一種典型起落架上位鎖裝置的性能分析

沈　強

（上海飛機設計研究院，上海201210）

一種典型起落架上位鎖裝置的性能分析

沈強

（上海飛機設計研究院，上海201210）

以一種典型的起落架上位鎖裝置為研究對象，介紹了其主要結構組成和工作原理。以閉鎖的具體性能要求為指導，建立了鎖鉤彈簧和液壓作動筒彈簧的性能需求分析數學模型。在ADAMS/View仿真環境下建立了上位鎖虛擬樣機模型，以總結出的8種開鎖性能要求工況為輸入條件，逐一進行了液壓作動筒性能校核。結果表明，當前的液壓作動筒參數設定能夠滿足需求。同時，也通過仿真識別出設計裕度最小的不利工況，作為上位鎖液壓作動筒設計的基準工況。

起落架上位鎖；性能分析；鎖彈簧；液壓作動筒；虛擬樣機

飛機起落架收放過程可劃分為開鎖、啟動到定位和上鎖這幾個階段，上位鎖裝置是起落架收放系統的重要組成部分，其基本功能要求是：在規定的工程環境下，當起落架收起運行到極限位置時將其緩沖支柱鎖住，并保持固定在規定的收上位置；放下時要完成預先開鎖的功能［1］。

上位鎖的使用特點對其設計提出了較高的要求，在起落架艙這樣一個振動環境下，要保持緩沖支柱的可靠鎖定，上位鎖機構應盡可能簡單，內部零組件的設置和相互之間的裝配方式應使得載荷的傳遞路徑簡短而直接。上位鎖一般都帶有兩套相互獨立的開鎖裝置，以確保正常開鎖系統發生故障時仍能正常開鎖釋放起落架［2］。

本文以某型號飛機裝備的一種主起落架上位鎖為對象，從其具有典型性的結構組成和工作原理出發，以性能要求和在此基礎上篩選出來的工況為設計輸入，探討了鎖彈簧、鎖鉤、液壓作動筒等上位鎖關鍵部件的尺寸設計方法。

1　結構組成與工作原理

上位鎖的主要結構組成包括驅動曲柄、鎖鉤、撞針、鎖鉤彈簧、承動鉸鏈、液壓作動筒、電動馬達等，參見圖1所示。收起主起落架時，在上鎖瞬間，緩沖支柱在收起行程末端的動能通過鎖環傳遞到上位鎖鎖鉤，鎖鉤通過兩根拉伸彈簧與驅動曲柄相連，支柱上的鎖環進入鎖鉤后壓迫鎖鉤轉動，驅動曲柄的尾端滾柱緊貼鎖鉤表面滑動直至其落入鎖鉤阻鐵。滾柱與阻鐵相互壓緊，實現機構鎖定，在無外來驅動的情況下無法打開。

圖1　上位鎖主要外部端口（左）和內部結構組成（右）

正常開鎖時，機構解鎖所需的外部動力是由液壓作動筒提供的，作動筒活塞桿推動驅動曲柄逆時針方向旋轉使其尾端滾珠與阻鐵脫開。液壓作動筒受到一個壓縮彈簧的預加載作用，其目的是當鎖鉤受到擾動載荷時不會意外開鎖，保證上鎖狀態穩定安全。

應急開鎖是通過一套電驅動機構實現的，主要由電動馬達、蝸桿和凸輪盤等組成。通過電接頭輸入的電力驅動馬達旋轉，這一轉動動能通過與馬達相連的蝸桿傳遞至凸輪盤上，引起與凸輪盤相接觸的驅動曲柄球形承動件轉動，使尾端滾珠與阻鐵脫開后開鎖。上位鎖同時安裝有接近傳感器用于向機組指示主起落架是否成功鎖住。

2　閉鎖性能要求及鎖彈簧剛度需求判定

由上位鎖的工作原理可知，液壓作動筒和電動馬達提供的外部激勵都是通過驅動曲柄傳遞到鎖鉤上從而執行開鎖動作的，驅動曲柄是上位鎖機構的中樞零件。而閉鎖狀態則由鎖鉤拉簧和液壓作動筒壓簧保證，兩者的彈簧剛度性能直接決定了閉鎖的可靠性。本節試圖以理論計算的方法對鎖彈簧的剛度需求進行分析。

分析時采用的局部坐標系統參見下圖2，其中坐標原點定義在鎖鉤的鉸鏈中心處，X軸方向與鎖鉤平面平行，Z軸方向垂直于鎖鉤承載平面。根據上鎖時鎖鉤與緩沖支柱鎖環之間的可能出現的最不利相對位置情況，將鎖鉤處的水平載荷Fx、側向載荷Fy、垂直載荷Fz的作用點定位在從鎖鉤中心向外側方向偏移4.51 mm處。

圖2　上位鎖局部坐標系（上）及鎖鉤載荷作用點位置（下）

2.1鎖鉤彈簧預緊力計算

鎖鉤彈簧的設計應當保證上位鎖不會因驅動曲柄受到慣性載荷這樣的非指令載荷而意外開鎖。這條要求是通過沖擊試驗來進行驗證的，本文分析時將其簡化為一個在最不利方向上作用于驅動曲柄重心處，大小為6g的恒定載荷，如圖3所示。

圖3　作用在驅動曲柄上的慣性載荷與鎖鉤彈簧載荷

為確保驅動曲柄不會因沖擊脫鎖，慣性載荷Facc必須與最小彈簧預緊力Fspr相平衡。假設兩條鎖鉤彈簧同時受力，其它載荷如摩擦力等忽略不計。

驅動曲柄質量m=0.72 kg，最大沖擊加速度a=6g.因此，驅動曲柄重心處的慣性載荷為：

慣性載荷關于鉸鏈中心的力臂LCG=17.7 mm，彈簧載荷關于鉸鏈中心的力臂Lspr=48.2 mm，鎖鉤彈簧數量n=2.因此，需要的最小彈簧預緊力為：

2.2液壓作動筒壓簧閉鎖能力

上位鎖的設計要求包括：在液壓作動筒供壓壓力低于4 137 KPa或等值回油壓力脈沖尖峰下應能保持閉鎖。這一要求是通過在作動筒活塞桿容腔內設置一根壓簧，提供與開鎖時活塞桿運動方向相反的阻力來實現的，受結構空間的限制，壓簧的最大可用壓縮量即作動筒活塞行程為15.6mm，參見圖4.

圖4　液壓作動筒壓簧布置

記液壓驅動壓力達到最小開鎖壓力Pmin=4 137 KPa時的作動筒載荷為Funl，min，液壓作動筒活塞直徑dP=21.9 mm，則：

此時的彈簧載荷記為Fspring，壓縮量為X，彈簧剛度為K=51.3 N/mm；活塞桿行程為零時的彈簧預緊力F0=1 416 N.因此，根據：

導出：X=2.8mm

以上計算過程表明，當作動筒壓力達到最小開鎖壓力時的壓簧壓縮量，即活塞桿行程為2.8 mm.因此，若要保持閉鎖狀態，需要在活塞桿端頭與驅動曲柄之間留出不小于2.8mm的設計間隙。

3　開鎖性能要求及分析工況篩選

僅以正常開鎖模式下液壓作動筒的性能要求為前提進行分析，應急開鎖模式下電動馬達等相關組件的性能要求不在本文討論范圍之內。

正常液壓開鎖能力應在以下8類工況條件下得到保證：

工況1：供油壓力8 274 KPa，拉伸載荷-11 148 N，無側向載荷，各處運動關節的摩擦系數μ=0.2；

工況2：供油壓力12 410 KPa，拉伸載荷-21 350 N，無側向載荷，各處運動關節的摩擦系數μ=0.2；

工況3/4：供油壓力19 305 KPa，拉伸載荷-31 529 N，無側向載荷，運動關節處的摩擦力有以下兩種情形之一出現：

一是，關鍵運動關節處的摩擦力處于最不利的水平（μ=0.5），其它關節處μ=0.2；

二是，所有運動關節處μ=0.25.

工況5/6：供油壓力1 9305 KPa，拉伸載荷-30 368 N，無側向載荷，運動關節處的摩擦力有以下兩種情形之一出現：

一是，關鍵運動關節處的摩擦力處于最不利的水平（μ=0.5），其它關節處μ=0.2；

二是，所有運動關節處μ=0.25.

工況7：供油壓力21 029 KPa，鎖鉤處加載有-34.443 kN的拉力；

工況8：供油壓力21 029 KPa，鎖鉤處加載有+30.464 kN的壓力。

4　液壓作動筒性能校核

通過在ADAMS/View環境下建立上位鎖虛擬樣機模型，針對上述8種開鎖工況要求，對液壓作動筒的性能進行了仿真分析，仿真時采用了不考慮重力影響的假設條件。

4.1上位鎖虛擬樣機模型

根據上位鎖作動原理和載荷傳遞路徑，仿真時選取了以下主要組成結構進行了建模，如圖5所示。

圖5　上位鎖ADAMS虛擬樣機模型

鎖鉤：起落架外載荷加載點；

驅動曲柄：連接鎖鉤和作動筒、壓簧，開閉鎖載荷的傳遞中樞

液壓作動筒及壓簧：開鎖時載荷輸入；

撞針：止動銷提供的約束支反力加載點；

止動銷：機構運動的約束點；

鎖鉤彈簧：閉鎖狀態保持機制，與起落架外載荷形成靜平衡；

上述零件中除彈簧外均作為剛體處理。零件之間以理想運動副相連接，比如，以自旋運動副模擬鉸鏈。彈簧和與其接觸的部件使用了載荷單元。彈簧通過一個加載在兩端接頭之間的單向力單元進行模擬。彈簧力的計算是以彈簧變形為變量，同時考慮彈簧剛度和預緊力得到的。

4.2性能校核結果

各工況下對液壓壓力的需求計算結果如圖6-圖9所示。

圖6　作動筒液壓性能校核-工況1（8274KPa）

圖7　作動筒液壓性能校核-工況2（12 410KPa）

圖8　作動筒液壓性能校核-工況3-6（19 305KPa）

圖9　作動筒液壓性能校核-工況7-8（21 029KPa）

仿真分析計算結果表明，各工況下開鎖需要的最大液壓壓力均小于作動筒的可用壓力，最大壓力設計裕度為工況6，達25%，最小壓力設計裕度出現在工況1，僅為1%.因此工況1是最不利工況，應作為作動筒性能設計的基準工況來考慮。

5　結束語

本文以一種典型起落架上位鎖為研究對象，對關系到閉鎖性能的主要構件如鎖鉤彈簧和作動筒壓簧的關鍵參數計算方法進行了探討。同時利用工程軟件ADAMS建立了虛擬樣機模型，對液壓作動筒的開鎖性能進行了校驗，為其它相似設計提供了一定的工程參考。

［1］顧長鴻，盛一興，張樹林.飛機起落架上位鎖機構可靠性分析［J］.北京航空航天大學學報，1995，21（4）：18.

［2］《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊（第14分冊）.起飛著陸系統設計［M］.北京：航空工業出版社，2002：466.

Performance Analysis of A Typical Landing Gear Uplock Device

SHEN Qiang
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China）

A introduction is given to themajor components and operation principle of a typical landing gear uplock device.Guided by the specific locking performance requirements，mathematic model is built for the performance analysis of hook spring and actuator spring.Virtual prototype of uplock was built under the simulation environment ADAMS/View，performance of hydraulic actuator was qualified for 8 unlocking cases.The results prove that current parameter set of the actuator is capable of fulfilling requirement.Meanwhile，the critical case with minimum design margin is identified by the simulation and should be chosen as the datum case for the design of hydraulic actuator of uplock.

landing gear uplock；performance analysis；uplock spring；hydraulic actuator；virtual prototype

V227.4

A

1672-545X（2016）05-0082-04

2016-02-15

沈強（1983-），男，安徽銅陵人，碩士研究生，工程師，研究方向：起落架設計，包含結構設計、機構設計和性能分析。