溫度對油—氣式起落架緩沖性能的影響研究

胡銳，牟讓科，宋得軍，陳熠

（1.中國飛機強度研究所結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065）

（2.航空工業沈陽飛機設計研究所結構設計部，沈陽 110035）

0 引言

起落架的緩沖性能關系著飛機的安全性及乘客的乘坐舒適度，緩沖器作為起落架主要的緩沖吸能裝置，具有減緩飛機著陸過程中動態沖擊載荷的作用。油—氣式緩沖器由于其體積小、重量輕且易于密封等優點被現代飛機起落架所廣泛采用，作為起落架中吸收和耗散能量的主要部件。

隨著航空飛行器的高速發展，空天飛機已成為航空航天領域研究的熱點，空天飛機再入大氣層時飛機結構會被迅速加熱，起落架緩沖器內部的油液特性及充氣壓力會隨著環境溫度的升高而變化，進而影響起落架的緩沖性能。B.Milwitzky等根據流體力學經典的局部壓力損失理論，推導了油液阻尼力的經典公式，并被廣泛應用于起落架緩沖器設計和分析；M.K.Wahi對油液式起落架進行建模和仿真，探討了雷諾數、油孔的形狀和方向對縮流因數的影響，并在緩沖支柱軸向力中考慮了側油孔阻尼力的影響，還研究了油液壓縮模量、氣體可溶性、氣穴現象以及氣體多變指數對緩沖支柱緩沖特性的影響；T.J.Tharakan等通過對比油液流經不同孔徑的情況以研究出口壓力對小孔流量系數的影響；陳玉紅等建立了考慮緩沖器主油腔氣穴效應的起落架落震動力學模型，分析了該模型下的起落架動力學特性，并與試驗進行了對比驗證；豆清波等基于落震試驗研究了氣體壓縮多變指數的變化規律，指出多變指數和空氣受壓程度相關，且非定常多變指數計算模型能更加準確地反映受載情況；丁勇為等基于管道流體力學方法和緩沖器油孔結構建立了流量系數的理論模型，對比分析了長徑比、孔徑管徑比、孔口倒角等油孔幾何參數對起落架緩沖阻尼力和軸向合力的影響。

關于起落架緩沖器內部的油、氣以及輪胎對起落架性能的影響和優化已有大量研究，而溫度對油—氣式起落架緩沖性能影響的試驗研究卻未見報道。因此，本文以某型無人機起落架為研究對象，建立起落架動力學模型，分析影響油液阻尼力及空氣彈簧力的影響因素，并進行可模擬起落架緩沖器溫度變化的落震試驗，結合試驗結果，指出溫度對油—氣式起落架緩沖性能的影響規律，并對使用環境溫度變化范圍較大且采用油—氣式緩沖器的起落架的試驗驗證提出建議。

1 理論建模

1.1 起落架動力學方程

無側傾角的支柱式起落架，其結構形式及簡化的落震受力分析圖如圖1所示。以該支柱式起落架（圖1）為研究對象，采用經典的二質量模型和減縮質量法，可建立起落架的落震動力學運動方程。

圖1 支柱式起落架受力分析圖Fig.1 Force analysis diagram of telescopic landing gear

上部質量的垂向動力學方程為

式中：M為起落架彈性支撐質量（上部質量）；為緩沖器內部的軸向力；為外筒對內筒的徑向力；?為彈 性 支 承 質 量 的 加 速 度；為緩沖 支 柱 軸 線 的航向傾角。

下部質量的垂向動力學方程為

式中：為起落架非彈性支撐質量（下部質量）；?為非彈性支承質量的加速度；P為地面作用于輪胎的垂直力。

下部質量的航向動力學方程為

式中：為地面作用于輪胎的航向力（阻力）。

下部質量的轉動動力學方程為

式中：為下部質量的轉動慣量（包括機輪、輪胎及剎車組件的轉動部分）；為未壓縮時的機輪半徑；為輪胎壓縮量；為機輪角速度。

1.2 緩沖器內部載荷

常油孔的油—氣式緩沖器結構示意圖如圖2所示。

圖2 常油孔單氣腔緩沖器結構示意圖Fig.2 Diagram of single gas cavity buffer structure with constant oil hole

緩沖器的軸向力可表示為

式中：為空氣彈簧力；為油液阻尼力；為起落架外筒與活塞桿的摩擦力。

緩沖器內部的空氣彈簧力為

式中：為壓氣面積；為初始充填壓力；為初始充氣體積；為緩沖器壓縮量；為氣體多變指數，一般取定值；為外部環境壓強。

緩沖器的空氣彈簧剛度為

由式（7）可知，空氣彈簧剛度為緩沖器行程的函數，會隨著緩沖器的壓縮而逐漸增大。對于給定初始充氣體積及壓氣面積，在同等的緩沖器壓縮量下，空氣彈簧剛度隨著初始充填壓力的增大而增大。

緩沖器內部油液阻尼力可表示為

式中：、為主、回油腔壓油面積；、為主、回油孔流量系數；、主、回油孔過流面積。

Sng定義如下：

主油孔流量系數（）為總阻力系數的函數。其中，為阻尼孔的直徑和厚度，為雷諾數，與油液自身密度、黏度相關。

緩沖器內部的摩擦力主要由皮碗摩擦力與緩沖支柱彎曲產生的摩擦力組成，可以表示為

式中：為皮碗摩擦系數；為緩沖器彎曲摩擦系數；為活塞桿外筒與支柱內筒上、下接觸位置的法向力。

1.3 輪胎載荷

航空輪胎的力學特性與其輪廓尺寸、充氣壓力和輪胎剛度等參數相關，其垂直載荷與輪胎壓縮量之間的關系可表示為

式中：為起落架機輪數目；C為輪胎當量阻尼系數；為輪胎壓縮量；（）為輪胎靜壓曲線。

輪胎航向載荷可表示為

式中：為輪胎與跑道之間的航向滑動摩擦系數。

2 試驗方案

2.1 油—氣式緩沖器加熱設備及加熱方法

試驗過程中通過加熱帶包裹油—氣式緩沖器外筒進行加熱。加熱帶內部夾層為加熱電阻絲，正反兩面為石棉布，功率1.5 W/cm，緩沖器外筒壁溫度采用熱電偶進行監控。

依據緩沖支柱外筒形狀，設計相應尺寸的加熱帶，以滿足對緩沖器外筒完全包裹的要求，且加熱帶不能交叉重疊，以免加熱不均勻、燒蝕加熱設備。設計與加熱帶同尺寸、5 mm厚度的橡膠墊，包裹于加熱帶外側，確保加熱帶與緩沖支柱外筒整體緊密貼合。將緩沖支柱外筒壁打磨后粘貼熱電偶，對溫度進行監控。溫度監控及緩沖器加熱如圖3所示。

圖3 溫度監控及緩沖器加熱照片Fig.3 Photos of temperature monitoring and buffer heating

2.2 試驗設備及原理

試驗裝置為立柱式自由落震試驗系統，主要由臺架系統、提升/釋放系統、當量質量模擬系統、加熱系統、測試系統等構成，如圖4所示。

圖4 落震試驗設備及原理圖Fig.4 Drop test equipment and schematic diagram

試驗時先由升降系統將落體系統升至規定投放高度鎖定；啟動加熱系統對緩沖器進行加熱，加熱至所需溫度并控溫1 h，使得緩沖器內部油—氣溫度趨于穩定；打開落體系統上部的電磁釋放鎖，使落體系統沿立柱導軌自由下落，起落架撞擊安裝于地面的測力平臺，觸發采集信號，獲得試驗數據。

3 結果分析

3.1 試驗件基本參數

研究對象為支柱式起落架，無航向及側向傾角，其基本參數如表1所示。

表1 起落架基本參數Table 1 Basic parameters of landing gear

3.2 起落架緩沖性能分析

將緩沖器分別加熱至20（室溫）、40、60和80℃進行試驗，試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test condition

緩沖器初始充填壓力變化如圖5所示。

圖5 緩沖器初始充填壓力隨溫度變化曲線Fig.5 Initial filling pressure of buffer versus temperature

從圖5可以看出：在溫度達到80℃時，緩沖器充填壓力相較于20℃時的變化率已達24.11%，遠超過GJB 67.9及GJB 5435.9中規定的落震試驗需進行±10%充氣容差試驗的要求。

不同溫度下落震試驗的地面垂直載荷曲線、支柱壓縮量曲線如圖6～圖7所示，最大上部質量加速度及緩沖系統效率系數隨溫度的變化曲線如圖8所示。

圖6 不同溫度下落震試驗的地面垂直載荷曲線Fig.6 Vertical load curves of drop test at different temperature

圖7 不同溫度下落震試驗的支柱壓縮量曲線Fig.7 Strut compression curves of drop test at different temperature

圖8 最大上部質量加速度及緩沖系統效率系數隨溫度變化曲線Fig.8 Maximum upper mass acceleration and efficiency coefficient of buffer system versus temperature

從圖6～圖8可以看出：隨著油—氣式緩沖器內部溫度的升高，地面垂直載荷及上部質量加速度逐漸增大，支柱壓縮量及緩沖系統效率系數逐漸減小。其主要原因是，溫度升高引起初始充填壓力增大，緩沖器內部空氣彈簧剛度變大引起地面垂直載荷及上部質量加速度變大，而支柱壓縮量相應減小，表明緩沖器溫度的升高引起起落架緩沖性能的惡化。

本文研究的起落架無航向及側向傾角，可不考慮支柱彎曲帶來的緩沖器內部摩擦力的影響。通過監測數據計算得到最大油液阻尼力隨溫度的變化曲線如圖9所示，可以看出：最大油液阻尼力隨溫度的升高而降低，其主要原因是，隨著溫度的升高，油液的黏度逐漸降低，在油孔外形尺寸一致的情況下，油液雷諾數變小，引起流量系數的變化，使得最大油液阻尼力減小，進而影響起落架消耗功量的能力。

圖9 最大油液阻尼力隨溫度變化曲線Fig.9 Maximum oil damping force versus temperature

4 結論

（1）隨著緩沖器溫度的升高，緩沖器初始充氣壓力隨之增大，緩沖器內部的空氣彈簧剛度變大、油液阻尼力減小。

（2）緩沖器溫度升高后，油液阻尼力耗散的起落架系統能量變少，更多的能量由緩沖器內部的氣體經過壓縮后吸收，初始壓力的增大使緩沖支柱剛度變大且更不易被壓縮，使得落震試驗過程中的地面垂直載荷及上部質量加速度隨之增大，而起落架緩沖系統效率系數逐漸減小，起落架系統緩沖性能惡化。

（3）緩沖器初始充氣壓力對溫度變化敏感，針對使用環境溫度變化范圍較大、且采用油—氣式緩沖器的起落架，建議進行更大范圍的充氣容差落震試驗，以充分研究、考核起落架的緩沖性能。