摘 要: 固定翼飛機(jī)起落架的工作過(guò)程、原理、結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)是航空類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要知識(shí)內(nèi)容。起落架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有教學(xué)條件難以滿(mǎn)足教學(xué)需要，基于此，論述了基于氣動(dòng)技術(shù)的飛機(jī)起落架壓差變送器開(kāi)發(fā)。運(yùn)用人機(jī)工程，將其設(shè)計(jì)為一種便攜式教學(xué)演示設(shè)備。基于民航固定翼飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓差變送器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用氣壓傳動(dòng)作為系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，基于 PLC 實(shí)現(xiàn)設(shè)備演示的控制功能，其演示動(dòng)作及其流程與民航客機(jī)起落架的收放動(dòng)作完全一致。該設(shè)備已在我校成功應(yīng)用，顯著提高了相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的教學(xué)效果。

引言

固定翼飛機(jī)起落架系統(tǒng)是飛機(jī)上#為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，其工作性能直接影響到飛機(jī)起飛、著陸的穩(wěn)定性和安全性，其收起和放下過(guò)程必須按照嚴(yán)格的順序，執(zhí)行一系列的復(fù)雜動(dòng)作 ［1 －3］ 。

飛機(jī)起落架系統(tǒng)是航空類(lèi)專(zhuān)業(yè)航空概論、飛機(jī)構(gòu)造等課程的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。在進(jìn)行飛機(jī)起落架相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)中，通過(guò)現(xiàn)有的課本、圖片、視頻等教學(xué)手段，很難讓學(xué)生對(duì)固定翼飛機(jī)起落架的構(gòu)成及其工作過(guò)程有較好的理解。雖然結(jié)合飛機(jī)起落架實(shí)物進(jìn)行教學(xué)效果會(huì)好一些，但是由于飛機(jī)系統(tǒng)龐大，飛機(jī)上各種元器件、管路、電路復(fù)雜，飛機(jī)起落架的某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)隱藏于狹小空間，依然很難看透、理清起落架系統(tǒng)的各部件及其關(guān)系;而且，真實(shí)起落架體積龐大，價(jià)格昂貴，占地面積大，需要專(zhuān)用車(chē)間才能存放，且數(shù)量有限，無(wú)法滿(mǎn)足班級(jí)授課要求。演示其工作過(guò)程需要將飛機(jī)吊起，給班級(jí)授課帶來(lái)較大麻煩。基于此，本研究論述了基于氣動(dòng)技術(shù)的飛機(jī)起落架壓差變送器開(kāi)發(fā) ［4 －5］ 。

1 起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1． 1 總體結(jié)構(gòu)

飛機(jī)起落架壓差變送器主要包括壓差變送器機(jī)架、艙門(mén)及起落架收放演示機(jī)構(gòu)和電氣控制柜 3 部分。總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示:其中 1 為機(jī)架，2 為艙門(mén)及起落架收放演示機(jī)構(gòu)，3 為電氣控制柜。

機(jī)架用鋁型材拼接，這種結(jié)構(gòu)wuxu任何表面噴涂，具有拼接組裝簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。為了便于設(shè)備移動(dòng)，機(jī)架下方裝有 4 個(gè)萬(wàn)向腳輪，上方橫梁上裝有2 個(gè)鋁合金把手(見(jiàn)圖中6 和4 所示)。機(jī)架分上下兩層結(jié)構(gòu):電氣控制柜位于機(jī)架下層，艙門(mén)及起落架演示機(jī)構(gòu)位于機(jī)架上層。此外在機(jī)架上層橫梁一側(cè)還裝有操作及狀態(tài)顯示面板(見(jiàn)圖中 5 所示)。

1． 2 壓差變送器主要參數(shù)

壓差變送器機(jī)架的結(jié)構(gòu)充分考慮操作便利性，結(jié)合人機(jī)工程理論，將其設(shè)計(jì)為一種便攜式教學(xué)壓差變送器，其主要參數(shù)如表 1 所示［6 －7］ 。

1． 3 起落架收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定翼起落架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其收起及放下過(guò)程必須按照嚴(yán)格的順序執(zhí)行一系列復(fù)雜動(dòng)作。固定翼飛機(jī)起落架收放方式主要有沿縱向收放和沿橫向收放 2 種。固定翼飛機(jī)前起落架，安裝于機(jī)身段前部，通常采用沿縱向(前后方向)收放方式;主起落架安裝于機(jī)翼下方，通常采用沿橫向(左右方向)收放方式。本研究所述的飛機(jī)起落架壓差變送器參考民航客機(jī)前起落架結(jié)構(gòu) ［8 －9］ 。

飛機(jī)前起落架的收放機(jī)構(gòu)，主要包括艙門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉機(jī)構(gòu)和起落架收起放下機(jī)構(gòu)及其安全保護(hù)機(jī)構(gòu)。

1) 艙門(mén)機(jī)構(gòu)

固定翼前起落架艙門(mén)由主艙門(mén)和副艙門(mén)組成:主艙門(mén)在起落架收起及放下過(guò)程中打開(kāi)，起落架收起或放下完成后主艙門(mén)關(guān)閉;副艙門(mén)在起落架收起完成后關(guān)閉，其余狀態(tài)下均是打開(kāi)。

本研究所開(kāi)發(fā)的飛機(jī)起落架壓差變送器的艙門(mén)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。左右 2 個(gè)主艙門(mén)分別通過(guò)合頁(yè)鉸接于機(jī)身段兩側(cè)的側(cè)邊縱向梁，主艙門(mén)驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁側(cè)邊和主艙門(mén)，主艙門(mén)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動(dòng)主艙門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。副艙門(mén)通過(guò)合頁(yè)鉸接于其中 1 個(gè)主艙門(mén)，副艙門(mén)驅(qū)動(dòng)氣缸的兩端分別通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于該副艙門(mén)所安裝的主艙門(mén)及副艙門(mén)，副艙門(mén)驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅(qū)動(dòng)副艙門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉。

2) 起落架收放機(jī)構(gòu)

固定翼飛機(jī)的起落架收放機(jī)構(gòu)主要功能是完成起落架的收起與放下，以及在收起狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)起落架在收起位置的鎖定(上位鎖)和在放下?tīng)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)起落架在放下位置的鎖定(下位鎖)。

飛機(jī)起落架壓差變送器的起落架結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。起落架主體上端通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁下方，起落架收放驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別鉸接于起落架下方的機(jī)輪支架和機(jī)身段中心縱向梁下方另一側(cè)，起落架收放氣缸活塞桿的伸出和縮回即可驅(qū)動(dòng)起落架的放下與收起。

與民航客機(jī)結(jié)構(gòu)一樣，該壓差變送器起落架上位鎖采用掛鉤式結(jié)構(gòu)，掛鉤鎖下方有掛鉤銷(xiāo)子，起落架機(jī)輪支架上有掛鉤，掛鉤鎖中部通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁上方，上位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸兩端分別通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于掛鉤鎖上端和機(jī)身段中心縱向梁上方。當(dāng)起落架處于收起位置時(shí)，通過(guò)上位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿的伸出與縮回，即可驅(qū)動(dòng)掛鉤鎖逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)掛鉤與掛鉤銷(xiāo)子的掛上與脫開(kāi)，完成上位鎖的上鎖與解鎖［10］ 。

起落架下位鎖采用撐桿鎖結(jié)構(gòu)，如圖 4 所示。撐桿鎖由上撐桿 2 和下?lián)螚U 1 通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接而成，上撐桿與下?lián)螚U之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開(kāi)，當(dāng)完全打開(kāi)后兩撐桿夾角呈圖示鈍角位置，在兩撐桿鉸接處有機(jī)械限位裝置，使得該位置為其轉(zhuǎn)角極限位置。上撐桿中部通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于機(jī)身段中心縱向梁上方，下?lián)螚U另一端通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于起落架機(jī)輪支架，下位鎖驅(qū)動(dòng)氣缸的兩端分別通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接于上撐桿另一端和機(jī)身段中心縱向梁上方。當(dāng)起落架處于放下位置時(shí)，通過(guò)下位鎖氣缸活塞桿的伸出與縮回，可實(shí)現(xiàn)兩撐桿的折疊與打開(kāi)，即實(shí)現(xiàn)下位鎖的解鎖與上鎖。

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

民航客機(jī)起落架收起過(guò)程動(dòng)作順序?yàn)?主艙門(mén)開(kāi)啟;下位鎖解鎖;起落架收起;上位鎖上鎖;主艙門(mén)關(guān)閉;副艙門(mén)關(guān)閉。其放下過(guò)程動(dòng)作順序?yàn)?主艙門(mén)開(kāi)啟;副艙門(mén)開(kāi)啟;上位鎖解鎖;起落架放下;下位鎖上鎖;主艙門(mén)關(guān)閉。在收放過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照上述動(dòng)作順序完成。與民航客機(jī)一樣，飛機(jī)起落架壓差變送器演示起落架收放過(guò)程時(shí)，也需要執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。飛機(jī)起落架壓差變送器的所有演示動(dòng)作采用氣缸驅(qū)動(dòng)，其氣動(dòng)控制系統(tǒng)包括氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。

2． 1 氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)

氣壓傳動(dòng)控制系統(tǒng)用于對(duì)驅(qū)動(dòng)上述動(dòng)作的氣缸的控制，即控制其活塞桿的伸出與縮回，氣動(dòng)控制回路圖如圖 5 所示。

該系統(tǒng)共有 6 個(gè)雙作用氣缸，由 5 個(gè)雙電二位五通電磁換向閥控制其換向。其中，由于左右艙門(mén)執(zhí)行的是同時(shí)完成的動(dòng)作，箂hou笥也彰毆燦?1 個(gè)換向閥。每個(gè)氣缸配置節(jié)流閥，均按照排氣節(jié)流配置。在每個(gè)氣缸缸筒兩端安裝磁性開(kāi)關(guān)(S1 ～ S12)，磁性開(kāi)關(guān)的位置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)位置對(duì)應(yīng)，分別用于檢測(cè)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)，該信號(hào)代表所控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作是否完成到位。在起落架收放過(guò)程中，通過(guò)該信號(hào)控制起落架收放過(guò)程中的動(dòng)作順序 ［10］ 。

2． 2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

起落架壓差變送器的電氣控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)控制回路中電磁閥的控制以及系統(tǒng)的操作、保護(hù)、狀態(tài)顯示等功能，其電氣系統(tǒng)如圖 6 所示。該系統(tǒng)選用S7-200 系列 PLC 控制，PLC 的 CPU 為 224XP;并配置擴(kuò)展模塊 EM223。PLC 輸入信號(hào)主要包括:系統(tǒng)操作指令，經(jīng)操作面板按鈕輸入;各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)安裝于氣缸的磁性開(kāi)關(guān)輸入;氣源壓力信號(hào)，經(jīng)安裝于氣源的壓力變送器輸入。PLC 輸出信號(hào)主要包括:電磁閥電磁鐵通/斷電:根據(jù)輸入狀態(tài)信號(hào)，控制電磁閥相應(yīng)電磁鐵的通/斷電;狀態(tài)信號(hào)顯示:將當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)輸出至操作面板上的指示燈。起落架壓差變送器用于課堂演示飛機(jī)起落架的收放過(guò)程，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，其收放過(guò)程有兩種工作模式:自動(dòng)工作模式與手動(dòng)工作模式。在自動(dòng)模式下，按下收起或放下按鈕，起落架系統(tǒng)就會(huì)按照程序設(shè)定動(dòng)作順序，依次完成起落架收起或放下過(guò)程中的各個(gè)動(dòng)作 ［11 －12］ 。當(dāng)動(dòng)作全部完成后，通過(guò)指示燈顯示起落架的當(dāng)前狀態(tài) (即收起完成或放下完成)。自動(dòng)模式下運(yùn)行起落架收起或放下之前，起落架必須是處于對(duì)應(yīng)的放下完成或收起完成狀態(tài);否則必須通過(guò)手動(dòng)模式將起落架復(fù)位到對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。自動(dòng)模式的演示，與飛機(jī)正常工作時(shí)的工作流程完全一致。手動(dòng)模式用于單步演示飛機(jī)起落架的收放動(dòng)作，通過(guò)按下相應(yīng)操作按鈕，每次執(zhí)行一步相應(yīng)動(dòng)作。由于飛機(jī)起落架收放過(guò)程中所執(zhí)行的每一步動(dòng)作都是有前提條件的，這個(gè)前提條件就是其它各個(gè)機(jī)構(gòu)處于對(duì)應(yīng)的位置狀態(tài)。為了保護(hù)起落架機(jī)構(gòu)，在手動(dòng)模式下，如果相關(guān)機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)不滿(mǎn)足執(zhí)行該動(dòng)作的條件，即使按下執(zhí)行該動(dòng)作按鈕，該動(dòng)作也不會(huì)執(zhí)行。例如:艙門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，即使按下起上位鎖開(kāi)鎖的單步指令，該下位鎖也不會(huì)打開(kāi)。因此，手動(dòng)模式亦可用于起落架工作流程及原理結(jié)構(gòu)的考核。

3 結(jié)論

本研究所開(kāi)發(fā)的飛機(jī)起落架壓差變送器已在我校飛機(jī)構(gòu)造、航空概論、飛機(jī)液壓系統(tǒng)等課程中得到成功應(yīng)用。該設(shè)備的應(yīng)用，不僅能有效解決學(xué)生在學(xué)習(xí)飛機(jī)起落架的工作過(guò)程、原理、結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)及其控制等知識(shí)上的困惑，而且顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的教學(xué)效果。