大型运输机起落架摆振影响因素及故障分析

周旭 胡奎福 郭祥云

摘要：基于飞机滑跑振动的数学模型，讨论了临界状态下影响摆振的重要参数之间的关系，并针对某大型运输机起落架摆振故障开展了故障树研究，通过对设计给定的起落架结构参数影响分析，结合实际故障排除情况，找出起落架使用中可造成摆振稳定度不足的主要影响因素和典型故障，提出起落架防摆振的针对性修理措施。

关键词：起落架；摆振；影响因素；故障树；措施

Keywords：landing gear；shimmy；influencing factors；fault tree；measures

0 引言

近年来，某大型运输机在降落滑跑中多架次出现飞机抖动现象，影响了正常训练任务，初步判断是起落架发生了摆振故障。起落架摆振故障会引起机身的剧烈抖动，严重影响驾驶员的正常操纵，甚至大大降低了起落架结构的使用寿命，是一种非常有害的自激振动，必须加以制止。针对设计给定参数情况下的起落架摆振稳定区，通过分析找出使用维护中影响临界摆振状态稳定区的主要结构参数变化规律和典型故障，对于起落架防摆振有着重要的意义。

1 摆振机理和影响因素

飞机起落架摆振是由支柱、机轮的侧向振动与围绕支柱轴线的机轮扭转振动相互耦合所引起的一种非常复杂的自激振动，维持这种自激振动的能量是由飞机滑跑过程中地面作用在轮胎上的力及力矩提供的[1]。飞机的前轮甚至主轮都有可能发生摆振，而可操纵型前轮对摆振尤为敏感。不稳定的摆振是飞机起落架使用过程中屡见的严重故障。根据飞机设计手册，不论何种激振方式，如果出现摆振3个周期后，摆振幅值降到初始扰动值的1/4或更小，则认为摆振具有足够的稳定度，对应为防摆临界阻尼系数，系统处于摆振绝对临界稳定，否则认为稳定度不足[2]。摆振发生时，飞机偏航角Ψ和侧向偏移Y随时间t的变化趋势如图1所示。

式中，M、C、K、R分别为子结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、外力矩阵，p为广义坐标。可见起落架滑跑摆振的发生是系统的质量、阻尼、刚度、间隙、摩擦及轮胎力学特性等多种影响因素的综合作用。摆振稳定区的边界一般用减摆器临界阻尼系数对其他参数的函数来表示[2]：

hcr=hcr（I，t，a，b，α，β，V）（2）

式中，hcr为临界阻尼系数，I为起落架机轮摆动部分绕定向轴转动惯量，t为稳定距，a为轮胎侧向刚度，b为轮胎扭转刚度，α为轮胎侧向滚动系数，β为轮胎扭转滚动系数，V为飞机滑跑速度。

研究表明，起落架摆振稳定区的影响因素包括减摆阻尼特性、稳定距、轮胎刚度、滑跑速度、起落架支柱垂直载荷、支柱刚度、减摆传动系统间隙和扭转刚度、油液压缩性能等线性和非线性因素。引起摆振的因素中既有设计制造方面的因素，也有使用维护方面的因素。前者可通過起落架结构和减摆装置的合理设计来解决，在实际操作中正确地使用和维护起落架对避免起落架摆振有着至关重要的作用。本文重点针对起落架摆振故障在使用维护方面的影响因素进行分析。

2 起落架结构参数影响分析

2.1 起落架线性摆振分析模型

对于常规布置且有足够刚度的起落架，一般采用线性理论进行摆振分析[6]。在工程中广泛使用的线性摆振分析模型如图2所示。该模型考虑了支柱弹性、减摆器传动系统弾性、轮胎的变形（包括轮胎的侧向变形、扭转变形和侧倾）、结构重量和垂直载荷的影响以及机轮陀螺作用等影响因素。

2.2 起落架结构参数对摆振的影响分析

起落架的防摆设计由起落架结构和防摆阻尼系统两部分组成[6]。设计阶段已确定起落架摆振运动临界边界条件以及动态响应特性，即通过选择合适的起落架结构参数，特别是减摆阻尼以及轮胎参数，使飞机机轮在起飞和着陆滑跑过程中不发生摆振失稳。

从使用维护方面开展摆振影响分析，重点是分析起落架和轮胎特征参数变化时对摆振运动临界边界条件的影响，因此，研究影响摆振稳定性需从飞机起落架支柱结构、轮胎特性、防摆阻尼系统和使用维护等参数变化方面来考虑。起落架结构参数对摆振的主要影响分析如表1所示，飞机使用维护中指标可能改变并对起落架摆振稳定性有较大影响的参数有：支柱扭转和侧倾刚度、支柱垂向载荷、结构间隙、减摆阻尼系数、减摆器传动系统扭转刚度和间隙、轮胎刚度、轮胎充气压力以及外部激励等。

针对某大型运输机起落架的具体使用故障，可结合故障树分析，从相互关联的影响因素中找到主导型的故障原因，从而制定有针对性且适合该机型起落架防摆使用维护的预防措施。

3 故障分析

3.1 故障概况

根据机组反映的故障情况，存在飞机重着陆摆动、大侧风降落摆动、前轮接地摆动、主轮接地摆动、打开发动机反推摆动、大角度连续转弯摆动等不同故障现象。据修理统计，工厂参与排故的多起起落架摆动故障首次发生时机接近飞机第二次维修使用期末期。发生摆振故障的飞机起落架具有寿命老旧、支柱结构交点间隙超差和减摆器传动系统间隙超差占比大等特点，同时易受外部激励影响引发摆振。

3.2 故障树分析

综合外场主要故障现象、飞参判读和故障排查情况，建立故障树，如图3～图6所示。从故障树的结构可见，该型运输机起落架的摆振主要是由起落架结构和减摆系统运动副间隙超差引起的，间隙值越大，摆振幅度越大，且存在超差的运动副间隙越多，摆振越容易发生。

3.3 故障原因分析

1）通过对该机群飞机滑跑摆动实际故障模式及影响分析，可以排除影响飞机方向稳定性因素对飞机滑跑摆动故障的影响，如机场跑道异常、飞机机身变形、飞机各操纵舵面变形、飞机动力装置异常、飞机载重异常、前轮转弯操纵功能异常以及飞行员操纵异常等。

2）该机群飞机的滑跑摆动主要由起落架摆振引发。起落架摆振来自机轮和支柱两个部分的摆振运动。一是机轮的复摆，包括机轮、机轮悬挂机构和防扭臂等绕支柱的转动，其摆角大小是由飞机滑跑方向稳定性要求所决定并通过起落架的构造来保证的；二是支柱本身的晃动，由于起落架支柱本身或机身结构刚度不足，造成飞机起飞或着陆滑跑时起落架支柱发生平移、倾斜和弯曲等；三是起落架减摆防扭传动系统出现弹性变形或间隙；四是轮胎相对机轮的异常变形，即由于轮胎充气压力不足、磨损或机轮载荷过大，致使轮胎触地面对机轮对称面发生异常位移。可见，这些摆振运动与起落架减摆阻尼系数、支柱刚度、支柱垂向载荷、减摆器传动系统扭转刚度、轮胎刚度等结构参数在使用中发生改变密切相关。

3）机械磨损超差导致起落架稳定性结构参数指标恶化。随着飞机机龄老化和日常飞行频次增强，飞机整体结构刚性减弱，起落架主要承力机械零部件材料损耗接近或超出设计容限，内部联结以及与机身结构联结的各交点配合出现磨损、变形、断裂，加之上次维修时可能存在零件尺寸修理余量保留不足，导致前、主起落架结构联结尺寸和总位移超差，部分附件产品性能指标出现偏离等，致使起落架支柱侧偏刚度、扭转刚度和减摆传动系统扭转刚度等结构参数指标弱化，降低了起落架系统摆振稳定性。同时，由于机轮摆振和侧向冲击载荷会使起落架支柱运动环节间隙增大，造成结构之间的碰撞和摩擦，产生额外的接触力，接触力随时间不断变化，加剧起落架结构的破坏，从而使摆振进一步加剧。

4）前轮转弯系统减摆性能弱化。一是在转弯减摆液压操纵系统中，由于减摆器节流活门、液压作动筒等磨损，使活门、活塞与壳体（筒体）配合间隙超差，油路之间发生窜油，导致阻尼性能降低；二是减摆液压系统工作介质中形成空穴，当混有气泡的油液通过减摆器的阻尼孔道时，由于气泡的可压缩性，其阻尼作用会降低，形成减摆器的阻尼空程，由空穴引起的摆振时有发生；三是随着前轮转弯机械传动系统的使用磨损，减摆传动系统间隙超差，致使减摆器的有效阻尼减少，前轮转弯系统减摆阻尼性能降低而引发摆振。

5）外部激励，具有一定的综合性特征。起落架系统摆振性能故障与飞机着陆机场环境、跑道基础设施条件限制等因素也存在一定的影响关系，如侧风着陆、重着陆、机场跑道滑跑急转弯、车辆不当牵引、前轮偏转接地等均会造成起落架结构受损，引发与摆振稳定性相关结构参数的改变，使起落架侧向和垂向载荷发生异常变化从而引起摆振。

3.4 故障排除

工厂通过更换起落架支柱和减摆传动系统的超差承力衬套、修复更换损伤零件以及调整主起落架轮间距等措施，使起落架总位移指标和装置总体安装形位尺寸恢复到合格范围，有效消除了起落架摆振故障。

4 飞机滑跑摆动故障预防措施

1）规范故障分析流程。工厂定期收集机群故障信息，联合用户分析研究故障机理，明确主导型影响因素，形成外场排故阶段性指导意见和机群排故方案。

2）针对飞机滑跑摆动整机和系统影响因素，制定外场排故检查专项方案。明确飞机整机和系统修理过程检查重点，形成机身、机翼、动力装置、起落架承力件与附件修理检查重点，防止飞机结构、蒙皮、大部件、附件、零组件和系统管路产生损伤、变形、裂纹及渗漏而导致的飞机方向稳定性结构参数指标恶化。

3）针对飞机滑跑摆动起落架影响因素，制定内场排故修理专项方案。明确起落架修理过程检查重点，形成前起落架、主起落架和机轮的修理检查重点，防止因机械磨损超差、腐蚀超差、异常受力造成损伤、变形、裂纹和性能变化而导致的起落架摆振稳定性结构参数指标恶化。

4）开展起落架摆振数字化模拟验证工作。组织收集起落架构型设计资料和典型故障模式，进行故障建模分析研究，逐项模拟验证典型影响因素对故障发生的贡献率。

5）加强起落架深修精修工艺研究。针对飞机起落架摆振造成的结构和系统的磨损、损伤等故障，严格控制起落架各配合尺寸、装配后的形位尺寸，零件修理时应考虑保持足够的可耗损余量。通过分解前性能检查、无损检测、修理换新、增材修复新工艺等精修深修手段，加强起落架修理可靠性。

6）开展前轮转弯操纵附件修理及调试技术研究。

7）开展起落架修理维护及定期修理周期技术研究。工厂与用户共同建立针对“飞机起降滑跑摆动故障”的外场维护保障合作机制，开展飞机使用和维护阶段滑行防摆技术研究；将飞机摆动检查方案内容纳入飞机巡检巡修技术方案，针对飞机摆动故障进行预防性检查。

5 结论

通过对故障起落架设计结构参数影响分析研究，识别出飞机起落架使用维护中易发生变化且对摆振稳定性有较大影响的参数，可有效指导对飞机滑跑摆动故障的机理认知；同时经故障树分析和排除效果验证进一步判定，故障根本原因是起落架结构间隙总位移超差和形位尺寸调整不当，造成相关起落架结构参数发生改变而引发其“机械摆振”。工厂和用户在深化故障研究基础上，完善修定飞机起落架修理工艺标准和外场维护预防深度检查措施，共同建立针对飞机起降滑跑摆动故障外场维护保障合作机制，对保证该型航空装备机群完好率和任务出勤率意义重大。

参考文献

[1]诸德培.摆振理论及防摆措施[M].北京：国防工业出版社，1984.

[2]航空航天工业部科学技术委员会.飞机起落架强度设计指南[M].成都：四川科学技术出版社，1989.

[3]周进雄，诸德培.“结构型”摆振及其影响因素[J].强度与环境，1998（2）.

[4]周进雄，诸德培.飞机機轮参数摆振稳定性及其若干影响因素[J].振动与冲击，1998（4）.

[5]国防科学技术工业委员会. GJB 3063A-2008 飞机起落架系统通用规范[S]. 2008.

[6]国防科学技术工业委员会. GJB 5097-2002 飞机前起落架防摆设计要求[S]. 2002.

[7]常泳涛.含间隙起落架摆振动力学特性研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2020.

[8]骆存琪.机轮摆振及轮胎动力学分析研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2007.