某型機主起落架可折機構撓度計算系統研究與應用

田 俊，潘 浩，潘平遜，占金青

（1.凌云科技集團有限責任公司技術中心，湖北 武漢 430001；2.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

1 引言

2 建立主起落架數字樣機

某大型運輸機的可折撐桿是實現主起落架系統收放的空間連桿機構，該機構展開時可折撐桿形成的向上撓度是保證運輸機起飛和著陸安全的關鍵指標之一[1]。在大修裝配時需通過調節支臂上齒板扣齒長度，將可折撐桿向上撓度調整到規定范圍內。由于缺少計算方法，在實際維修時通常采用“裝配—測量—不合格拆卸—返回車間調試—再裝配”循環迭代的生產方式，導致維修周期不穩定，影響飛機交付時間。生產一線需要能夠在主起落架裝配前根據零部件實際測量尺寸準確計算可折撐桿向上撓度并反求支臂調節量的方法。

2.1 機構運動學簡析

對該型運輸機主起落架收放機構進行適當的簡化，得到機構簡圖，如圖1所示。

圖1 主起落架可折機構分析簡圖Fig.1 Analysis Diagram of Main Undercarriage Foldable Mechanism

圖中：1—緩沖支柱；2—斜撐桿；3—前撐桿；4—機身安裝位置形成的空間距離。

當起落架收起時，鉸鏈點C將向上運動。對于空間連桿機構，已知輸出端的位置，求解從輸入端到各個關節的位置和狀態參數是機構位置逆解問題，該主起落架裝配過程支臂調節量的計算就屬于此類機構位置逆解問題。

對機構逆解的求解方法主要有圖解法和解析法。其中，解析法又分為矢量解析法、復數法和矩陣法[2]。結合三維模型和解析法，可分析機構在整個運動過程的幾何特性[3]，可理解為零部件在不同尺寸下的裝配狀態。如圖1所示，建立主起落架桿系坐標系，將各構件表示為桿矢，各桿矢的方位角均由x軸正向開始，沿逆時針方向為正，該機構封閉矢量方程為：

式中：l1、l2、l3和l4—圖1中1桿、2桿、3桿和4桿的長度；θ1、θ2、θ3和θ4—圖1中1桿、2桿、3桿和4桿的方位角。其中，l4和θ4代表固定裝機位置，取為常數。

通過以上各參數在取值范圍內的計算，可得該機構桿件主要桿件幾何尺寸與裝配指標的數值關系。

2.2 建立主起落架數字樣機

明確主起落架工作原理和結構形式后，建立了包括主起落架緩沖支柱、帶鎖可折撐桿、主起落架收放作動筒、機輪、穩定緩沖器等部件的三維模型。按運動屬性定義部件分組[4?5]，建立了主起落架三維數字樣機，通過運動過程干涉檢查驗證了樣機裝配正確性。將各零部件尺寸設定為名義尺寸，采用運動仿真模塊，驅動輸入端收放作動筒活塞運動副實現了主起落架收放過程運動仿真。主起落架收起過程中收放作動筒活塞桿位移與前撐桿轉動位移、緩沖支柱轉動位移之間的關系，如圖2所示。

圖2 活塞桿驅動位移與撐桿轉角變化關系Fig.2 Input?Output Relationship of Foldable Mechanism

3 裝配位置分析研究

3.1 建立裝配位置分析模型

基于主起落架數字樣機，從數字樣機中提取出主起落架機構裝配位置分析模型，如圖3所示。其中，裝配位置模型定義如下：

圖3 基于機構運動學建立裝配位置分析模型Fig.3 Modeling of Assembly Positioning Analysis

（1）自變量：調節支臂軸心距l1、前撐桿軸心距l2、斜撐桿軸心距l3；

（3）目標函數：4.0mm ≤可折撐桿向上撓度h≤5.3mm；

（4）約束條件：與機身固定位置對接（與真實裝機環境保持一致）、滿足零部件裝配關系。

3.2 數字樣機二次開發

利用三維軟件提供的二次開發接口，使用宏命令對數字樣機進行參數定義、數據傳遞和計算分析[6?7]。利用VBA程序開發數據錄入和計算結果反饋的人機交互界面，如圖4所示。

圖4 分析模型與數字樣機的數據關聯Fig.4 Data Connection Between Modeling and Programming

通過計算程序將裝配位置分析模型中定義的參數與三維模型中對應的形位尺寸進行數據關聯[8]，不僅實現了向三維模型相關尺寸傳遞其實測數值，實時更新模型中裝配狀態的效果，而且實現了從三維模型提取裝配分析模型自變量的數值，利用參數化程序研究各參數與關鍵裝配指標關系的功能。通過對仿真試驗的數據進行擬合分析，得到回歸的函數解析式，形成調節支臂長度的控制規律。

3.3 可折機構的參數敏感性研究

3.3.1 調節支臂軸心距l1與撐桿向上撓度h關系

保持前撐桿軸心距l2和斜撐桿軸心距l3不變，通過程序計算調節支臂軸心距l1為不同數值時對應的撐桿向上撓度h，分析對象和計算結果，如圖5（a）所示。

對計算結果采用h=a1l1+b1擬合h=f1( )l1函數，其中，a1—擬合斜率；b1—擬合截距。通過最小二乘法得到a1=?1.1751，b1=428.825。

3.3.2 前撐桿軸心距l2與撐桿向上撓度h關系

保持調節支臂軸心距l1和斜撐桿軸心距l3不變，通過程序計算前撐桿軸心距l2為不同數值時對應的撐桿向上撓度h，分析對象和計算結果，如圖5（b）所示。對計算結果采用h=a2l2+b2擬合h=f2(l2)函數，其中，a2—擬合斜率；b2—擬合截距。通過最小二乘法得到a2=?0.5243，b2=337.0593。

3.3.3 斜撐桿軸心距l3與撐桿向上撓度h關系

保持調節支臂軸心距l1和前撐桿軸心距l2不變，通過程序計算斜撐桿軸心距l3為不同數值時對應的撐桿向上撓度h，分析對象和計算結果，如圖5（c）所示。對計算結果采用h=a3l3+b3擬合h=f3(l3)函數，式中：a3—擬合斜率；b3—擬合截距。通過最小二乘法得到a3=?0.5161，b3=315.7913。

圖5 可折機構參數敏感性研究Fig.5 Relation Between Mechanism Parameters and Deflection h

4 應用開發與工程驗證

4.1 滾輪間隙影響分析

根據主起落架可折撐桿鎖機構功能特點，分別計算了當調節支臂軸心距l1、前撐桿軸心距l2和斜撐桿兩端軸心距l3為名義尺寸時，鎖機構的滾輪軸心與卡槽軸心對齊的理想狀態、滾輪與卡槽頂面相切和滾輪與卡槽底面相切三種狀態的可折撐桿撓度數值，如圖6所示。仿真和測試結果都表明，滾輪與卡槽頂面相切時的撓度比理想軸心對齊狀態的撓度要小。計算程序將該間隙作為輸入參數之一，可根據現場塞尺測量值計算得到更貼合實際情況的撐桿向上撓度。

圖6 滾輪與卡槽底面相切狀態Fig.6 Tangent Status Between Roller and Slot

4.2 應用開發

結合生產現場應用場景，設計了應用流程及交互界面，測量現場及程序交互界面，如圖7所示。主要應用步驟為：

圖7 應用程序交互界面Fig.7 Interface Development and Application

（1）現場測量主起落架前撐桿軸心距l2和斜撐桿軸心距l3；

（2）將前撐桿軸心距l2和斜撐桿軸心距l3實測值輸入撓度計算系統，主起落架數字樣機狀態實時更新；

（3）根據調節支臂軸心距l1與可折撐桿向上撓度h的函數關系，可求得滿足要求的調節支臂軸心距l1取值范圍(l1min～l1max)；

（4）以調節支臂軸心距l1取值范圍(l1min～l1max)為指導，根據產品實際情況，選擇范圍內的可取的調節支臂長度l′1，計算該裝配狀態下的可折撐桿撓度值h和可折撐桿中心距l0，并將計算值和測量數據錄入維修工卡。

4.3 工程驗證

根據現場測量的前撐桿軸心距l2=635.0mm、斜撐桿軸心距l3=603.1mm，輸入程序計算得到滿足可折撐桿向上撓度h要求的調節支臂軸心距l1取值范圍為（361.044～362.148）mm。以計算結果為指導、根據產品實際情況，在安裝現場將調節支臂調節到l1=361.5mm，實測可折撐桿向上撓度h=4.7mm，滿足裝配要求，驗證了主起落架可折撐桿機構撓度計算系統能有效的輔助裝配工作。經相關部門技術鑒定，該主起落架可折撐桿機構撓度計算系統已應用于某型運輸機主起落架維修，該技術方案可推廣至其他機型主起落架裝配工作。

5 總結

針對某大型運輸機大修主起落架裝配時可折撐桿向上撓度反復調試的問題，開展數字化輔助修理技術應用研究。結合主起落三維模型和機構運動分析方法，研究了主要零部件尺寸參數與裝配要求之間的數學關系。基于機構優化設計思想，建立了反映主要零部件尺寸與關鍵指標的裝配位置分析模型。通過程序開發出一套可實現測量數據輸入、數值傳遞、模型狀態更新、計算分析和結果輸出的應用程序。經相關驗證與鑒定，該主起落架可折撐桿撓度計算系統可以輔助主起落架裝配校準和調整工作，有效地減少拆裝次數，縮短調試時間，提高維修效率。