謝 劍，黃 帥

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究部，上海 200230)

現(xiàn)代大型民機(jī)需要復(fù)雜的、多段的高升力系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足飛機(jī)起飛和降落要求。早期的噴氣式飛機(jī)起飛著陸速度由于受到機(jī)場(chǎng)跑道長(zhǎng)度的限制，于是飛機(jī)設(shè)計(jì)人員研發(fā)了增升裝置。機(jī)翼后緣裝置從簡(jiǎn)單的襟翼演變?yōu)閱慰p、雙縫，或者多縫的富勒姆襟翼;機(jī)翼的前緣也從固定前緣演變?yōu)楹?jiǎn)單的克魯格襟翼，從固定、帶縫的前緣演變?yōu)閮晌?、三位的?fù)雜縫翼和變彎度的克魯格襟翼。典型的如波音747飛機(jī)，包含一個(gè)變彎度的克魯格襟翼和三縫的內(nèi)側(cè)縫翼。而今，民用飛機(jī)的縫翼正在朝簡(jiǎn)單、高效安全性方向發(fā)展，以期以最低的成本獲得最高的性能。如空客A320飛機(jī)，包括1段內(nèi)縫翼和4段外縫翼，內(nèi)外縫翼采用相同的驅(qū)動(dòng)源，縫翼靠旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。

現(xiàn)代民用飛機(jī)的縫翼操縱系統(tǒng)由傳統(tǒng)型的液壓推桿作動(dòng)器發(fā)展為電液控制、液壓驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器?？湛虯320飛機(jī)的縫翼操縱系統(tǒng)包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓馬達(dá)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的扭力管組件、變角齒輪箱、支撐軸承，扭矩增益系統(tǒng)中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置 (Power Drive Unit)的齒輪機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器 (GRA)，故障保護(hù)裝置的翼尖制動(dòng)器(Wingtip Break)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置 (Power Drive Unit)中的斷壓剎車(chē) (Pressure off brake)。這些機(jī)械裝置在實(shí)現(xiàn)各自功能的同時(shí)必須保證相應(yīng)的性能要求，其最基本的一個(gè)性能要求就是必須能克服機(jī)翼的氣動(dòng)載荷。本文將詳細(xì)論述民用飛機(jī)縫翼操縱系統(tǒng)各機(jī)械部件的性能設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 縫翼操縱系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)輸入條件

A320民用飛機(jī)的縫翼操縱系統(tǒng)由位于機(jī)身的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，通過(guò)扭力管組件、角齒輪箱等傳動(dòng)鏈系傳動(dòng)至機(jī)翼固定前緣，由固定前緣的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器帶動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)縫翼實(shí)現(xiàn)放下和收起。對(duì)縫翼操縱系統(tǒng)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，首先需要定義縫翼系統(tǒng)的基本模型，然后確定性能設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)輸入要求，如機(jī)翼載荷要求、收放時(shí)間要求、液壓流量限制等。

1.1 縫翼系統(tǒng)構(gòu)型

A320民用飛機(jī)的縫翼由內(nèi)外兩段組成。其中內(nèi)縫翼1段，包括4根滑軌，2根滑軌由旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，2根滑軌起輔助作用。外縫翼4段，每塊包括2根滑軌，分別由2個(gè)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。由于內(nèi)外縫翼所受的氣動(dòng)載荷不一樣，內(nèi)外縫翼旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器分別設(shè)計(jì)。在翼尖處縫翼安裝一翼尖剎車(chē)，當(dāng)縫翼放下/收起到指令位置時(shí)，剎車(chē)將縫翼固定在指令位置。

前緣縫翼左右兩側(cè)機(jī)翼對(duì)稱(chēng)，設(shè)計(jì)只考慮單側(cè)，左右相同。左側(cè)構(gòu)型如圖1所示，圖中單側(cè)機(jī)翼的機(jī)械裝置名稱(chēng)及數(shù)量見(jiàn)表1。

圖1 前緣縫翼單側(cè)機(jī)械裝置構(gòu)型

表1 前緣縫翼單側(cè)機(jī)械裝置

1.2 縫翼操縱系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)輸入

縫翼操縱系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)所需的輸入?yún)?shù)包括飛機(jī)各個(gè)構(gòu)型的縫翼收起放下角度以及收起放下時(shí)間，縫翼旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的最大操縱載荷，飛機(jī)液壓系統(tǒng)液壓源的壓力值，縫翼滑軌內(nèi)外半徑值等。本文中各個(gè)設(shè)計(jì)輸入以假設(shè)為主，重點(diǎn)在于論述縫翼操縱系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)的原理。

假設(shè)縫翼共有10根滑軌，每個(gè)滑軌的內(nèi)、外徑分別為 Ri和 ri，i=1，2，3，…，10，所對(duì)應(yīng)的最大操縱載荷為T(mén)i?？p翼開(kāi)啟角度為θ，要求開(kāi)始時(shí)間為t。液壓源提供的壓力為P。通過(guò)上述的參數(shù)進(jìn)行各個(gè)機(jī)械設(shè)備性能的基本設(shè)計(jì)。

2 縫翼操縱系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

要滿(mǎn)足1．2所述的設(shè)計(jì)要求，首先是PDU的功率必須能夠滿(mǎn)足要求，然后通過(guò)合理配置扭矩增益系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)增大扭矩、減小速度。實(shí)際的性能設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須同時(shí)考慮到速度、載荷以及現(xiàn)有的貨架產(chǎn)品，在同時(shí)滿(mǎn)足速度和載荷的前提下，權(quán)衡PDU的設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的重量。

確定舵面的偏轉(zhuǎn)速度為：

高升力系統(tǒng)扭力管的轉(zhuǎn)速一般在600r/min左右(根據(jù)MIL-DTL-9490D，扭力管的最大轉(zhuǎn)速小于其臨界轉(zhuǎn)速的15%)，根據(jù)這個(gè)轉(zhuǎn)速可求出GRA、小齒輪和齒條的減速比之積為：

利用這個(gè)減速比可在不考慮傳動(dòng)效率的前提下求得PDU單側(cè)輸出的最大力矩為：

由此可初步計(jì)算出扭力管的最大外徑φTorqueTube以及GRA的中心軸的最大外徑 φGRA-shaft。根據(jù)φGRA-shaft以及導(dǎo)軌的內(nèi)外徑來(lái)確定小齒輪和齒條的齒數(shù)及模數(shù)。首先根據(jù)外載、導(dǎo)軌的內(nèi)外徑以及齒條的寬度來(lái)確定齒條的模數(shù)范圍;再根據(jù)φGRA-shaft來(lái)定義小齒輪的模數(shù)范圍及齒數(shù)，通過(guò)優(yōu)化迭代出一個(gè)比較合理的加速比i1，其效率為η1。

確定了i1之后來(lái)選擇GRA合理的減速比，GRA的減速比基本確定在i/i1的范圍內(nèi)，此時(shí)還必須考慮到PDU的輸出轉(zhuǎn)速，最好能找到貨架產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

假設(shè)確定了GRA的減速比為i2，其效率為ηi(i代表從PDU端開(kāi)始第i個(gè)GRA)。

再明確以下條件：角齒輪箱的效率η5，萬(wàn)向節(jié)的效率η3，支撐軸承的效率η4，WTB的傳動(dòng)效率η4，基本上就可以進(jìn)行初步的計(jì)算。

2.1 操縱載荷設(shè)計(jì)

計(jì)算每個(gè)小齒輪上的最大操縱載荷：

每個(gè)GRA的最大操縱載荷：

PDU輸出端的單側(cè)最大操縱載荷的計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 最大操縱載荷計(jì)算表

表2的計(jì)算結(jié)果可以作為選擇扭力管型號(hào)、萬(wàn)向節(jié)規(guī)格(MIL-DTL-6193)以及軸承規(guī)格的依據(jù)。通過(guò)表2還可確定與GRA集成的每個(gè)ATL的限制力矩，每個(gè)ATL的限制力矩的大小介于與其集成的GRA最大操縱載荷的1．2～1．7倍之間。

WTB的制動(dòng)力矩為∑T+TAirLoad，此處必須加上氣動(dòng)載荷，因?yàn)閃TB制動(dòng)之后翼面載荷還會(huì)反傳到作動(dòng)線(xiàn)系上。WTB的把持力矩為制動(dòng)力矩的1．5 倍。

STL的限制力矩為∑T。

2.2 轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：

必須計(jì)算扭力管在∑T下的臨界轉(zhuǎn)速，確保計(jì)算出的轉(zhuǎn)速小于25%的臨界轉(zhuǎn)速。

2.3 PDU 性能設(shè)計(jì)

由PDU單側(cè)的最大操縱載荷和轉(zhuǎn)速可計(jì)算出PDU的最大輸出功率：

不考慮PDU中齒輪減速機(jī)構(gòu)、STL、POB等的效率，則每個(gè)液壓馬達(dá)的輸出功率為：

根據(jù)馬達(dá)的功率和油壓進(jìn)行馬達(dá)的選型，然后設(shè)計(jì)PDU中的減速機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以A320民用飛機(jī)縫翼操縱系統(tǒng)為例，從縫翼機(jī)械裝置著手，對(duì)縫翼操縱系統(tǒng)齒輪齒條、旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器(GRA)、翼尖剎車(chē)(WTB)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置(PDU)、扭力管組件等進(jìn)行了參數(shù)化的基本設(shè)計(jì)，從而得出各個(gè)機(jī)械裝置的基本性能指標(biāo)，該性能設(shè)計(jì)思路也可用于民用客機(jī)襟翼操縱系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)上。將對(duì)國(guó)外民機(jī)的分析研究，成果用于國(guó)內(nèi)民機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)內(nèi)民機(jī)高升力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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