摘 要：飛機(jī)貨艙門鎖閂機(jī)構(gòu)在艙門打開階段協(xié)助提升電機(jī)進(jìn)行艙門預(yù)位，磨損產(chǎn)生的鉸鏈間隙會引起輸出角度誤差，降低鎖閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠度。為了分析鉸鏈磨損對于鎖閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠度的影響，根據(jù)鎖閂機(jī)構(gòu)工作原理建立可靠度計(jì)算模型；建立貨艙門剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型計(jì)算鉸鏈接觸力；采用Archard磨損模型計(jì)算鉸鏈磨損量，基于等效桿長理論將鉸鏈磨損量轉(zhuǎn)換成桿長變化量，建立參數(shù)化模型進(jìn)行可靠度分析；利用孔銷接觸模型進(jìn)行可靠度結(jié)果驗(yàn)證。結(jié)果表明：該可靠度分析方法能夠保證計(jì)算精度，提高分析效率。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)：鎖閂機(jī)構(gòu)；運(yùn)動可靠度；剛?cè)狁詈希汇q鏈間隙；磨損

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-5276（2024）04-0037-05

Motion Reliability Analysis of Aircraft Cargo Door Latch Mechanism

SUN Yi¹， LIU Hongbo²， LIU Lei¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China;

2. AVIC Chengdu Aircraft Industrial Co.，Ltd.， Chengdu 610031，China）

Abstract：The latch mechanism of aircraft cargo assists lifting motor to put the cabin door into precise position during the opening stage， and the hinge clearance caused by wear will lead to the error of output angle， resulting in reduction of motion reliability of the latch mechanism. In order to analyze the influence of hinge wear on the motion reliability of latch mechanism， a reliability calculation model is established accordingto the operating principle of the latch mechanism. A rigid-flexible coupling dynamic model of the cargo door is established to calculate the contact forces of the hinges. The wear depth of each hinge is calculated utilizing the Archard model. Based on the equivalent rod length theory， the wear depth is converted into the variation of rod length， and the parametric model is built for simulation and reliability calculation. The hole-pin contact model is built to verify the results of motion reliability.The results show the motion reliability analysis method can ensure calculation accuracy and improve analysis efficiency.

Keywords：aircraft; latch mechanism; motion reliability; rigid-flexible coupling; hinge clearance; wear

0 引言

近年來，機(jī)械強(qiáng)度可靠性的研究在不斷地深入，強(qiáng)度可靠度問題也得到了極大地解決，相比之下，對于機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度可靠性的研究略顯不足。在航空航天領(lǐng)域，因運(yùn)動精度不足易發(fā)生故障的典型機(jī)構(gòu)有：飛機(jī)起落架、衛(wèi)星折疊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)彈折疊彈翼機(jī)構(gòu)以及飛機(jī)貨艙門傳動機(jī)構(gòu)等。飛機(jī)貨艙門傳動機(jī)構(gòu)誤差主要源于加工制造誤差、鉸鏈磨損以及結(jié)構(gòu)變形。特別是鉸鏈磨損隨著服役時間的增加、磨損體積的增長會嚴(yán)重影響連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度，最終引發(fā)嚴(yán)重的功能失效。

目前，鮮有關(guān)于貨艙門鎖閂機(jī)構(gòu)可靠性分析的報(bào)導(dǎo)，國內(nèi)外許多學(xué)者對連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度進(jìn)行了研究，分析方法可供鎖閂機(jī)構(gòu)可靠性分析參考。薛自然等^[1]對折臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動可靠性分析，并采用蒙特卡洛仿真分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。王晶等^[2]同樣采取蒙特卡洛方法對脫離鎖進(jìn)行可靠性分析。鄧培生等^[3]考慮構(gòu)件柔性間隙能夠真實(shí)地反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)，研究其動力學(xué)特性。龐歡等^[4]以艙門末端鎖環(huán)機(jī)構(gòu)為例，通過綜合考慮鉸鏈磨損、變形和制造誤差，利用無質(zhì)量連桿將鉸鏈間隙替代進(jìn)行可靠性分析，得出鉸鏈磨損對于機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度影響較大的結(jié)論。井惠林等^[5]基于Archard磨損模型與“有效長度理論”研究了磨損對艙門機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度的影響，分別采用蒙特卡洛法和重要抽樣法計(jì)算不同磨損程度的艙門可靠度。FLORES等^[6]研究了間隙數(shù)量對連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性的影響。證明了隨著鉸鏈間隙接觸對的增加，接觸力會被放大。CHEN等^[7]研究了不同的原動件驅(qū)動速度、不同間隙值、不同摩擦因數(shù)對鉸鏈動力學(xué)特性的影響。黃瑋等^[8]針對“等效長度理論”中的鉸鏈?zhǔn)竭\(yùn)動副非連續(xù)接觸模型，補(bǔ)充了一種連續(xù)接觸模型用于分析高速機(jī)構(gòu)。尹明德等^[9]基于貨艙門鎖的原理，導(dǎo)出了門鎖的磨損失效判據(jù)，計(jì)算出磨損可靠度函數(shù)并給出磨損可靠度增長的建議。劉霞等^[10]研究了驅(qū)動角度以及桿長尺寸誤差對飛機(jī)艙門門鎖運(yùn)動精度的影響。

本文以貨艙門鎖閂機(jī)構(gòu)為研究對象，確定鎖閂機(jī)構(gòu)失效模式和失效判據(jù)，進(jìn)而建立含柔性體鉸鏈接觸模型，并基于Archard磨損模型計(jì)算出磨損量，基于“等效桿長理論”建立理想鉸鏈模型，通過仿真計(jì)算鎖閂機(jī)構(gòu)可靠度，并與孔銷接觸模型的可靠度結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證基于“等效桿長理論”可靠度計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

1 鎖閂機(jī)構(gòu)可靠度模型建立

貨艙門的鎖閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖1所示。將各桿件分別命名為L1、L2、L3、L4、L5、L6，該平面6桿機(jī)構(gòu)以L1為原動件，通過鉸鏈A與驅(qū)動電機(jī)相連，L3和L4固連并通過鉸鏈D與艙門相連。C型閂與L6固連并通過鉸鏈G與艙門相連。

設(shè)計(jì)時，需要保證鎖閂機(jī)構(gòu)“過中心”，即當(dāng)從動件受到意外載荷而帶動機(jī)構(gòu)朝反方向運(yùn)動時，機(jī)構(gòu)會運(yùn)動到其死點(diǎn)位置，此時意外載荷對主動件的力矩為0，機(jī)構(gòu)不再朝反方向繼續(xù)運(yùn)動。

如圖2所示，設(shè)計(jì)要求原動件旋轉(zhuǎn)120°，運(yùn)行結(jié)束時C型閂輸出角度為102.121°，運(yùn)行過程最大角度為104.558°，回程角度為2.437°。為了保證實(shí)際情況鎖閂機(jī)構(gòu)過中心，設(shè)定C型閂輸出角度下極限誤差為-0.2°，即當(dāng)輸出角度小于101.921°時，判定鎖閂機(jī)構(gòu)失效。

艙門打開前需要將鎖閂旋轉(zhuǎn)一定的角度，保證艙門打開過程中C型閂不與固定在機(jī)身上的銷軸干涉。如圖3所示，艙門打開前，C型閂旋轉(zhuǎn)角度不能太大，否則就會發(fā)生固定銷軸與C型閂干涉的情況，導(dǎo)致艙門無法打開。因此設(shè)定上極限角度誤差為0.3°。

可靠度計(jì)算方法參照應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型^[11]，機(jī)構(gòu)輸出角度誤差為

ξ=θ_e－θ_d（1）

式中：θ_d表示機(jī)構(gòu)允許的極限角度；θ_e表示機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出角度?？煽慷葹棣未笥?時的概率，即R=P（ξgt;0）。

式中：R為可靠度；Φ表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；β被稱為聯(lián)結(jié)系數(shù)，也被稱為可靠度系數(shù)；θ_e^—為實(shí)際角度均值；σ_θe為實(shí)際角度標(biāo)準(zhǔn)差；θ_d^—為極限角度均值；σ_θd為極限角度標(biāo)準(zhǔn)差。

2 鎖閂機(jī)構(gòu)磨損分析

2.1 艙門剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

如圖4所示，艙門動力學(xué)模型由兩部分組成，第一部分由艙門框架、蒙皮和其他傳動機(jī)構(gòu)組成；第二部分是鎖閂機(jī)構(gòu)。鎖閂機(jī)構(gòu)是一組6桿機(jī)構(gòu)，其中的連桿為柔性體，其余構(gòu)件為剛體。

在Ansys中生成模態(tài)中性文件，圖5是連桿的模態(tài)中性文件，兩端陰影部分是連桿的剛性域，包括主節(jié)點(diǎn)和孔表面，在運(yùn)動時不變形。導(dǎo)入Adams中進(jìn)行仿真，得出鉸鏈接觸力。

另外，對于艙門動力學(xué)模型作出以下說明：

1）艙門動力學(xué)模型中艙門蒙皮、框架和鎖閂機(jī)構(gòu)中的連架桿設(shè)定為剛體，只考慮其質(zhì)量屬性不考慮其在運(yùn)動過程中的變形；

2）除了鎖閂機(jī)構(gòu)之外，其他的傳動機(jī)構(gòu)在研究的時段（鎖閂機(jī)構(gòu)運(yùn)行期間）不運(yùn)動，所以將其與艙門框架固連為一個整體;

3）原動件（驅(qū)動電機(jī)）的驅(qū)動形式為勻速轉(zhuǎn)動，運(yùn)行角度為120°，運(yùn)行時長為1.5s；

4）對于所有理想鉸鏈約束和接觸約束，均忽略其摩擦力的影響。

經(jīng)過仿真計(jì)算，測出4個鉸鏈接觸力如圖6所示。

由于固定銷和C型閂初始接觸間隙不能設(shè)置為0，鉸鏈接觸力數(shù)值在0～0.1s時間內(nèi)存在波動。在時間0.1～1.5s內(nèi)，接觸力均大于0，鉸鏈孔和銷處于連續(xù)接觸狀態(tài)。如果在Adams仿真過程中，將模型全部設(shè)定為剛體時，會發(fā)現(xiàn)隨著接觸對數(shù)的增加，模型之間將容易出現(xiàn)較大穿透深度，銷軸會直接彈出銷孔，這與接觸力的放大倍數(shù)有關(guān)。隨著接觸副的數(shù)目增加，首先接觸部位獲得的接觸力在另外一個鉸鏈處放大后成為主動力，獲得較大的二次接觸力后再次在其他部位得到放大，如此反復(fù)，最后導(dǎo)致接觸體間出現(xiàn)較大穿透，計(jì)算結(jié)果不收斂。以上仿真結(jié)果說明將模型中剛體更換成柔性體，能很好地吸收因?yàn)榻佑|而產(chǎn)生的沖擊，從而保證模型之間的連續(xù)接觸。

2.2 計(jì)算磨損量

在磨損量的眾多計(jì)算模型中，Archard磨損理論應(yīng)用最為廣泛，該磨損理論認(rèn)為兩個接觸表面間，磨損表面材料的磨損體積與兩接觸表面間的法向力、相對滑動距離成正比，與接觸表面磨損材料的硬度成反比，其一般形式的表達(dá)式為

式中：V為磨損體積；

S為運(yùn)動副間相對滑動距離；

K為磨損系數(shù)；

F為運(yùn)動副間法向力；

H為較軟材料布氏硬度。

將兩邊同時除以兩構(gòu)件的接觸面積A后，可以有：

式中：k=K/H；h表示磨損深度；p表示接觸應(yīng)力。鉸鏈中的接觸應(yīng)力以及孔銷的相對運(yùn)動速度在運(yùn)行過程中都是時刻變化的。磨損量的微元形式為

式中v為孔銷相對運(yùn)動速度。

設(shè)定一個周期T內(nèi)的磨損量為Δh，則有：

鉸鏈的銷和孔材料都采用30CrMnSiA，彈性模量和泊松比查閱資料獲得，其中磨損系數(shù)通過磨損實(shí)驗(yàn)得出，如表1所示。計(jì)算可得各鉸鏈單次運(yùn)行磨損量，如表2所示。

3 可靠度計(jì)算

3.1 基于等效桿長參數(shù)化模型

考慮連桿機(jī)構(gòu)鉸鏈磨損產(chǎn)生的間隙時，機(jī)構(gòu)的自由度增加，使得整個運(yùn)動更加復(fù)雜，難以進(jìn)行定量分析。LEE等^[12]提出了有效桿長理論，認(rèn)為可以將運(yùn)動副的間隙轉(zhuǎn)換成桿件的附加長度，從而使得含間隙鉸鏈轉(zhuǎn)化成無間隙的理想鉸鏈。

圖7為機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動副放大圖，由于轉(zhuǎn)動副間隙的存在，銷和孔的中心不能完全重合。將銷和孔的中心距e轉(zhuǎn)化為連桿上的附加長度，間隙轉(zhuǎn)化的附加長度和連桿的實(shí)際長度矢量和稱為連桿的有效長度。以軸套中心O_j為原點(diǎn)，OO_j為x軸，建立局部坐標(biāo)系，x′和y′表示孔銷中心距e在坐標(biāo)系上的投影。設(shè)實(shí)際長度為l，則有效長度L可以表示為

假設(shè)機(jī)構(gòu)中的桿長服從正態(tài)分布，根據(jù)3σ原則，可得尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差^[13]為

式中：L_max=l+e；L_min=l－e。

參數(shù)化建?；贏dams完成，將連桿長度作為設(shè)計(jì)變量，建立鎖閂機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，如圖8所示。

由于含間隙的鎖閂機(jī)構(gòu)自由度大于1，對于機(jī)構(gòu)鉸鏈數(shù)目較多的情況，建立孔銷接觸模型增大計(jì)算機(jī)計(jì)算量，降低仿真速度，鎖閂機(jī)構(gòu)孔銷接觸模型單次仿真時長在35s左右，而基于“等效桿長理論”建立理想鉸鏈模型單次試驗(yàn)的時間減少到0.3s左右。

艙門運(yùn)行一次，包含關(guān)門和開門兩個過程。假設(shè)艙門磨損量線性增加，即每個鉸鏈的總磨損量等于運(yùn)行次數(shù)和單次運(yùn)行磨損量的乘積。分別計(jì)算艙門運(yùn)行次數(shù)為4 000、8 000、12 000、16 000、20 000次的磨損量，根據(jù)式（9）計(jì)算對應(yīng)的等效桿長的分布參數(shù)。

桿長通過二次開發(fā)的程序自動修改，設(shè)置試驗(yàn)次數(shù)為10 000次。仿真試驗(yàn)結(jié)束后運(yùn)用MATLAB中l(wèi)illietest函數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，5次仿真試驗(yàn)結(jié)果均服從正態(tài)分布，通過可靠度計(jì)算模型計(jì)算可靠度結(jié)果如表3所示。

3.2 基于孔銷接觸參數(shù)化模型

如圖9所示，孔銷接觸模型是通過孔和銷的實(shí)體間接觸力來保持位置關(guān)系，與物理模型更為接近，常用于含鉸鏈機(jī)構(gòu)可靠度分析計(jì)算。C型閂機(jī)構(gòu)鉸鏈孔銷接觸模型與基于“等效桿長理論”建立的參數(shù)化模型不同在于孔銷接觸參數(shù)化模型將孔和銷的半徑參數(shù)化，基于正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)修改孔和銷的半徑來模擬孔和銷的磨損，基于蒙特卡洛方法進(jìn)行仿真并得出可靠度，其結(jié)果如表3所示。

將基于等效桿長理論得出的可靠度結(jié)果和基于孔銷接觸模型得出的可靠度進(jìn)行對比，如圖10所示。隨著使用時間的增加，鎖閂機(jī)構(gòu)可靠度的下降速度越來越大。另外，兩種模型得出可靠度基本一致，可靠度差值最大為1.038×10^－3，這證明基于等效桿長模型可靠度結(jié)果的準(zhǔn)確性。出現(xiàn)差值的原因是孔銷接觸模型中存在多對接觸，仿真時會有少數(shù)的樣本求解失敗。這些結(jié)果會在計(jì)算前通過程序進(jìn)行刪除，樣本的刪除對可靠度結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。

4 結(jié)語

1）基于貨艙門鎖閂機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行失效模式分析并設(shè)定上極限誤差0.3°和下極限誤差-0.2°，并參考應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型建立鎖閂機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠度計(jì)算模型。

2）建立了貨艙門鎖閂機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，仿真計(jì)算得出鉸鏈接觸力，并進(jìn)行磨損量計(jì)算。結(jié)果表明孔和銷在工作過程中處于連續(xù)接觸狀態(tài)，柔性體的引入能較好地模擬實(shí)際的鉸鏈磨損情況。

3）基于“等效桿長”理論和孔銷接觸模型進(jìn)行可靠度計(jì)算，結(jié)果表明“等效桿長”理論引入可靠度計(jì)算能夠保證計(jì)算精度，同時明顯縮短了仿真計(jì)算時間。

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收稿日期：20230113