低温落震缓冲性能的影响探究

辛 艳，延 杰

(中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089)

飞机起落架缓冲系统用来吸收着陆与滑跑以及与地面撞击时所产生的垂直撞击能量，起落架缓冲系统性能的优劣直接影响飞机的起降性能[1-2]。缓冲器的设计需要考虑飞机运营时可能遇到的各种环境条件，其中温度对缓冲行程的影响较为明显，从而也影响到缓冲系统的吸能效率。缓冲器设计时一般要考虑高温和低温两个极限温度。

本文应用LMS 软件的Virtual Lab.Motion模块进行起落架缓冲性能仿真，通过对低温情况的落震仿真分析，探索了低温落震时不同于常温下的影响因素和参数，得出飞机在低温运营时起落架的设计影响因素和参数。

1 动力学仿真分析模型建立

对某型飞机的主起落架缓冲系统进行建模，该型飞机主起落架为单气腔式缓冲器，气腔充填参数如下：初始充气压力P0=3.5×106Pa；气腔有效压气面积Aa=0.014 118 m2；气腔初始容积V0=0.004 671 m3；气腔压缩多变指数为1.0。

主起落架为单油腔式缓冲器，主油孔为变油孔，油针为变截面油针。正、反行程时主油孔有效过流面积为主油孔面积减去油针面积，随缓冲器行程的变化而变化。侧油孔共24个，均为常油孔。

正行程时，侧油孔中的22个孔参与过流，同时在22个孔下端，套筒的外径与挡圈的内径形成的缝隙也起到阻尼作用；反行程时，侧油孔的24个油孔均参与过流，同时挡圈上的端口间隙也起到阻尼

作用。

基于LMS软件Virtual Lab.Motion模块，建立主起落架缓冲落震仿真模型，如图1所示。仿真模型主要由缓冲器、机轮和轮胎以及撑杆组件等组成。

图1 主起落架缓冲落震仿真模型

给缓冲模型分别定义结构限制力、气体弹簧力、油液阻尼力以及内部摩擦力[3-6]，并将轮胎参数按静压曲线定义。

1)结构限制力F1。

结构限制力F1根据缓冲器行程施加，只有当压缩量超过结构使用行程时，由于结构限位才产生F1。

(1)

式中：Kstrut为缓冲器轴向拉压刚度，N/m；S为缓冲器行程，m；S0为缓冲器初始行程，m；Smax为缓冲器最大行程，m。

2)气体弹簧力Fa。

缓冲器气体弹簧力Fa可根据气体多变过程推导得到：

(2)

式中：P0为气腔初始压力，Pa；V0为气腔初始容积，m3；γ为气腔压缩多变指数。

3)油液阻尼力Fh。

油液阻尼力Fh计算公式可由伯努利方程和质量连续方程推导得到：

(3)

4)内部摩擦力Ff。

摩擦力为上、下密封轴套对缓冲器外筒和活塞杆的轴向摩擦作用。

(4)

式中：Km为缓冲器摩擦系数，取0.05。

2 仿真分析

2.1 低温落震仿真因素分析

通常进行的仿真，一般是取常温下的参数值。计算油液阻尼力时的油孔流量系数，根据经验常温均取为0.8[5-7]。低温时油液黏度增大[8]，将影响油液的油孔流量系数，油孔流量系数随温度降低而增大，通过式(3)看出，油液阻尼力也将随之增大。

由于油孔流量系数不能直接得到，本文参考国内某型飞机的常温和低温落震仿真采用的油孔流量系数，取两种状况下黏度系数的比值作为计算低温黏度系数的依据。该型飞机低温(-40 ℃)和常温(+15 ℃)黏度系数的比值为1.12。为对比数据，本文低温温度也取-40 ℃。对应的油孔流量系数取值为常温(+15 ℃)下的1.12倍。缓冲器气腔压力按低温下的数据进行计算。

分析认为，低温情况下，为使缓冲器的初始压缩量与常温状态接近，需要在初始状态时使缓冲器内油液和气体所占的容积总和与常温时相同，由于缓冲器内充油量没有变化，因此需要使气腔容积与常温时相同。由伯努利气体方程得到低温下气腔的初始压力，再代入气腔气体弹簧力的计算公式进行计算。

由于摩擦力在缓冲器轴力中占比很小，而结构限制力又不受温度影响，因此低温情况下只考虑缓冲器气腔弹簧力和油液阻尼力两个因素的影响。

2.2 低温落震仿真

按式(5)首先确定投放质量W。

(5)

由于仿真分析采用无仿升自由落震的方式，而适航规章中规定升载系数为1.0，因此投放质量的确定与轮胎压缩量和轮轴的总位移相关[9-10]。但该值在仿真前不能精确给出，第一次以meq作为投放质量，根据阻尼参数等仿真得出yc，再根据式(5)得出新的投放质量W，通过新的投放质量W计算得到新的yc；如此迭代数次，直到前后两次的投放质量的误差小于1%。仿真中的初始参数确定后见表1。仿真得到的载荷及行程随时间的变化曲线如图2和图3所示，功量图如图4所示。

表1 主起落架落震仿真初始参数

图2 主起轮胎的地面垂直载荷-时间历程图(-40 ℃)

图3 主起缓冲器行程-时间历程图(-40 ℃)

图4 主起缓冲系统使用功量图(-40 ℃)

3 仿真结果分析

通过以上仿真得到的低温落震数据列于表2，并将之前已经过试验验证的的常温设计仿真数据同时列于表2。

根据仿真图形和表2中的数据可知，当环境温度降低时，同一压缩状态下，气腔压力降低，导致气体弹簧力降低；低温下油液黏度增大，油液阻尼力增大；但缓冲器轴力合力相对于常温时更小，过载也随之减小，缓冲器相对较“软”，因此较容易压缩。同一载荷时，低温时的缓冲器行程相对于常温要稍大些。缓冲器在着陆撞击的首次正行程之后，随着油液的流动，缓冲器内的温度逐渐上升，缓冲器内的缓冲吸能情况将与常温时趋于一致，但在首次正行程时，由于油液能更好地转换撞击能量，因而效率也稍高。

表2 水平着陆缓冲性能分析结果对比表

由于该型号暂未进行低温落震的试验验证，且国内也暂未有低温落震的试验数据，暂不能将仿真数据和试验数据进行对比。但在同类型实际飞机运营中，当环境温度降低至零下时，同一载荷条件下，缓冲器压缩量明显加大，这与低温仿真分析的性能趋势是一致的。由此，缓冲器在低温时需要重点关注的和影响较大的是气腔充气压力和油液阻尼系数。因此，在设计缓冲器时，除了考虑常温下的过载、缓冲器设计行程、缓冲吸能效率等外，还需要考虑飞机运营时的极限温度，同时需要全面将飞机的各种功能需求及运营需求等作为缓冲器设计的条件因素。

4 结束语

本文对低温环境下的缓冲器性能影响参数进行了探索，结合缓冲器充填参数容差试验的思路，分析了低温情况下缓冲器气腔弹簧力和油液阻尼力两个因素对缓冲性能的影响，并对这两个影响因素在低温情况下进行仿真计算分析，得出的结果和实际飞机运营情况吻合，验证了理论计算和仿真分析的准确性，可以为同类油气式缓冲器的低温落震分析提供参考。但本文的理论分析结果缺少低温落震试验数据支撑，下一步需策划低温落震试验，用试验数据对理论分析结果的准确性进行验证。