中航工業(yè)信息技術中心金航數碼科技有限責任公司 任金虎 許鴻杰 史曉輝 余涵

起飛、著落和滑跑等過程中，飛機前機輪往往因高速運轉或接觸的跑道不平整等原因產生自激振動或擾動，致使前機輪側向偏轉，支柱變形和輪軸傾斜，極易引起輪胎撕裂，支柱折斷。本文運用abaqus軟件建立液壓式減擺器模型，通過在其旋轉軸上施加一強迫振動模擬減擺器的工作狀態(tài)，研究液壓減擺器的減擺特性，分析了強迫振動的周期、強迫振動的振幅（扭矩）和液體粘度與測點最大位移、最大速度之間的關系，設計了一種具有減擺功能的飛機起落架緩沖裝置。結果表明：在液壓減擺器減擺過程中，旋板的位移在擺振數周期后出現大幅度地向某一方向上偏移，而旋板的速度整體上在零速度左右擺動，但其后期擺動幅度明顯大于前期；在減擺器擺振過程中，會出現類似于共振的現象，此現象對液壓減擺器的減擺效果影響較大；液壓減擺器降低旋板的擺振幅度能力高于減小旋板的擺振速度能力，且增大液體粘度可一定程度上增強減擺器的減擺效果。此液壓減擺器的減擺特性對指導設計師設計減擺器具有重要作用，對預防前輪偏離滑行方向產生較大側向偏轉角和支柱變形現象具有重要作用。

一、引言

飛機在跑道上起飛、著落和滑跑等過程中，常因運動速度超過某一臨界值，前機輪發(fā)生左右劇烈偏擺的自激振動，或因地面不平整，鋪砌粗糙等前機輪受到某種擾動，產生側向偏擺。偏擺的幅度越大、頻率越高，機輪側向偏轉角越大，支柱變形和輪胎撕裂可能性越高，嚴重威脅機上人員生命安全。針對此問題，各飛機設計生產廠家主要通過設置減擺器降低偏擺的振幅和頻率。據提供阻尼的工作方式，減擺器一般分為摩擦減擺器和液壓減擺器。因摩擦阻尼力矩等的限制，摩擦減擺器使用相對較少，而更多地采用液壓減擺器。依據飛機所需減擺性能的要求，大中型飛機大多選擇減擺能力強的旋板式液壓減擺器；小型飛機大多選擇收藏空間要求較小的柱塞式液壓減擺器。雖然兩種液壓減擺器結構不同，但其工作原理是基本相同的，均是利用油液通過阻尼孔產生阻尼力，再通過傳動機構產生繞支柱軸旋轉的阻尼力矩防止起落架機輪擺動，使擺動機械能變成熱能逐漸消耗。諸多學者針對液壓減擺器進行了大量研究，其中向錦武，穆志韜和蘇開鑫等對飛機起落架減擺器的液壓阻尼特性進行了分析與研究；楊寧都，杜進等研究了液體壓縮性對減擺器減擺特性的影響；馮彪，高雅和顧宏斌等對液壓減擺器擺振進行數字化仿真分析與優(yōu)化，但鮮有研究相同液壓減擺器（其阻尼孔的長徑比和空間排布方式等相同）對不同周期的振動、不同振幅的振動和不同粘度的液體的減擺特性。然而，液壓式減擺器的減擺特性對液體種類和減擺器等的選擇與設計具有重要的參考作用，故本文分別設計了七個不同周期的振動、七個不同振幅的振動以及選取了七種不同粘度的液體，運用處理非線性能力較強的Abaqus軟件的流固耦合模塊，計算和分析減擺器的減擺特性。

二、試驗原理

本試驗在液壓式減擺器的旋轉軸上施加一強迫振動，模擬減擺器的工作狀態(tài)，在振動狀態(tài)下模擬測試減擺器的減擺特性。

試驗的基本要求：忽略油溫和含氣量對減擺器減擺特性的影響；忽略高階阻尼和機械結構之間的摩擦產生的阻尼對減擺器減擺效果的影響；假定整個減擺過程中，液體粘度不隨溫度等因素而變化。

液壓式減擺器阻尼孔的長徑比為：

Β = l/D （1）

式中，l為阻尼孔的長度，m；D為阻尼孔的直徑，m。

如若阻尼孔的長徑比B小于0.5，則稱該阻尼孔為薄壁孔； 0.5≤B＜4，則稱該阻尼孔為短孔；4≤B，則稱該阻尼孔為細長孔。本文設計的減擺器阻尼孔長度l=0.8cm，直徑D=2cm，故設計的減擺器為具有薄壁阻尼孔的液壓式旋板減擺器，如圖1所示。

圖1 減擺器內部圖

圖中，帶有阻尼孔的結構稱為旋板，外圍剛筒稱為減擺器外筒。

在液壓式減擺器的旋轉軸上施加的強迫振動曲線為周期型幅值曲線，周期型幅值曲線可用傅里葉級數表示，其表達式為：

式中，a為幅值，m；N為傅里葉級數項的個數；w為圓頻率，rad/s；t0為起始時刻，s；A0為初始幅值，m；An為cos項系數；Bn為sin項系數。

本文選取的強迫振動曲線表達式中，N=1，t0=0s，A0=0m，A1=1，B1=0，且t≥0s，即其表達式簡化為：

據調研，飛機起落架液壓式減擺器的振動周期多數在0.1s左右，故本文設計如表1所示的七個周期進行運算研究。

表1 強迫曲線周期

對于余弦函數式（3）：

故wn取值如表2所示。

因強迫振動的扭矩越大，減擺器擺振幅度越大，故通過設置強迫振動的扭矩大小，調控減擺器擺振幅度，設計的強迫振動的扭矩如表3所示。

表3 強迫振動的扭矩

因某號航空油的粘度為0.0118Pa·s，常用液體水的粘度為0.001Pa·s，故本文取如表4所示的七種粘度的液體進行運算研究。

表4 液體的粘度

三、試驗方法及結果

1.試驗方法

減擺器三維模型如圖2所示，其中圖2（a）為減擺器中液體三維模型，圖2（b）為圖1、圖2（a）組裝后的三維模型。

圖2 減擺器三維模型

針對此三維模型，在Abaqus中給外筒設置固定支座，約束其X、Y、Z軸方向上的平移和轉動；設置參考點RP-1，并將其與旋板綁定，在參考點RP-1上設置強迫振動；給液體在沿著旋板軸心方向施加重力，如圖3所示。

圖3 減擺器三維有限元模型

本試驗共分為三組，第一組是液體粘度（選取0.001Pa·s）和振動幅度（選取扭矩700N·m）固定時，分別運算分析七個振動周期（也即圓頻率）時減擺器的減擺特性；第二組是液體粘度（選取0.001Pa·s）和振動周期（選取0.12s，也即選取了圓頻率52.3rad/s）固定時，分別運算分析七個振動幅度時減擺器的減擺特性；第三組是振動周期（選取0.12s，也即選取了圓頻率52.3rad/s）和振動幅度（選取扭矩700N·m）固定時，分別運算分析七個液體粘度時減擺器的減擺特性。

2.試驗結果

選取旋板頂端節(jié)點作為測試點，測試該點的位移和速度，分別獲得如下實驗結果。

（1）第一組的測試點位移和速度圖如圖4所示。

（2）第二組的測試點位移和速度圖如圖5所示。

（3）第三組的測試點位移和速度圖如圖6所示。

圖6 不同粘度時測試點的位移和速度圖

（4）第一組的測試點沿垂直旋板方向的位移最大值（不考慮正負）和速度最大值（不考慮正負）如表5所示。

表5 不同周期時測試點的位移最大值和速度最大值

（5）第二組的測試點沿垂直旋板方向的位移最大值（不考慮正負）和速度最大值（不考慮正負）如表6所示。

表6 不同扭矩時測試點的位移最大值和速度最大值

（6）第三組的測試點沿垂直旋板方向的位移最大值（不考慮正負）和速度最大值（不考慮正負）如表7所示。

表7 不同粘度時測試點的位移最大值和速度最大值

四、試驗結果分析

（1）由圖4可得，不同擺振周期時，測點的位移隨著減擺時間變化的前期均在零位移處左右擺動，但變化后期，位移大幅度地向負方向上偏移；而測點的速度隨著減擺時間推進，全程均在零速度處左右擺動，但其變化后期擺動幅度明顯大于變化前期。為了提高減擺器減小飛機機輪擺振幅度的能力，設計師可依據這一現象，多考慮如何提高減擺器擺振后期的減擺特性（比如采用動態(tài)地增加減擺器擺振后期液體的壓力等方法）。

將表5中的周期與Umax和Vmax建立曲線關系，如圖7所示。

圖7 周期與Umax和Vmax的曲線關系

由此可見，在本試驗測試的周期內，隨著擺振周期的增加，減擺器的最大位移和最大速度呈現先增加后減小的趨勢，表明在減擺器擺振過程中，可能也會出現類似于共振的現象，在產生共振現象時，減擺器減擺效果很不理想（旋板出現大位移、大速度），這就要求設計師設計減擺器時應考慮共振可能帶來的影響。

（2）由圖5可知，不同振幅（扭矩）時，測點的位移在0.4s～0.6s的減擺時間內，出現大幅度偏向位移負方向。因此時周期均為0.12s，故位移大幅度偏向位移負方向的現象出現在擺振后3～5個周期時，故在減擺器設計時應通過機械設計等手段盡量避開此現象的出現。

將表6中的扭矩與Umax和Vmax建立曲線關系，如圖8所示。

在圖8中，隨著扭矩的增大，測點的最大位移和最大速度均呈現增加趨勢，但最大位移的增加趨勢明顯緩于最大速度，這表明在機輪受到更大的沖擊扭矩時，減擺器降低旋板的擺振幅度能力高于其減小旋板的擺振速度能力。

圖8 扭矩與Umax和Vmax的曲線關系

（3）由圖6可知，不同液體粘度時，測點的位移隨著減擺時間推進，整體上也是前期在零位移處左右擺動，后期位移大幅度地向負方向上偏移；測點的速度整體上在零速度處左右擺動。結合圖4和圖5，液壓減擺器具有如下特性：在減擺過程中，液壓減擺器旋板的位移會在某時刻出現大幅度地向某一方向上偏移；旋板的速度整體上在零速度處左右擺動。但因擺振周期和振幅以及液體粘度等因素的影響，致使位移出現大幅度地偏向某一方向的時刻和速度擺動的幅度不同。

將表7中的粘度與Umax和Vmax建立曲線關系，如圖9所示。

圖9 粘度與Umax和Vmax的曲線關系

在圖9中，隨著粘度的增大，測點的最大位移和最大速度整體上均呈現減小趨勢，這表明在減擺過程中，增大液體粘度可一定程度上抑制旋板的轉動位移和速度，即增加了減擺器的減擺效果。

（4）具有減擺功能的飛機起落架緩沖裝置設置。依據液壓減擺器減擺特性，設計了一種將減擺器和起落架緩沖器相結合的，具有減擺功能的飛機起落架緩沖裝置，具體如圖10～12所示。

圖10～12中，1為充氣嘴，2為芯桿，3為外筒，4為反向活門；5為減振阻尼孔；6為凸輪，7為密封裝置，8為減擺阻尼孔，9為旋板，10為活塞桿，11為凸起。

圖10 飛機起落架緩沖裝置示意圖

圖11 減振阻尼孔

圖12 旋板和減擺腔室

此飛機起落架緩沖裝置的外筒與活塞桿通過密封裝置緊套，在外筒與活塞桿交接處還分別設有反向活門和凸輪，外筒內設有芯桿，芯桿下部穿過活塞桿，充氣嘴與芯桿上部連接。

其中，芯桿上部設有孔洞，通過充氣嘴將氣體充入芯桿，氣體和液體通過孔洞實現交換。芯桿底部與旋板上部分別設有螺紋和螺孔，并通過該螺紋和螺孔實現芯桿和旋板的連接。芯桿下部設有減振阻尼孔，旋板上設有一定數量的減擺阻尼孔，同時活塞桿內的旋板活動區(qū)域設有凸起。可配備多個旋板，每個旋板上設置的減擺阻尼孔空間的布置方式，孔徑大小和數量等不同，形成了不同的阻尼系數，即每個旋板的減擺能力不同。凸起的尖端與旋板的中部設有較小縫隙，旋板左右活動距離需大于起落架最大緩沖行程。

此飛機起落架緩沖裝置加工制作和裝配使用方便快捷，無需單獨設置減擺器及其配件，無需考慮起落架收起時，減擺器及擺振傳遞配件的收藏空間，同時將不再出現因擺振傳遞構件的疲勞損傷等原因導致的故障，降低了飛機故障率。

五、結語

（1）在液壓減擺器工作過程中，旋板的位移會在擺振數周期后出現大幅度地向某一方向上偏移；旋板的速度整體上在零速度左右擺動，但其后期擺動幅度明顯大于前期；因擺振周期和振幅以及液體粘度等因素的影響，同一減擺器旋板的位移出現大幅度偏擺的時刻以及其速度擺動的幅度不同。此液壓減擺器的減擺特性對指導設計師設計減擺器具有重要作用。

（2）本次測試試驗表明在減擺器擺振過程中，可能也會出現類似于共振的現象，此現象對液壓減擺器的減擺效果影響較大，故而設計師在設計液壓減擺器時應考慮通過改變減擺器結構等手段，盡量降低共振可能帶來的不利影響。

（3）在液壓傳感器工作過程中，液壓減擺器降低旋板的擺振幅度能力高于其減小旋板的擺振速度能力；同時增大液體粘度可一定程度上增強減擺器的減擺效果。

（4）設計了一種具有減擺功能的飛機起落架緩沖裝置，能夠實現飛機起落架的降低沖擊和減緩擺動的功能，無需單獨設置減擺器及其配件，節(jié)約了成本，提高了減擺效率，實用性強，便于推廣使用。