論文對民航飛機小車式起落架的新探討.doc

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1、南昌理工學院本科生畢業(yè)論文 2014屆本科生畢業(yè)論文 學 號： 成 績： 對民航飛機車架式起落架的新探討 院 部： 計算機科學與技術學院 專 業(yè)： 計算機科學與技術 姓 名： 指導教師： 二〇一三年四月 畢業(yè)論文誠信聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的畢業(yè)論文《 》是本人在指導老師的指導下，獨立研

2、究、寫作的成果。論文中所引用是他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式標明。 本聲明的法律結(jié)果由本人獨自承擔。 作者簽名： 年 月 日 摘 要 起落架是飛機的重要部件，用來保證飛機在地面靈活運動，減小飛機著陸撞擊與顛簸，滑行剎車減速；收上起落架減小飛行阻力，放下支持飛機。隨著科技的進步，民航飛機起落架的設計上會更多地

3、應用信息技術、微電子、微機電、新材料、新動力等技術。更加突出綜合化、信息化和智能化。在起落架結(jié)構(gòu)設計上，將廣泛應用高強度鋼、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。本文主要對民航飛機起落架的發(fā)展趨勢和關鍵技術進行了介紹和分析，希望能為廣大設計人員提供一些思路。 【關鍵詞】民航飛機 小車式起落架 探討 Abstract Landing gear is an important component of aircraft, aircraft on the ground to ensure that flexible movement, reduci

4、ng the impact and bumpy landing, taxiing brake deceleration; close the landing gear to reduce wind resistance, put support aircraft. With the advancement of technology, will be more use of information technology, microelectronics, micro-electronics, new materials, new energy technologies such as civ

5、il aircraft landing gear design. More prominent integration, information technology and intelligent. In the structural design of the landing gear, the widely used high-strength steel, titanium forgings, and large metal structure to reduce structural weight and cost, and improve structural efficiency

6、. This paper focuses on the development of civil aircraft landing gear trends and key technologies are introduced and analyzed, the majority of designers hope to provide some ideas. Keywords: Civil aircraft; Trolley landing gear; Investigate 目 錄 摘 要 2 Abstract 2 目 錄 3 1 引言 3 2 民航飛機

7、起落架的特點及發(fā)展趨勢 4 3 我國起落架設計與國際先進水平之間的差距 7 4 我國發(fā)展先進民航飛機起落架需解決的關鍵技術 8 4.1 起落架總體布置技術研究 8 4.2 長壽命車架式起落架結(jié)構(gòu)設計研究 8 4.3 起落架材料及制造技術研究 9 4.4 起落架控制技術研究 9 5 總結(jié) 9 參考文獻 10 致 謝 11 1 引言 我國民用客機的發(fā)展目前面臨著大型化和高效化的發(fā)展，并已經(jīng)被列入了我國的長期規(guī)劃當中。這對我國的航空事業(yè)是一個巨大的機遇，同時也是非常大的挑戰(zhàn)。大型客機的研制需要多方面的配合，而起落架作為飛行設計中的基礎也

8、面臨著技術的重大變革。起落架設計和集成的過程中涉及各種各樣的工程領域，并且在最近的幾十年中變得越來越復雜。目前民航客機朝著超大型和超高效兩個方向發(fā)展，代表機型是空客公司正在研制的超大型寬體飛機A380和波音公司正在研制的波音787。雖然這兩種飛機的設計代表了航空發(fā)展的兩種不同預期及理念，采用的技術側(cè)重不一樣，但是在起落架的設計上采用的技術卻是一致的，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；這些技術都是對已有我國民機

9、起落架技術的繼承和發(fā)展。 2 民航飛機起落架的特點及發(fā)展趨勢 通過比較波音公司的波音747、777、787以及空客公司的A340、A380的起落架的技術特點，可以從中追尋現(xiàn)代起落架技術的發(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

10、18個輪胎均為同一型號的無內(nèi)胎機輪，尺寸4616英尺，主輪胎壓14.1105pa，前輪胎壓13.11104Pa。在波音747-400上主輪采用碳剎車片代替鋼剎車片以及使用新的寬機輪使起落架減重816kg，并裝有防滑裝置，它的收放控制系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)完全采用機機械操縱，液壓作動[1]。 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

11、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度時，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12258cm2，重量達3175kg。主輪胎規(guī)格H4919-22，前輪胎規(guī)格4418-18。采用碳剎車，波音777的自

12、動剎車裝置類似于其它波音飛機，著陸滑跑很平穩(wěn)，剎車很靈活；起落架收放操縱方式仍然是機械鋼索傳動控制[2-3]。 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

13、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[4]。 空客公司的大型民機有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和起落架電子綜合控制技術。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，控制液電閥和各種動作筒收放起落架及艙門的順序，并采用接近式感應開關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

14、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[5]。 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[6]。 由于起落架控制系統(tǒng)中采用了大量電子設備和機電設備，使得故障檢測變得容易，故障隔離可以達到且產(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

15、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[7-8]。 通過以上比較可以看到目前國內(nèi)外先進民航飛機起落架具有的鮮明技術特點有： (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

16、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似上[10]。

17、 (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)，廣泛采用感應式接近傳感器用于檢測起落架的位置[11]。電

18、傳剎車技術和自動剎車技術已經(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計上會更多地應用信息技術、微電子、微機電、新材料、新動力等技術。更加突出綜合化、信息化和智能化。在起落架結(jié)構(gòu)設計上，將廣泛應用高強度鋼、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[12]。在起落架控制系統(tǒng)設計方面，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。所有的技術進步都朝著減重、提高可靠性、降低維護維修成本方向努力。 3 我國起落架設計與國際先進水平之間的差距

19、 國內(nèi)民機起落架在壽命指標、結(jié)構(gòu)設計、材料制造技術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計方面處于無設計規(guī)范可依、無型號經(jīng)驗可循、無參考設計可用的局面。主要體現(xiàn)在以下幾個方面： (l)起落架設計壽命：現(xiàn)在國外先進民機起落架設計使用壽命一般是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方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l.1萬-1.5萬次起落，雖然新支線飛機ARJ21-700的設計指標達到6萬次起落，但起落架應用的是國外材料體系，在國外進行生產(chǎn)，沒有應用我國的材料和生產(chǎn)工

20、藝。因此，這方面與國外具有較大差距。 (2)起落架結(jié)構(gòu)設計能力：對于大噸位起落架的設計尤其是多支柱起落架的設計國內(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)設計上也沒有太多型號經(jīng)驗。 (3)起落架控制系統(tǒng)設計：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)集成控制的設計水平較低，同時起落架控制系統(tǒng)附件可靠性水乎較

21、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)應用了電傳剎車技術，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6

22、0、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。 4 我國發(fā)展先進民航飛機起落架需解決的關鍵技術 通過前面的分析，我國在起落架領域與國外大型民機起落架方面的差距主要體現(xiàn)在起落架設計技術以及起落架材料制造工藝方面，缺乏大型民機起落架設計與試驗驗證的完整技術體系和經(jīng)驗。在起落架設計中，缺乏多支柱起落架的設計規(guī)范、大型車架式起落架設計經(jīng)驗不足、細節(jié)結(jié)構(gòu)設計不合理、設計要求不當、材料性能較低、整體鍛件加I能力不足、制造精度達不到要求

23、。這些因素都是制約大型民機起落架設計質(zhì)量提高的關鍵技術。 4.1 起落架總體布置技術研究 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計方法上具有不確定性。因此需要研究多支柱起落架設計理論，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、

24、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。 4.2 長壽命車架式起落架結(jié)構(gòu)設計研究 先進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)的長壽命設計技術要求很高。國內(nèi)目前缺乏大型車架武起落架的結(jié)構(gòu)設計以及起落架關鍵部位的典型結(jié)構(gòu)抗疲勞細節(jié)設計方法，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

25、勞設計方法是保證大型民機起落架長壽命關鍵措施之一。 4.3 起落架材料及制造技術研究 先進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。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相比，300M鋼的抗疲勞性能明顯優(yōu)于其它鋼種，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用材料。另外，鈦合金的應用也已經(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。研制合格的大規(guī)格原材料是應用此項技術的基礎。目前國內(nèi)

26、能夠生產(chǎn)的規(guī)格還達不到大型起落架的設計要求。其次整體鍛件的設計與制造技術也是合格起落架制造的基礎，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用提高的關鍵。 4.4 起落架控制技術研究 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)的觸點式開關控制，感應式接近傳感器只有在ARJ21-700上得到應用，自動剎車技術還沒有得到工程應用。國內(nèi)起落架控制系統(tǒng)的集成度低，附件可靠性水平較低

27、，研究起落架系統(tǒng)的綜合電傳控制技術、提高系統(tǒng)的集成度、發(fā)展民機自動剎車技術是實現(xiàn)大型民機起落架系統(tǒng)集成化與智能化的有效途徑。 5 總結(jié) 對于先進民機起落架這種涉及多學科多領域綜合技術的項目，國家應該有一個長期的研究發(fā)展規(guī)劃，開展以工程應用為目標的預先研究。通過有計劃分階段的研究工作，掌握先進民機起落架的關鍵技術。特別要強調(diào)注意安排設計、制造、試驗一體的工程化研究，緊緊圍繞工程應用這一目的，先突破在工程應用中起落架技術上的難點。完善補充我國先進民機起落架設計制造及驗證技術體系中缺少的技術。

28、 參考文獻 [1] 姜澄字．從國外民機重大研究計劃看大型民機發(fā)展的重大關鍵技術[c].中國航空學會2012年學術年會論文集：總體設計綜合技術.深圳．2012 [2] 楊春生．2000-2010年世界重大進近著陸事故分析[J]．中國民用航空，2011,15(2) [3] 郫漢堂，段有政．飛機起落架使用可靠性統(tǒng)計[J].航空學報．2010, 12(10) [4] 趙永翔．應變疲勞可靠性分析的新進展與展望[J].機械工程學報，2011, 37(11) [5] 顧長鴻，盛一興，張樹林，飛機起落架上位鎖機構(gòu)可靠性分析[J]．北京航空航天大學學報．2009, 2

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