震試驗(yàn)程序

1.2 機(jī)輪與測(cè)力平臺(tái)之間的摩擦系數(shù)

如圖3 所示，在起落架落震試驗(yàn)中，最大起轉(zhuǎn)載荷為航向載荷試驗(yàn)曲線中第一個(gè)波峰，最大回彈載荷是指航向載荷試驗(yàn)曲線中第一個(gè)波谷。

圖3 起轉(zhuǎn)、回彈載荷示意圖

摩擦系數(shù)定義為起轉(zhuǎn)載荷與其同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的垂直載荷的比值。具體見(jiàn)公式(1)。

式中：

Pxqzmax- 最大起轉(zhuǎn)載荷，kN；

Pyqz- 最大起轉(zhuǎn)載荷對(duì)應(yīng)的垂直載荷，kN。

1.3 測(cè)量參數(shù)

本次落震試驗(yàn)的投放質(zhì)量7000 kg，下沉速度3 m/s，航向帶轉(zhuǎn)速度340 km/h，輪胎充填壓力2.2 MPa。準(zhǔn)備了5 種不同粗糙度的鋁制摩擦臺(tái)面進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中的測(cè)量參數(shù)和對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法如下：

（1）地面作用在機(jī)輪上的垂向、航向和側(cè)向載荷，采用三向測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量；

（2）吊籃重心位移，采用位移傳感器進(jìn)行測(cè)量；

（3）緩沖器行程，采用位移傳感器進(jìn)行測(cè)量；

（4）緩沖器氣腔壓力，采用安裝在充氣嘴的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量；

（5）輪胎壓縮量，采用高速攝像進(jìn)行測(cè)量。

5 種摩擦臺(tái)面分別定義為1#摩擦臺(tái)面、2#摩擦臺(tái)面、3#摩擦臺(tái)面、4#摩擦臺(tái)面、5#摩擦臺(tái)面，如表1 所示。

表1 摩擦臺(tái)面

2 試驗(yàn)結(jié)果

在同等試驗(yàn)條件下，利用5 種不同粗糙度的摩擦臺(tái)面進(jìn)行某型主起落架的對(duì)比落震試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在表2和表3 中給出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)作歸一化處理后，試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4～圖8。另外，圖9 給出了不同摩擦臺(tái)面下起落架落震過(guò)程中起轉(zhuǎn)、回彈載荷的對(duì)比結(jié)果。

表2 不同摩擦臺(tái)面下主起落架的落震試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 不同摩擦臺(tái)面下主起落架的落震試驗(yàn)結(jié)果

圖4 1#摩擦臺(tái)面試驗(yàn)曲線

圖5 2#摩擦臺(tái)面試驗(yàn)曲線

圖6 3#摩擦臺(tái)面試驗(yàn)曲線

圖7 4#摩擦臺(tái)面試驗(yàn)曲線

圖8 5#摩擦臺(tái)面試驗(yàn)曲線

圖9 不同摩擦臺(tái)面下的起轉(zhuǎn)、回彈載荷

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著測(cè)力平臺(tái)表面摩擦臺(tái)面的網(wǎng)格變小變深，得到的試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)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??；

（2）作用在輪胎上的最大起轉(zhuǎn)載荷逐漸增大，且最大值出現(xiàn)的時(shí)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(zhuǎn)、回彈載荷對(duì)垂直載荷的峰值走勢(shì)有很大影響，其中垂直載荷的油峰和氣峰的趨勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，這說(shuō)明了水平?jīng)_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(jiàn)圖10 所示，從對(duì)比結(jié)果可以看出網(wǎng)格密度和粗糙度之間的關(guān)系。隨著摩擦臺(tái)面粗糙度的增加，摩擦系數(shù)也逐漸增加，當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到國(guó)軍標(biāo)相關(guān)試驗(yàn)要求時(shí)，輪胎表面的磨損也在加劇。所以在試驗(yàn)過(guò)程中除了關(guān)注輪胎與測(cè)力平臺(tái)之間的摩擦系數(shù)外，還要實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎的磨損程度，防止試驗(yàn)過(guò)程中輪胎爆胎對(duì)試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備造成損傷。

3 結(jié)論

本文以某型支柱式主起落架為研究對(duì)象，在配裝不同粗糙度摩擦臺(tái)面的測(cè)力平臺(tái)上進(jìn)行對(duì)比落震試驗(yàn)，研究了5 種臺(tái)面下輪胎與測(cè)力平臺(tái)間摩擦系數(shù)的差異性。從得到的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在其他影響因素（機(jī)輪帶轉(zhuǎn)速度、支柱傾角、機(jī)輪傾角、臺(tái)面干濕度等）一定的情況下，隨著摩擦臺(tái)面網(wǎng)格逐漸變小，摩擦系數(shù)會(huì)隨之變大。另外，網(wǎng)格大小相同時(shí)，其深度越深，摩擦臺(tái)面與輪胎間的摩擦系數(shù)越大，即隨著臺(tái)面粗糙度變大，摩擦系數(shù)會(huì)隨之逐漸變大。這說(shuō)明在落震試驗(yàn)中可以通過(guò)控制測(cè)力平臺(tái)臺(tái)面粗糙度使輪胎與平臺(tái)之間的摩擦系數(shù)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，從而更加準(zhǔn)確地模擬飛機(jī)在著陸過(guò)程中地面作用在機(jī)輪上的起轉(zhuǎn)、回彈載荷的變化情況。

本文的研究?jī)?nèi)容可為相關(guān)起落架落震試驗(yàn)提供技術(shù)借鑒和參考，得到的試驗(yàn)結(jié)果可為起落架著陸載荷分析提供有效數(shù)據(jù)支撐，從而充分保證起落架的安全性能設(shè)計(jì)，通過(guò)正確的地面試驗(yàn)支持飛機(jī)型號(hào)研制。