(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)， 天津 300350)

引言

固定翼飛機起落架系統(tǒng)是飛機上最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，其工作性能直接影響到飛機起飛、著陸的穩(wěn)定性和安全性，其收起和放下過程必須按照嚴格的順序，執(zhí)行一系列的復(fù)雜動作[1-3]。

飛機起落架系統(tǒng)是航空類專業(yè)航空概論、飛機構(gòu)造等課程的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。在進行飛機起落架相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中，通過現(xiàn)有的課本、圖片、視頻等教學(xué)手段，很難讓學(xué)生對固定翼飛機起落架的構(gòu)成及其工作過程有較好的理解。雖然結(jié)合飛機起落架實物進行教學(xué)效果會好一些，但是由于飛機系統(tǒng)龐大，飛機上各種元器件、管路、電路復(fù)雜，飛機起落架的某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)隱藏于狹小空間，依然很難看透、理清起落架系統(tǒng)的各部件及其關(guān)系；而且，真實起落架體積龐大，價格昂貴，占地面積大，需要專用車間才能存放，且數(shù)量有限，無法滿足班級授課要求。演示其工作過程需要將飛機吊起，給班級授課帶來較大麻煩?；诖耍狙芯空撌隽嘶跉鈩蛹夹g(shù)的飛機起落架演示儀開發(fā)[4-5]。

1 起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

飛機起落架演示儀主要包括演示儀機架、艙門及起落架收放演示機構(gòu)和電氣控制柜3部分?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示：其中1為機架，2為艙門及起落架收放演示機構(gòu)，3為電氣控制柜。

圖1 起落架演示儀總體結(jié)構(gòu)

機架用鋁型材拼接，這種結(jié)構(gòu)無需任何表面噴涂，具有拼接組裝簡便、結(jié)構(gòu)強度高、重量輕等優(yōu)點。為了便于設(shè)備移動，機架下方裝有4個萬向腳輪，上方橫梁上裝有2個鋁合金把手(見圖中6和4所示)。機架分上下兩層結(jié)構(gòu)：電氣控制柜位于機架下層，艙門及起落架演示機構(gòu)位于機架上層。此外在機架上層橫梁一側(cè)還裝有操作及狀態(tài)顯示面板(見圖中5所示)。

1.2 演示儀主要參數(shù)

演示儀機架的結(jié)構(gòu)充分考慮操作便利性，結(jié)合人機工程理論，將其設(shè)計為一種便攜式教學(xué)演示儀，其主要參數(shù)如表1所示[6-7]。

表1 演示儀主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 起落架收放機構(gòu)設(shè)計

固定翼起落架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其收起及放下過程必須按照嚴格的順序執(zhí)行一系列復(fù)雜動作。固定翼飛機起落架收放方式主要有沿縱向收放和沿橫向收放2種。固定翼飛機前起落架，安裝于機身段前部，通常采用沿縱向(前后方向)收放方式；主起落架安裝于機翼下方，通常采用沿橫向(左右方向)收放方式。本研究所述的飛機起落架演示儀參考民航客機前起落架結(jié)構(gòu)[8-9]。

飛機前起落架的收放機構(gòu)，主要包括艙門開啟關(guān)閉機構(gòu)和起落架收起放下機構(gòu)及其安全保護機構(gòu)。

1) 艙門機構(gòu)

固定翼前起落架艙門由主艙門和副艙門組成:主艙門在起落架收起及放下過程中打開，起落架收起或放下完成后主艙門關(guān)閉；副艙門在起落架收起完成后關(guān)閉，其余狀態(tài)下均是打開。

本研究所開發(fā)的飛機起落架演示儀的艙門結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右2個主艙門分別通過合頁鉸接于機身段兩側(cè)的側(cè)邊縱向梁，主艙門驅(qū)動氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁側(cè)邊和主艙門，主艙門驅(qū)動氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動主艙門的開啟與關(guān)閉。副艙門通過合頁鉸接于其中1個主艙門，副艙門驅(qū)動氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于該副艙門所安裝的主艙門及副艙門，副艙門驅(qū)動氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動副艙門的開啟與關(guān)閉。

1.主艙門 2.主艙門驅(qū)動氣缸 3.機身段側(cè)邊縱向梁 4.機身段中心縱向梁 5.副艙門驅(qū)動氣缸 6.副艙門圖2 艙門結(jié)構(gòu)

2) 起落架收放機構(gòu)

固定翼飛機的起落架收放機構(gòu)主要功能是完成起落架的收起與放下，以及在收起狀態(tài)下實現(xiàn)起落架在收起位置的鎖定(上位鎖)和在放下狀態(tài)下實現(xiàn)起落架在放下位置的鎖定(下位鎖)。

飛機起落架演示儀的起落架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

起落架主體上端通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁下方，起落架收放驅(qū)動氣缸兩端分別鉸接于起落架下方的機輪支架和機身段中心縱向梁下方另一側(cè)，起落架收放氣缸活塞桿的伸出和縮回即可驅(qū)動起落架的放下與收起。

1.起落架本體 2.機身段中心縱向梁 3.起落架下位鎖驅(qū)動氣缸 4.起落架下位鎖 5.起落架上位鎖 6.起落架上位鎖驅(qū)動氣缸 7.起落架收放驅(qū)動氣缸圖3 起落架結(jié)構(gòu)

與民航客機結(jié)構(gòu)一樣，該演示儀起落架上位鎖采用掛鉤式結(jié)構(gòu)，掛鉤鎖下方有掛鉤銷子，起落架機輪支架上有掛鉤，掛鉤鎖中部通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁上方，上位鎖驅(qū)動氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于掛鉤鎖上端和機身段中心縱向梁上方。當起落架處于收起位置時，通過上位鎖驅(qū)動氣缸活塞桿的伸出與縮回，即可驅(qū)動掛鉤鎖逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)掛鉤與掛鉤銷子的掛上與脫開，完成上位鎖的上鎖與解鎖[10]。

起落架下位鎖采用撐桿鎖結(jié)構(gòu)，如圖4所示。撐桿鎖由上撐桿2和下?lián)螚U1通過銷軸鉸接而成，上撐桿與下?lián)螚U之間可以相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開，當完全打開后兩撐桿夾角呈圖示鈍角位置，在兩撐桿鉸接處有機械限位裝置，使得該位置為其轉(zhuǎn)角極限位置。上撐桿中部通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁上方，下?lián)螚U另一端通過銷軸鉸接于起落架機輪支架，下位鎖驅(qū)動氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于上撐桿另一端和機身段中心縱向梁上方。當起落架處于放下位置時，通過下位鎖氣缸活塞桿的伸出與縮回，可實現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開，即實現(xiàn)下位鎖的解鎖與上鎖。

圖4 撐桿鎖結(jié)構(gòu)

2 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

民航客機起落架收起過程動作順序為：主艙門開啟；下位鎖解鎖；起落架收起；上位鎖上鎖；主艙門關(guān)閉；副艙門關(guān)閉。其放下過程動作順序為：主艙門開啟；副艙門開啟；上位鎖解鎖；起落架放下；下位鎖上鎖；主艙門關(guān)閉。在收放過程中，必須嚴格按照上述動作順序完成。與民航客機一樣，飛機起落架演示儀演示起落架收放過程時，也需要執(zhí)行相應(yīng)的動作。飛機起落架演示儀的所有演示動作采用氣缸驅(qū)動，其氣動控制系統(tǒng)包括氣壓傳動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。

2.1 氣壓傳動控制系統(tǒng)

氣壓傳動控制系統(tǒng)用于對驅(qū)動上述動作的氣缸的控制，即控制其活塞桿的伸出與縮回，氣動控制回路圖如圖5所示。

該系統(tǒng)共有6個雙作用氣缸，由5個雙電二位五通電磁換向閥控制其換向。其中，由于左右艙門執(zhí)行的是同時完成的動作，故左右艙門共用1個換向閥。每個氣缸配置節(jié)流閥，均按照排氣節(jié)流配置。在每個氣缸缸筒兩端安裝磁性開關(guān)(S1～S12)，磁性開關(guān)的位置與執(zhí)行機構(gòu)動作狀態(tài)位置對應(yīng)，分別用于檢測所驅(qū)動的機構(gòu)的位置狀態(tài)，該信號代表所控制執(zhí)行機構(gòu)的動作是否完成到位。在起落架收放過程中，通過該信號控制起落架收放過程中的動作順序[10]。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

起落架演示儀的電氣控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對氣動控制回路中電磁閥的控制以及系統(tǒng)的操作、保護、狀態(tài)顯示等功能，其電氣系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)選用S7-200 系列PLC控制，PLC的CPU為224XP；并配置擴展模塊EM223。 PLC輸入信號主要包括：系統(tǒng)操作指令，經(jīng)操作面板按鈕輸入；各個執(zhí)行機構(gòu)位置狀態(tài)信號，經(jīng)安裝于氣缸的磁性開關(guān)輸入；氣源壓力信號，經(jīng)安裝于氣源的壓力變送器輸入。PLC輸出信號主要包括：電磁閥電磁鐵通/斷電：根據(jù)輸入狀態(tài)信號，控制電磁閥相應(yīng)電磁鐵的通/斷電；狀態(tài)信號顯示：將當前狀態(tài)信號輸出至操作面板上的指示燈。 起落架演示儀用于課堂演示飛機起落架的收放過程，在系統(tǒng)程序設(shè)計時，其收放過程有兩種工作模式：自動工作模式與手動工作模式。在自動模式下，按下收起或放下按鈕，起落架系統(tǒng)就會按照程序設(shè)定動作順序，依次完成起落架收起或放下過程中的各個動作[11-12]。當動作全部完成后， 通過指示燈顯示起落架的當前狀態(tài) (即收起完成或放下完成)。自動模式下運行起落架收起或放下之前，起落架必須是處于對應(yīng)的放下完成或收起完成狀態(tài)；否則必須通過手動模式將起落架復(fù)位到對應(yīng)的狀態(tài)。自動模式的演示，與飛機正常工作時的工作流程完全一致。手動模式用于單步演示飛機起落架的收放動作，通過按下相應(yīng)操作按鈕，每次執(zhí)行一步相應(yīng)動作。由于飛機起落架收放過程中所執(zhí)行的每一步動作都是有前提條件的，這個前提條件就是其它各個機構(gòu)處于對應(yīng)的位置狀態(tài)。為了保護起落架機構(gòu)，在手動模式下，如果相關(guān)機構(gòu)的位置狀態(tài)不滿足執(zhí)行該動作的條件，即使按下執(zhí)行該動作按鈕，該動作也不會執(zhí)行。例如：艙門關(guān)閉狀態(tài)下，即使按下起上位鎖開鎖的單步指令，該下位鎖也不會打開。因此，手動模式亦可用于起落架工作流程及原理結(jié)構(gòu)的考核。

圖5 氣動控制回路圖

圖6 PLC控制系統(tǒng)電路圖

3 結(jié)論

本研究所開發(fā)的飛機起落架演示儀已在我校飛機構(gòu)造、航空概論、飛機液壓系統(tǒng)等課程中得到成功應(yīng)用。該設(shè)備的應(yīng)用，不僅能有效解決學(xué)生在學(xué)習(xí)飛機起落架的工作過程、原理、結(jié)構(gòu)、傳動及其控制等知識上的困惑，而且顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的教學(xué)效果。