大型民機起落架設(shè)計的技術(shù)應(yīng)用

目前，大型民機已進入兩個主要方向，即大型和超高效。這臺機器是由客運公司開發(fā)的一艘大型寬體飛機，以及由波音公司開發(fā)的聲波787。雖然這兩種飛機的設(shè)計代表了航空發(fā)展的兩種不同預期及理念,采用的技術(shù)側(cè)重不一樣,但是在起落架的設(shè)計上采用的技術(shù)卻是一致的,那就是都采用了小車式多輪起落架來分散輪胎對跑道的壓力要求;采用高強度鋼、優(yōu)質(zhì)鈦合金材料用以獲取長壽命低重量系數(shù)的起落架結(jié)構(gòu);采用電傳方式控制的起落架,甚至采用全電剎車系統(tǒng)以獲取更高的系統(tǒng)可靠性和更輕的重量以及更簡便的維修;這些技術(shù)都是對已有大型民機起落架技術(shù)的繼承和發(fā)展。起落架液壓系統(tǒng)的應(yīng)用比較一下波音公司的波音747、777、787以及空客公司的A340、A380的起落架的技術(shù)特點,可以從中追尋起落架技術(shù)的發(fā)展趨勢。波音747于1970年初投入航線使用,是載客最多(達500人)的大型寬機身客機,它的最新型號是波音747-400型飛機,該型于1985年開始設(shè)計,1988年出廠,最大起飛重量395t。它的起落架由五支柱、液壓收放。兩輪前起落架向前收起,主起落架為4個四輪小車式,兩個并列在機身下靠機翼前緣處,向前收入機身;另兩個裝在機翼下面,向內(nèi)側(cè)收起。起落架支柱、輪軸及車架結(jié)構(gòu)采用300M鋼整體鍛件,全部18個輪胎均為同一型號的無內(nèi)胎機輪,尺寸46×16inch(1168.4×406.4mm),主輪胎壓14.1×10波音777是波音公司研制的世界上最大的雙發(fā)噴氣寬體客機,1995年5月17日首架交付用戶美國聯(lián)合航空。波音777在大小和航程上介于767-300和747-400之間,波音777采用三級客艙布局時可搭載301至368名乘客,最大起飛重量299t,完全可以替換波音747的早期型號,其耗油量減少1/3,維護費用降低40%。其主起落架共有12個機輪,這種結(jié)構(gòu)既有效地分散了路面載荷又使飛機不超過三個起落架支柱。在跑道和滑行道上時,重量分布更均勻,避免了在機身中心下面安裝一個輔助的2輪起落架。其3軸車架式主起落架后軸轉(zhuǎn)向操縱能提供一個較小的轉(zhuǎn)彎半徑,以減少大角度轉(zhuǎn)彎所需的推力,并能減小輪胎摩擦,當前輪轉(zhuǎn)向操縱角超過13°時,它就自動開啟。777的主起落架是迄今為止民用飛機使用過的最大起落架,它的主支柱是300M鋼整體鍛件,采用雙支撐側(cè)撐桿傳遞側(cè)向載荷,它的車架梁采用鈦合金模鍛件,模鍛件投影面積12258cm波音787系列飛機是200到300座級的飛機,航程可達6500~16000km,最大起飛重量218t。波音787起落架為可收放前三點式。主輪為4輪小車式,前輪為雙輪式。在起落架的研制上,波音采用了承包商的開發(fā)方式,一改過去起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計由波音公司自己負責的方式。法國道蒂公司被波音公司選為波音787起落架的部件供應(yīng)商,負責整個起落架項目的管理及主和前起落架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、開發(fā)、試驗、制造和一體化。同樣它的主支柱外筒是300M鋼鍛件,而緩沖支柱的活塞桿是鈦合金的整體鍛件,波音787采用航空子午線輪胎,起落架收放液壓系統(tǒng)已經(jīng)采用高壓系統(tǒng)供壓?？湛凸镜拇笮兔駲C有A330、A340、A380及正在研制的A350飛機,其飛機噸位和客座數(shù)和波音的同類飛機基本相當,在起落架結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也都類似。所不同的是空客系列的飛機在起落架控制系統(tǒng)方面更早的采用了電傳操縱技術(shù)和起落架電子綜合控制技術(shù)。這類起落架的收放系統(tǒng)的控制采用計算機控制收放邏輯,控制液電閥和各種作動筒收放起落架及艙門的順序,并采用接近式感應(yīng)開關(guān)來探測起落架和艙門是否到位。起落架液壓系統(tǒng)的壓力在A380飛機上采用高壓（34.5MPa）液壓系統(tǒng)供壓，有效地減小了起落架收放作動筒的尺寸，減輕了重量。正常剎車系統(tǒng)采用雙余度電傳剎車數(shù)字防滑，兼有自動剎車功能，采用柔和的飛機勻減速率剎車控制以提高乘客的舒適性。自動剎車系統(tǒng)有智能化的狀態(tài)判別邏輯，駕駛員的操縱動作非常簡單。前輪轉(zhuǎn)彎為電傳操縱伺服控制系統(tǒng)，其手輪操縱控制、方向舵腳蹬與前輪操縱的聯(lián)動控制和差動剎車功能均由一個控制器實現(xiàn)綜合控制，可按需實現(xiàn)與方向舵的聯(lián)動與斷開、左右駕駛員轉(zhuǎn)彎指令的疊加，不同狀態(tài)下機輪最大轉(zhuǎn)角的自動限制，前輪伺服系統(tǒng)的仿真監(jiān)控等功能，確保飛機的正確航向和著陸安全。由于起落架控制系統(tǒng)中采用了大量電子設(shè)備和機電設(shè)備,使得故障檢測變得容易,故障隔離可以達到LRU級,且產(chǎn)品可靠性指標很高,因此維護工作變得便捷,大大減少了工作量。廣泛采用感應(yīng)式接近傳感器用于檢測起落架的位置,提高了傳感器壽命。此外,通過控制計算機方便地實現(xiàn)了與航空電子系統(tǒng)的信息傳輸與信息共享。通過以上比較可以看到大型民機起落架具有的鮮明技術(shù)特點:(1)起落架布局復雜。起飛重量在300t以上的大型民機,如波音747、A340、A380飛機,主起落架采用多輪多支柱式布局形式,其中波音747、A380都有4個主起落架,A340有3個主起落架。A380有2個機身起落架是6輪三軸小車式起落架,2個機翼起落架為4輪二軸小車式起落架,共20個機輪;而波音747和A340的4個主起落架都是4輪二軸小車式起落架。這種多輪多支柱布局可以將地面載荷以分散形式傳遞到機體結(jié)構(gòu),并降低了對跑道強度的要求。這種多支柱起落架的緩沖系統(tǒng)是相互連通的,以一定的控制形式調(diào)節(jié)各個起落架的載荷大小;(2)起落架的結(jié)構(gòu)尺寸很大,每個起落架的承載大,起落架主要承力構(gòu)件采用大型整體鍛件進行制造。對于比波音747、A340飛機噸位小一些的飛機,象波音777、767、A300、A330等飛機基本采用普通三點式起落架布局,主起落架為單支柱小車式多輪起落架。由于大型民機的起落架基本采用機翼下安裝形式,相對于大型軍用運輸機的機身起落架,尺寸要大很多。例如波音777的主起落架主支柱的長度達到3m以上,是現(xiàn)役飛機中最大的起落架,每個主起落架承載能力在200t以上;(3)與機體同壽,是國外民機對起落架的普遍要求,這使得起落架的壽命在4萬~6萬次起落,如波音767的起落架壽命為5萬次起落。波音737已達到7.5萬次以上。起落架結(jié)構(gòu)采用高強度鋼整體鍛件,提高了起落架壽命。大型民機起落架主體材料已經(jīng)用300M鋼整體鍛件制造工藝取代了拼焊結(jié)構(gòu)。由于鈦合金比強度高,結(jié)構(gòu)重量輕,目前它在起落架上的應(yīng)用已經(jīng)從次承力結(jié)構(gòu)、小零件擴展到主要承力構(gòu)件上。據(jù)報道,在A380的主起落架中鈦合金的用量占到主起落架總重的30%。起落架控制系統(tǒng)在操縱方式上已逐漸摒棄了鋼索滑輪等機械操縱器件,使用電傳操縱,且與其他系統(tǒng)實現(xiàn)交聯(lián),廣泛采用感應(yīng)式接近傳感器用于檢測起落架的位置。電傳剎車技術(shù)和自動剎車技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟,正逐步向全電剎車方向過渡。綜上所述,大型民機起落架的設(shè)計上會更多地應(yīng)用信息技術(shù)、微電子、微機電、新材料、新動力等技術(shù)。更加突出綜合化、信息化和智能化。在起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計上,將廣泛應(yīng)用高強度鋼、鈦合金以及大型金屬鍛件結(jié)構(gòu)等以降低結(jié)構(gòu)重量和成本,提高結(jié)構(gòu)效率。A380、波音787等新機機體壽命將達到7.5萬~9萬飛行小時,起落架的起落壽命將隨之進一步增加。在起落架控制系統(tǒng)設(shè)計方面,將進一步向計算機控制、綜合顯示控制及全電操縱方向發(fā)展。所有的技術(shù)進步都朝著減重、提高可靠性、降低維護維修成本方向努力。起落架發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)民機起落架在壽命指標、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料制造技術(shù)以及適航驗證等方面與國外先進民機具有較大差距,尤其在多支柱起落架設(shè)計方面處于無設(shè)計規(guī)范可依、無型號經(jīng)驗可循、無原準設(shè)計可用的局面。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)起落架設(shè)計壽命:現(xiàn)在國外先進民機起落架(除超大型民機外)設(shè)計使用壽命一般是4萬~7.5萬次起落,目前我國民用起落架中新舟60飛機的起落架可以達到2萬起落壽命,和國外先進起落架6萬起落以上壽命有較大的差距。而國產(chǎn)運輸機起落架壽命都較低,如,運8W為1.1萬~1.5萬次起落,雖然新支線飛機ARJ21-700的設(shè)計指標達到6萬次起落,但起落架應(yīng)用的是國外材料體系,在國外進行生產(chǎn),沒有應(yīng)用我國的材料和生產(chǎn)工藝。因此,這方面與國外具有較大差距。(2)起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計能力:對于大噸位起落架的設(shè)計尤其是多支柱起落架的設(shè)計國內(nèi)沒有任何經(jīng)驗。國外大型民機起落架(如A380、A340-600、波音747、波音777等)只有一些著名起落架公司(如Goodrich、Messier-Dowty等)才能設(shè)計、生產(chǎn),這些起落架的尺寸和噸位都較大。而國內(nèi)目前只能設(shè)計生產(chǎn)噸位較小的軍機和運輸機起落架。在大型車架式起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計上也沒有太多型號經(jīng)驗。(3)起落架控制系統(tǒng)設(shè)計:與國外先進水平相比,國內(nèi)起落架控制系統(tǒng)的集成度低,起落架電傳轉(zhuǎn)彎、剎車控制、收放系統(tǒng)集成控制的設(shè)計水平較低,同時起落架控制系統(tǒng)附件可靠性水平較低,壽命較短,難以滿足民用飛機的使用要求。盡管國內(nèi)在軍機上已經(jīng)應(yīng)用了電傳剎車技術(shù),但對于多輪剎車的控制研究目前還是空白,而且對自動剎車系統(tǒng)的研究才剛剛起步。國內(nèi)電傳轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)中目前采用的還是電磁閥控制,控制精度較差。(4)材料制造方面:國外民機起落架主結(jié)構(gòu)的材料已采用300M鋼以及鈦合金材料,而我國目前只有少數(shù)機種起落架采用了300M鋼,國產(chǎn)民機起落架還未采用這種材料,在主要承力構(gòu)件上還沒有采用鈦合金材料。國內(nèi)已初步具備了大規(guī)格300M鋼及鈦合金棒料熔煉能力,具備這種規(guī)格鍛件的加工能力,但其工藝穩(wěn)定性及制造水平還有待于進一步提高。(5)適航驗證方面:在民機的適航方面運-7200A、新舟60、運-12等小飛機取得了起落架的適航認證,在ARJ21項目中也正在開展工作,但同國外相比我們在對適航條款的理解、驗證方法以及適航取證經(jīng)驗上仍有很大的差距,對于大型民機起落架的起落架適航認證工作就更沒有經(jīng)驗。民機起落架材料制造工藝設(shè)計通過前面的分析,我國在起落架領(lǐng)域與國外大型民機起落架方面的差距主要體現(xiàn)在起落架設(shè)計技術(shù)以及起落架材料制造工藝方面,缺乏大型民機起落架設(shè)計與試驗驗證的完整技術(shù)體系和經(jīng)驗。在起落架設(shè)計中,缺乏多支柱起落架的設(shè)計規(guī)范、大型車架式起落架設(shè)計經(jīng)驗不足、細節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、設(shè)計要求不當、材料性能較低、整體鍛件加工能力不足、制造精度達不到要求。這些因素都是制約大型民機起落架設(shè)計質(zhì)量提高的關(guān)鍵技術(shù)。1多支柱起落架參數(shù)確定和實現(xiàn)由于飛機的噸位大,基于機場跑道強度的約束,大型民機都采用車架式多輪起落架的結(jié)構(gòu)形式,如果是超大型飛機,則必須采用多輪多支柱起落架的布置形式。而由于多支柱起落架載荷是個超靜定問題,它牽扯到前后兩對主起落架緩沖剛度匹配問題,現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范和方法都沒有對這方面問題進行規(guī)定,造成在多支柱起落架布置、地面載荷確定、多支柱起落架緩沖功量分配的設(shè)計方法上具有不確定性。因此需要研究多支柱起落架設(shè)計理論，綜合考慮因為飛機重心、多個起落架支撐所帶來的設(shè)計上的問題。另外對于單個承載200t左右的起落架，不僅要考慮起落架支柱、側(cè)撐桿、鎖定機構(gòu)等起落架結(jié)構(gòu)的布置方式，還必須綜合考慮地面載荷盡可能分散地傳遞到機體結(jié)構(gòu)上，以使得機體結(jié)構(gòu)能夠以最小結(jié)構(gòu)重量來承受地面載荷。2起落架結(jié)構(gòu)形式大型民機承受的各個方向地面載荷都很大,并且在機場一次起降所滑行的距離平均在12km左右,它的起落架都采用4輪車架式結(jié)構(gòu)甚至6輪車架式結(jié)構(gòu)形式。由于要求的起落次數(shù)高、載荷大,滑行距離長等特點,對于起落架結(jié)構(gòu)的長壽命設(shè)計技術(shù)要求很高。國內(nèi)目前缺乏大型車架式起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及起落架關(guān)鍵部位的典型結(jié)構(gòu)抗疲勞細節(jié)設(shè)計方法,研究大型民機車架式起落架合理的承載結(jié)構(gòu)形式、車架式起落架收放及鎖定機構(gòu)、典型結(jié)構(gòu)的疲勞特性以及抗疲勞設(shè)計方法是保證大型民機起落架長壽命關(guān)鍵措施之一。3大型起落架材料的研制大型民機起落架主體材料已經(jīng)廣泛采用300M鋼整體鍛件、鈦合金整體鍛件制造技術(shù)。300M鋼的抗拉強度高,達到1860MPa以上;它的橫向塑性高,斷裂韌性高;且與同強度低合金超高強度鋼如4340、40CrMnSiMoVA等鋼種相比,300M鋼的抗疲勞性能明顯優(yōu)于4340、40CrMnSiMoVA和30CrMnSiNi2A等鋼種,特別是在介質(zhì)中的裂紋擴展速率顯著降低。這些特點使得300M鋼現(xiàn)已成為大型飛機起落架的主導應(yīng)用材料。另外鈦合金的應(yīng)用也已經(jīng)從次承力結(jié)構(gòu)、小零件擴展到主要承力構(gòu)件上。由于大型民機起落架結(jié)構(gòu)尺寸都很大,所以其要求的原材料尺寸規(guī)格都很大,基本上Φ300mm鈦合金棒材及Φ450mm300M鋼棒材是大型起落架的最低材料要求。研制合格的大規(guī)格原材料是應(yīng)用此項技術(shù)的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)的規(guī)格還達不到大型起落架的設(shè)計要求。其次整體鍛件的設(shè)計與制造技術(shù)也是合格起落架制造的基礎(chǔ),擴大模鍛件的生產(chǎn)制造能力是實現(xiàn)大型民機起落架材料應(yīng)用提高的關(guān)鍵。4起落架收放控制副先進民機起落架的控制系統(tǒng)已經(jīng)完全放棄了鋼索滑輪等機械操縱器件,采用以電傳控制技術(shù)為主的控制系統(tǒng),包括前輪轉(zhuǎn)彎操縱、自動剎車控制和起落架收放系統(tǒng),都采用了余度設(shè)計的電傳控制。目前國內(nèi)電傳轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)中采用的還是電磁閥控制,控制精度較差,起落架收放控制也還是傳統(tǒng)的觸點式開關(guān)控制,感應(yīng)式接近傳感器只有在ARJ21-700上得到應(yīng)用,