大型運輸機起落架擺振影響因素及故障分析

周旭 胡奎福 郭祥云

摘要：基于飛機滑跑振動的數學模型，討論了臨界狀態下影響擺振的重要參數之間的關系，并針對某大型運輸機起落架擺振故障開展了故障樹研究，通過對設計給定的起落架結構參數影響分析，結合實際故障排除情況，找出起落架使用中可造成擺振穩定度不足的主要影響因素和典型故障，提出起落架防擺振的針對性修理措施。

關鍵詞：起落架；擺振；影響因素；故障樹；措施

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

0 引言

近年來，某大型運輸機在降落滑跑中多架次出現飛機抖動現象，影響了正常訓練任務，初步判斷是起落架發生了擺振故障。起落架擺振故障會引起機身的劇烈抖動，嚴重影響駕駛員的正常操縱，甚至大大降低了起落架結構的使用壽命，是一種非常有害的自激振動，必須加以制止。針對設計給定參數情況下的起落架擺振穩定區，通過分析找出使用維護中影響臨界擺振狀態穩定區的主要結構參數變化規律和典型故障，對于起落架防擺振有著重要的意義。

1 擺振機理和影響因素

飛機起落架擺振是由支柱、機輪的側向振動與圍繞支柱軸線的機輪扭轉振動相互耦合所引起的一種非常復雜的自激振動，維持這種自激振動的能量是由飛機滑跑過程中地面作用在輪胎上的力及力矩提供的[1]。飛機的前輪甚至主輪都有可能發生擺振，而可操縱型前輪對擺振尤為敏感。不穩定的擺振是飛機起落架使用過程中屢見的嚴重故障。根據飛機設計手冊，不論何種激振方式，如果出現擺振3個周期后，擺振幅值降到初始擾動值的1/4或更小，則認為擺振具有足夠的穩定度，對應為防擺臨界阻尼系數，系統處于擺振絕對臨界穩定，否則認為穩定度不足[2]。擺振發生時，飛機偏航角Ψ和側向偏移Y隨時間t的變化趨勢如圖1所示。

式中，M、C、K、R分別為子結構的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、外力矩陣，p為廣義坐標。可見起落架滑跑擺振的發生是系統的質量、阻尼、剛度、間隙、摩擦及輪胎力學特性等多種影響因素的綜合作用。擺振穩定區的邊界一般用減擺器臨界阻尼系數對其他參數的函數來表示[2]：

hcr=hcr（I，t，a，b，α，β，V）（2）

式中，hcr為臨界阻尼系數，I為起落架機輪擺動部分繞定向軸轉動慣量，t為穩定距，a為輪胎側向剛度，b為輪胎扭轉剛度，α為輪胎側向滾動系數，β為輪胎扭轉滾動系數，V為飛機滑跑速度。

研究表明，起落架擺振穩定區的影響因素包括減擺阻尼特性、穩定距、輪胎剛度、滑跑速度、起落架支柱垂直載荷、支柱剛度、減擺傳動系統間隙和扭轉剛度、油液壓縮性能等線性和非線性因素。引起擺振的因素中既有設計制造方面的因素，也有使用維護方面的因素。前者可通過起落架結構和減擺裝置的合理設計來解決，在實際操作中正確地使用和維護起落架對避免起落架擺振有著至關重要的作用。本文重點針對起落架擺振故障在使用維護方面的影響因素進行分析。

2 起落架結構參數影響分析

2.1 起落架線性擺振分析模型

對于常規布置且有足夠剛度的起落架，一般采用線性理論進行擺振分析[6]。在工程中廣泛使用的線性擺振分析模型如圖2所示。該模型考慮了支柱彈性、減擺器傳動系統弾性、輪胎的變形（包括輪胎的側向變形、扭轉變形和側傾）、結構重量和垂直載荷的影響以及機輪陀螺作用等影響因素。

2.2 起落架結構參數對擺振的影響分析

起落架的防擺設計由起落架結構和防擺阻尼系統兩部分組成[6]。設計階段已確定起落架擺振運動臨界邊界條件以及動態響應特性，即通過選擇合適的起落架結構參數，特別是減擺阻尼以及輪胎參數，使飛機機輪在起飛和著陸滑跑過程中不發生擺振失穩。

從使用維護方面開展擺振影響分析，重點是分析起落架和輪胎特征參數變化時對擺振運動臨界邊界條件的影響，因此，研究影響擺振穩定性需從飛機起落架支柱結構、輪胎特性、防擺阻尼系統和使用維護等參數變化方面來考慮。起落架結構參數對擺振的主要影響分析如表1所示，飛機使用維護中指標可能改變并對起落架擺振穩定性有較大影響的參數有：支柱扭轉和側傾剛度、支柱垂向載荷、結構間隙、減擺阻尼系數、減擺器傳動系統扭轉剛度和間隙、輪胎剛度、輪胎充氣壓力以及外部激勵等。

針對某大型運輸機起落架的具體使用故障，可結合故障樹分析，從相互關聯的影響因素中找到主導型的故障原因，從而制定有針對性且適合該機型起落架防擺使用維護的預防措施。

3 故障分析

3.1 故障概況

根據機組反映的故障情況，存在飛機重著陸擺動、大側風降落擺動、前輪接地擺動、主輪接地擺動、打開發動機反推擺動、大角度連續轉彎擺動等不同故障現象。據修理統計，工廠參與排故的多起起落架擺動故障首次發生時機接近飛機第二次維修使用期末期。發生擺振故障的飛機起落架具有壽命老舊、支柱結構交點間隙超差和減擺器傳動系統間隙超差占比大等特點，同時易受外部激勵影響引發擺振。

3.2 故障樹分析

綜合外場主要故障現象、飛參判讀和故障排查情況，建立故障樹，如圖3～圖6所示。從故障樹的結構可見，該型運輸機起落架的擺振主要是由起落架結構和減擺系統運動副間隙超差引起的，間隙值越大，擺振幅度越大，且存在超差的運動副間隙越多，擺振越容易發生。

3.3 故障原因分析

1）通過對該機群飛機滑跑擺動實際故障模式及影響分析，可以排除影響飛機方向穩定性因素對飛機滑跑擺動故障的影響，如機場跑道異常、飛機機身變形、飛機各操縱舵面變形、飛機動力裝置異常、飛機載重異常、前輪轉彎操縱功能異常以及飛行員操縱異常等。

2）該機群飛機的滑跑擺動主要由起落架擺振引發。起落架擺振來自機輪和支柱兩個部分的擺振運動。一是機輪的復擺，包括機輪、機輪懸掛機構和防扭臂等繞支柱的轉動，其擺角大小是由飛機滑跑方向穩定性要求所決定并通過起落架的構造來保證的；二是支柱本身的晃動，由于起落架支柱本身或機身結構剛度不足，造成飛機起飛或著陸滑跑時起落架支柱發生平移、傾斜和彎曲等；三是起落架減擺防扭傳動系統出現彈性變形或間隙；四是輪胎相對機輪的異常變形，即由于輪胎充氣壓力不足、磨損或機輪載荷過大，致使輪胎觸地面對機輪對稱面發生異常位移。可見，這些擺振運動與起落架減擺阻尼系數、支柱剛度、支柱垂向載荷、減擺器傳動系統扭轉剛度、輪胎剛度等結構參數在使用中發生改變密切相關。

3）機械磨損超差導致起落架穩定性結構參數指標惡化。隨著飛機機齡老化和日常飛行頻次增強，飛機整體結構剛性減弱，起落架主要承力機械零部件材料損耗接近或超出設計容限，內部聯結以及與機身結構聯結的各交點配合出現磨損、變形、斷裂，加之上次維修時可能存在零件尺寸修理余量保留不足，導致前、主起落架結構聯結尺寸和總位移超差，部分附件產品性能指標出現偏離等，致使起落架支柱側偏剛度、扭轉剛度和減擺傳動系統扭轉剛度等結構參數指標弱化，降低了起落架系統擺振穩定性。同時，由于機輪擺振和側向沖擊載荷會使起落架支柱運動環節間隙增大，造成結構之間的碰撞和摩擦，產生額外的接觸力，接觸力隨時間不斷變化，加劇起落架結構的破壞，從而使擺振進一步加劇。

4）前輪轉彎系統減擺性能弱化。一是在轉彎減擺液壓操縱系統中，由于減擺器節流活門、液壓作動筒等磨損，使活門、活塞與殼體（筒體）配合間隙超差，油路之間發生竄油，導致阻尼性能降低；二是減擺液壓系統工作介質中形成空穴，當混有氣泡的油液通過減擺器的阻尼孔道時，由于氣泡的可壓縮性，其阻尼作用會降低，形成減擺器的阻尼空程，由空穴引起的擺振時有發生；三是隨著前輪轉彎機械傳動系統的使用磨損，減擺傳動系統間隙超差，致使減擺器的有效阻尼減少，前輪轉彎系統減擺阻尼性能降低而引發擺振。

5）外部激勵，具有一定的綜合性特征。起落架系統擺振性能故障與飛機著陸機場環境、跑道基礎設施條件限制等因素也存在一定的影響關系，如側風著陸、重著陸、機場跑道滑跑急轉彎、車輛不當牽引、前輪偏轉接地等均會造成起落架結構受損，引發與擺振穩定性相關結構參數的改變，使起落架側向和垂向載荷發生異常變化從而引起擺振。

3.4 故障排除

工廠通過更換起落架支柱和減擺傳動系統的超差承力襯套、修復更換損傷零件以及調整主起落架輪間距等措施，使起落架總位移指標和裝置總體安裝形位尺寸恢復到合格范圍，有效消除了起落架擺振故障。

4 飛機滑跑擺動故障預防措施

1）規范故障分析流程。工廠定期收集機群故障信息，聯合用戶分析研究故障機理，明確主導型影響因素，形成外場排故階段性指導意見和機群排故方案。

2）針對飛機滑跑擺動整機和系統影響因素，制定外場排故檢查專項方案。明確飛機整機和系統修理過程檢查重點，形成機身、機翼、動力裝置、起落架承力件與附件修理檢查重點，防止飛機結構、蒙皮、大部件、附件、零組件和系統管路產生損傷、變形、裂紋及滲漏而導致的飛機方向穩定性結構參數指標惡化。

3）針對飛機滑跑擺動起落架影響因素，制定內場排故修理專項方案。明確起落架修理過程檢查重點，形成前起落架、主起落架和機輪的修理檢查重點，防止因機械磨損超差、腐蝕超差、異常受力造成損傷、變形、裂紋和性能變化而導致的起落架擺振穩定性結構參數指標惡化。

4）開展起落架擺振數字化模擬驗證工作。組織收集起落架構型設計資料和典型故障模式，進行故障建模分析研究，逐項模擬驗證典型影響因素對故障發生的貢獻率。

5）加強起落架深修精修工藝研究。針對飛機起落架擺振造成的結構和系統的磨損、損傷等故障，嚴格控制起落架各配合尺寸、裝配后的形位尺寸，零件修理時應考慮保持足夠的可耗損余量。通過分解前性能檢查、無損檢測、修理換新、增材修復新工藝等精修深修手段，加強起落架修理可靠性。

6）開展前輪轉彎操縱附件修理及調試技術研究。

7）開展起落架修理維護及定期修理周期技術研究。工廠與用戶共同建立針對“飛機起降滑跑擺動故障”的外場維護保障合作機制，開展飛機使用和維護階段滑行防擺技術研究；將飛機擺動檢查方案內容納入飛機巡檢巡修技術方案，針對飛機擺動故障進行預防性檢查。

5 結論

通過對故障起落架設計結構參數影響分析研究，識別出飛機起落架使用維護中易發生變化且對擺振穩定性有較大影響的參數，可有效指導對飛機滑跑擺動故障的機理認知；同時經故障樹分析和排除效果驗證進一步判定，故障根本原因是起落架結構間隙總位移超差和形位尺寸調整不當，造成相關起落架結構參數發生改變而引發其“機械擺振”。工廠和用戶在深化故障研究基礎上，完善修定飛機起落架修理工藝標準和外場維護預防深度檢查措施，共同建立針對飛機起降滑跑擺動故障外場維護保障合作機制，對保證該型航空裝備機群完好率和任務出勤率意義重大。

參考文獻

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