基于气动技术的飞机起落架演示仪开发

(天津中德应用技术大学， 天津 300350)

引言

固定翼飞机起落架系统是飞机上最为复杂的系统之一，其工作性能直接影响到飞机起飞、着陆的稳定性和安全性，其收起和放下过程必须按照严格的顺序，执行一系列的复杂动作[1-3]。

飞机起落架系统是航空类专业航空概论、飞机构造等课程的重要学习内容之一。在进行飞机起落架相关内容的教学中，通过现有的课本、图片、视频等教学手段，很难让学生对固定翼飞机起落架的构成及其工作过程有较好的理解。虽然结合飞机起落架实物进行教学效果会好一些，但是由于飞机系统庞大，飞机上各种元器件、管路、电路复杂，飞机起落架的某些关键结构隐藏于狭小空间，依然很难看透、理清起落架系统的各部件及其关系；而且，真实起落架体积庞大，价格昂贵，占地面积大，需要专用车间才能存放，且数量有限，无法满足班级授课要求。演示其工作过程需要将飞机吊起，给班级授课带来较大麻烦。基于此，本研究论述了基于气动技术的飞机起落架演示仪开发[4-5]。

1 起落架结构设计

1.1 总体结构

飞机起落架演示仪主要包括演示仪机架、舱门及起落架收放演示机构和电气控制柜3部分。总体结构如图1所示：其中1为机架，2为舱门及起落架收放演示机构，3为电气控制柜。

图1 起落架演示仪总体结构

机架用铝型材拼接，这种结构无需任何表面喷涂，具有拼接组装简便、结构强度高、重量轻等优点。为了便于设备移动，机架下方装有4个万向脚轮，上方横梁上装有2个铝合金把手(见图中6和4所示)。机架分上下两层结构：电气控制柜位于机架下层，舱门及起落架演示机构位于机架上层。此外在机架上层横梁一侧还装有操作及状态显示面板(见图中5所示)。

1.2 演示仪主要参数

演示仪机架的结构充分考虑操作便利性，结合人机工程理论，将其设计为一种便携式教学演示仪，其主要参数如表1所示[6-7]。

表1 演示仪主要结构参数

1.3 起落架收放机构设计

固定翼起落架结构复杂，其收起及放下过程必须按照严格的顺序执行一系列复杂动作。固定翼飞机起落架收放方式主要有沿纵向收放和沿横向收放2种。固定翼飞机前起落架，安装于机身段前部，通常采用沿纵向(前后方向)收放方式；主起落架安装于机翼下方，通常采用沿横向(左右方向)收放方式。本研究所述的飞机起落架演示仪参考民航客机前起落架结构[8-9]。

飞机前起落架的收放机构，主要包括舱门开启关闭机构和起落架收起放下机构及其安全保护机构。

1) 舱门机构

固定翼前起落架舱门由主舱门和副舱门组成:主舱门在起落架收起及放下过程中打开，起落架收起或放下完成后主舱门关闭；副舱门在起落架收起完成后关闭，其余状态下均是打开。

本研究所开发的飞机起落架演示仪的舱门结构如图2所示。左右2个主舱门分别通过合页铰接于机身段两侧的侧边纵向梁，主舱门驱动气缸两端分别通过销轴铰接于机身段中心纵向梁侧边和主舱门，主舱门驱动气缸活塞杆的伸出与缩回即可驱动主舱门的开启与关闭。副舱门通过合页铰接于其中1个主舱门，副舱门驱动气缸的两端分别通过销轴铰接于该副舱门所安装的主舱门及副舱门，副舱门驱动气缸活塞杆的伸出与缩回即可驱动副舱门的开启与关闭。

1.主舱门 2.主舱门驱动气缸 3.机身段侧边纵向梁 4.机身段中心纵向梁 5.副舱门驱动气缸 6.副舱门图2 舱门结构

2) 起落架收放机构

固定翼飞机的起落架收放机构主要功能是完成起落架的收起与放下，以及在收起状态下实现起落架在收起位置的锁定(上位锁)和在放下状态下实现起落架在放下位置的锁定(下位锁)。

飞机起落架演示仪的起落架结构如图3所示。

起落架主体上端通过销轴铰接于机身段中心纵向梁下方，起落架收放驱动气缸两端分别铰接于起落架下方的机轮支架和机身段中心纵向梁下方另一侧，起落架收放气缸活塞杆的伸出和缩回即可驱动起落架的放下与收起。

1.起落架本体 2.机身段中心纵向梁 3.起落架下位锁驱动气缸 4.起落架下位锁 5.起落架上位锁 6.起落架上位锁驱动气缸 7.起落架收放驱动气缸图3 起落架结构

与民航客机结构一样，该演示仪起落架上位锁采用挂钩式结构，挂钩锁下方有挂钩销子，起落架机轮支架上有挂钩，挂钩锁中部通过销轴铰接于机身段中心纵向梁上方，上位锁驱动气缸两端分别通过销轴铰接于挂钩锁上端和机身段中心纵向梁上方。当起落架处于收起位置时，通过上位锁驱动气缸活塞杆的伸出与缩回，即可驱动挂钩锁逆时针和顺时针旋转，即可实现挂钩与挂钩销子的挂上与脱开，完成上位锁的上锁与解锁[10]。

起落架下位锁采用撑杆锁结构，如图4所示。撑杆锁由上撑杆2和下撑杆1通过销轴铰接而成，上撑杆与下撑杆之间可以相对转动实现两撑杆的折叠与打开，当完全打开后两撑杆夹角呈图示钝角位置，在两撑杆铰接处有机械限位装置，使得该位置为其转角极限位置。上撑杆中部通过销轴铰接于机身段中心纵向梁上方，下撑杆另一端通过销轴铰接于起落架机轮支架，下位锁驱动气缸的两端分别通过销轴铰接于上撑杆另一端和机身段中心纵向梁上方。当起落架处于放下位置时，通过下位锁气缸活塞杆的伸出与缩回，可实现两撑杆的折叠与打开，即实现下位锁的解锁与上锁。

图4 撑杆锁结构

2 气动控制系统设计

民航客机起落架收起过程动作顺序为：主舱门开启；下位锁解锁；起落架收起；上位锁上锁；主舱门关闭；副舱门关闭。其放下过程动作顺序为：主舱门开启；副舱门开启；上位锁解锁；起落架放下；下位锁上锁；主舱门关闭。在收放过程中，必须严格按照上述动作顺序完成。与民航客机一样，飞机起落架演示仪演示起落架收放过程时，也需要执行相应的动作。飞机起落架演示仪的所有演示动作采用气缸驱动，其气动控制系统包括气压传动控制系统和电气控制系统两部分。

2.1 气压传动控制系统

气压传动控制系统用于对驱动上述动作的气缸的控制，即控制其活塞杆的伸出与缩回，气动控制回路图如图5所示。

该系统共有6个双作用气缸，由5个双电二位五通电磁换向阀控制其换向。其中，由于左右舱门执行的是同时完成的动作，故左右舱门共用1个换向阀。每个气缸配置节流阀，均按照排气节流配置。在每个气缸缸筒两端安装磁性开关(S1～S12)，磁性开关的位置与执行机构动作状态位置对应，分别用于检测所驱动的机构的位置状态，该信号代表所控制执行机构的动作是否完成到位。在起落架收放过程中，通过该信号控制起落架收放过程中的动作顺序[10]。

2.2 电气控制系统设计

起落架演示仪的电气控制系统主要实现对气动控制回路中电磁阀的控制以及系统的操作、保护、状态显示等功能，其电气系统如图6所示。该系统选用S7-200 系列PLC控制，PLC的CPU为224XP；并配置扩展模块EM223。 PLC输入信号主要包括：系统操作指令，经操作面板按钮输入；各个执行机构位置状态信号，经安装于气缸的磁性开关输入；气源压力信号，经安装于气源的压力变送器输入。PLC输出信号主要包括：电磁阀电磁铁通/断电：根据输入状态信号，控制电磁阀相应电磁铁的通/断电；状态信号显示：将当前状态信号输出至操作面板上的指示灯。 起落架演示仪用于课堂演示飞机起落架的收放过程，在系统程序设计时，其收放过程有两种工作模式：自动工作模式与手动工作模式。在自动模式下，按下收起或放下按钮，起落架系统就会按照程序设定动作顺序，依次完成起落架收起或放下过程中的各个动作[11-12]。当动作全部完成后， 通过指示灯显示起落架的当前状态 (即收起完成或放下完成)。自动模式下运行起落架收起或放下之前，起落架必须是处于对应的放下完成或收起完成状态；否则必须通过手动模式将起落架复位到对应的状态。自动模式的演示，与飞机正常工作时的工作流程完全一致。手动模式用于单步演示飞机起落架的收放动作，通过按下相应操作按钮，每次执行一步相应动作。由于飞机起落架收放过程中所执行的每一步动作都是有前提条件的，这个前提条件就是其它各个机构处于对应的位置状态。为了保护起落架机构，在手动模式下，如果相关机构的位置状态不满足执行该动作的条件，即使按下执行该动作按钮，该动作也不会执行。例如：舱门关闭状态下，即使按下起上位锁开锁的单步指令，该下位锁也不会打开。因此，手动模式亦可用于起落架工作流程及原理结构的考核。

图5 气动控制回路图

图6 PLC控制系统电路图

3 结论

本研究所开发的飞机起落架演示仪已在我校飞机构造、航空概论、飞机液压系统等课程中得到成功应用。该设备的应用，不仅能有效解决学生在学习飞机起落架的工作过程、原理、结构、传动及其控制等知识上的困惑，而且显著提高学生学习积极性，取得了良好的教学效果。