飞机起落架的减震系统

8．6起落架的减震系统一、概述飞机起落架的减震系统由减震器和轮胎组成．其中减震器(也称缓冲器)是所有现代起落架所必须具备的构件，也是最重要的构件．某些起落架可以没有机轮、刹车、收放系统等，但是它们都必须具备某种形式的减震器。而轮胎虽然也能吸收一部分能量，但仅占减震系统总量的10％～15％。当飞机以一定的下沉速度(一般“限制下沉速度”为3m／s，美国规定某些短距起落或海军用舰载机等可以更大些)着陆时，起落架会受到很大的撞击，并来回振动．减震装置的主要作用就是用来吸收着陆和滑行时的撞击能，以使作用到机体上的载荷减小到可以接受的程度；同时须使振动很快衰减。由以上功用对减震装置提出如下的设计要求．(1)在压缩行程(正行程)时，减震装置应能吸收设计规范要求的全部撞击能，而使作用在起落架和机体结构上的载荷尽可能小。在压缩过程中载荷变化应匀滑，功量曲线应充实——也即减震器应具有较高的效率．(2)为了减少颠簸或在伸展行程(反行程)中不出现回跳，要求系统在压缩行程中所吸收的能量中的较大部分(一般应有65％～80％左右)转化为热能消散掉。(3)为了让起落架能及时承受再次撞击，减震器应有必要的能量和伸展压力使起落架恢复到伸出状态，伸展放能时应柔和，支柱慢慢伸出，这样可消除回跳。减震器完成一个正、反行程的时间应短，一般不能大于o．8s。以上(2)，(3)项措施同时也对提高乘员舒适性有利。(4)着陆滑跑时，根据各种飞机对所预定的使用跑道的通过性(漂浮性)要求，规定在遇到某一高度的凸台和坑洼地时载荷系数不能超过允许值，(如某些次等级跑道的路面包含有76mm高的凸台．以及一定波长和波幅的波形表面隆起)。轮胎的弹性变形和弹性力对吸收能量、减小载荷系数和提高滑行时乘员的舒适性等方面均起一定作用，但是它不能消耗能量。二、减震器的类型总的说减震器可分为两大类广类是由橡胶或钢制的固体“弹簧”式减震器；另一类是使用气体、油液或两者混合(通常称油气式)的流体“弹簧”式减震器。利用橡胶、钢弹簧和气体作为介质的减震器是利用介质变形吸收撞击动能，靠介质内的分子摩擦消耗能量，因此这些减震器的热耗作用很小，只适用于轻型低速飞机以及后三点式起落架的尾乾．图8．24对不同类型减震器的效率V和效率／重量比作了比较。v(％)‘A／LS，其中A为减震器在正行程中实际吸收的能量；I为正行程中受到的最大载荷；s为正行程中的最大行程。由团可知油气式减震器是目前效率／重量比最高的减震器类型，其效率实际上可达到80％一90％之间。图8．25所示波音-737主起落架的试验曲线表明其效率达到了90％。此外它还具有很好的能量消散能力。因此现代飞机一般多采用泊气式减震器。全泊液式减震器结构紧凑，尺寸小，效率也可在75％以上，设计得好可达到90％。但由于高液压而需要加强减震器的构件，导致减震器重量较大，且密封比较困难，目前在战斗机上有使用。气体式减震器因效率／重量比低，耗散能量差，可靠性也较差，目前已不再使用。固体“弹簧”式减震器虽因效率／重量比小，耗散能量少等缺点，一般在速度较高的现代飞机上基本不采用。但仍应对其构造简单，工作可靠性高，维护要求低以及相应的低价格予以应有的认识。对于某些轻型的简易飞机或多用途小飞机，若起落架不收放，此时通过综合考虑和折衷平衡也有采用片簧式或橡胶压块式减震器。如加拿大的DHC—6(“双水獭”)飞机为涡轮螺旋桨发动机短距起落的小型运输机，最大起飞重量为5．6t。它的不可收的主起落架就采用了橡胶压块式减震器(见图8．26)，前起落架为油气式减震器。该机于1969年改型后的DHC—s—300系列有二百余架投入了使用。由于油气式减震器是目前性能最好、使用最广泛的减震界，下面我们将对它着重讨论。三、油气式减震器油气式减震器通常由外筒、活塞内筒、制动活门(反冲阀)、柱塞(阻尼孔支撑管)组成，有的还带有油针，内充气体(空气或氮气)和油液。它的典型构造见图8．27。当起落架受到撞击时，油液被迫通过一个或多个阻尼孔(也称油IL或限流孔)压缩气体，减震器吸收能量。在初始撞击之后，由压缩后的高压气体迫使活塞内筒向外伸出。这一反弹过程由气体压力控制，它迫使油液通过一个或多个反弹阻尼孔流回油液腔。假如油液回流太快，飞机将向上弹跳；如果油液回流太慢，会使支柱不能足够快地回到它的初始位置，将使高频撞击(在滑行时可能出现)不能完全被阻尼。1．气体气体起两个作用，一是减震支柱受载、气体被压缩时气体吸收能量，起缓冲垫和滑跑减震作用二是撞击过后压力增大的气体将支柱重新顶出．根据气体力学的知识和活塞杆的受力平衡可知(略去摩擦力影响情况下)F——活塞承受气压的有效面积；P。——气体对活塞的总压力；。——气体匝缩过程的多变指数，它随气体在压缩过程中的热交换情况而定：等温过程时为“绝热过程为1．4，在油气式减震器内有一定程度的热交换，通常取n为1．2．由式(8．1)得出A。就是P。一S工作曲线下的面积，故户。一s图称功量图．从图8．28可见，在吸收同样的撞击能A。的情况下，若声。不变，则Vo愈大，s将愈大，减震0S愈软，若y。不变，则》o愈小，s也愈大，减震器也愈软；反之亦然。由此可知，可以用调节V，或》o的方法来调节减震器的行程s和软硬程度。但是若只考虑由气体工作则有以下缺点。(1)它只能吸收能量，减小撞击过载，但不能消散能量．就像一般的弹簧一样，来回跳动。这样，对人员、结构、装载、设备等均不利．(2)它的功量图中间凹下去，不够充实，吸能的效率低。若需吸收同样的能量，效率低会使行程和末压力增大，从而导致减震器的尺寸和过载的增大。为此，加进了油液和阻尼孔装置。2，油波和阻尼孔的作用及对功量图的影响加进油液和阻尼孔后，在活塞运动的过程中油液就被来回挤过阻尼孔，使减震支柱运动时受到的阻力增大；油液流经阻尼孔磨擦生热，将撞击能变为热能消散掉。设油液流经阻尼孔时受到的阻力为尸f，活塞运动时的机械磨擦力为P尸减震支柱上的外载为户。，那么由力的平衡关系可得到压缩行程时户-＝尸c+户，十户，伸展行程时尸：二户。一户，一尸／(8．5)图8．29为油液流经阻尼孔时的尸J一5曲线和加进阻尼孔后的功量图户。～s曲线。由上图可见，加进油液和阻尼孔的减震器吸收和消散的能量大为增加，从原理上解决丁纯气体减震器的缺点。但它尚有以下不足之处。(1)在压缩过程中载荷不均匀，有忽高忽低的现象，甚至会在压缩行程初期就出现危险过载，并使飞机反跳．(2)在伸展过程中消散的能量少。为了理解这两个现象的起因，分析一下油液流经阻尼孔时的阻力特性。根据流体力学知识可知式中vf——活塞的运动速度；——流量系数，与阻尼孔的形状、长度、油液粘性有关(试验得出)，／——阻尼孔的面积；v／——油液流经阻尼fL的速度，y——油液比重。由上述公式可知，巧越大或／越小，则户J就越大．刚着陆时擅击猛烈，活塞向上运动速度快，y，大，F，也很快增大，功量曲线猛升，形成了大的过载。紧接着由于撞击能被大量吸收，活塞运动遇到很大阻力，因而YP很快小下来，vI减小，户J也就随着迅速降下来．这时，恬塞运动的阻力也大大减小，剩余的能量继续推活塞向上，v／又逐渐增大，V／及尸J也逐渐增高，最后达到终点．这样，就形成了减震器压缩过程中载荷不均，忽高忽低，未到最大行程就出现大的过载，影响了功量曲线的匀滑和功量图的充实度．7L面积进一步减小，以增大伸展行程中的油孔阻力，从而增加能量的耗散。有时为了使飞机在地面运动时较为平稳，在初始一段减震0S小压缩量的行程中加大油孔面积，使不产生油液阻力，而只是气体作功，这段行程称为自由行程，以S。表示，s。反映了跑道路面的不平度(田8．31(左图))。实际减震器的功量图如图8．31所示．通常我们用两个系数来表示减震器性能的好坏。(1)效率系数(或称充实系数)用v表示，从功量图上看，它表示了功量曲线的充实度，也即表示该减震器吸能效率的大小．(2)热耗系数(或称滞后系数)用x表示，从功量图上看表示了压缩和伸展曲线所围成面积的大小程度，反映了减震器消散能量的能力大小。。，一实际耗能量一面积cde／‘实际吸能量面积cdgO显然有油孔和变油孔(变阻尼TL)装置的减震器这两个系数都比较大。4．双动式(双腔式)油气减震器(图8．32)这是一种具有低伸展压力，滑行舒适，可在高低不平的土质跑道上使用的油气式减震器，在c—5A飞机的土起落架和前起落架上均采用这种减震器。这类减震器有两个气室，其中主气室同于一般减震器的气室；另有一副气室在主活塞内部、浮动副活塞的下面，这个气室内预先亢上的气压要超过起落架上所承受的最大静载荷(相应于图o．32(b)上的D点)。当行程和载荷超过与D点相应的值时，主、副气室均工作。从0点开始，如果继续缓慢加载，副活塞开始工作，减震器的载荷～行程将沿曲线月变化，丑曲线段内“弹簧”系数接近于常数，且载荷的增量接近于行程的增量。图8．32(b)中的曲线AA，相当于假设副活塞被卡住，只有主气室起作用时的情况；AB曲线为双动式减震器正常工作的情况；而C曲线相当于加长型的单腔减震器的工作曲线．从图上可看出当载荷系数由1．o增大到2．o时，双动式减震器的行程增量值和能量增量值均大于AA’或C曲线相应的情况(见表8．2)。换言之，它在遇到同样的凸台和坑洼地时，相应的载荷增量会较AA，和c曲线情况要小。总的说双动式减震器的载荷与行程响应较一般的减震器好得多，但由于它的总体效率有所下降，维护程序复杂，价格高且稍重一些，因此对在比较平滑的跑道上使用而不需要在高低不平的土质跑道上使用的飞机，宁肯使用单腔式油气减震器。三、全油液式减震器全油液式减震器的构造(图8．33)与油气式基本相同，不过没有气体。在全伸屉的状态下，筒腔内全部充满液体。减震ee工作时，油液被来回挤压流过油孔而起到吸功散能、缓冲减震作用。着陆撞击时活塞杆上行，油室容积减小，油液被压缩而吸09减震；同时油液被挤过油孔，摩擦生热而消能减震．当压力大过某一定值时，定压活门被冲开，增大了流油孔的面积，减小了流油阻力，从而减小于过载，伸展时油液推活塞杆下行，并关闭了定压活门，减小于流油孔面积，提高于流油阻力．由此，功量图得到了改善，可以设计出高效率的减震器，据资料介绍，曾经有减震器效率达到了97％。应用表明，全油液减震器几乎适用于所有型式的起落架。由于它的结构紧凑．特别适用于摇臂式起落架，对于机身离地面较近的起落架更有利，已应用于各类飞机。特别在一些战斗机上，由于空间紧凑和限制较多，更适合使用全油液减震器，如米格—23、F—104和加拿大的CF—100，其他如C—120喷气客机等．但这种减震器的油液压力太高(内压可高达350MPa以上)，须要高压密封装置，目前这类密封装置的摩擦系数比较高，维护上不太理想，常会在密封盖处漏油；还要考虑经久耐用，因而重量比较大，又低温时液体溶剂的改变会影响减震器性能，因此限制了它的使用。四、自适应减震器的研究现代飞机由于重量增加‘起飞和着陆滑跑速度增大，跑道不平度引起的起落架和机身的动响应载荷等已成为影响起落架承力结构寿命的主要因素。因而研究起落架缓冲系统动响应载荷的理论计算方法，控制非线性振动系统中的主要参数，以求得最优动响应，从而提高起落架的寿命是当前起落架缓冲系统研究的一个重要方面．但是着陆撞击与地面滑跑两种工作状态下对于起落架减震器的填充、阻尼系数的要求会有所矛盾。解决的方法是采用自适应技术，国外对此已进行了多年的研究工作．目前这种自适应控制方法基本上是在常规油气式减震器上增加一个或几个额外的油气室．将飞机在着陆和滑跑过程中测得的响应量作为反馈信息，由传感器反馈给控制系统作为系数调整的依据；然后按事先设计的最优规律调整油、气流量，形成一个闭环系统(图8．34)，从而达到改善减震器性能的目的。