基于理想气体定律的起落架气压检测
                                                               苗红涛
                                      (中国直升机设计研究所,江西  景德镇  333001)
摘  要:起落架是实现直升机着陆、停放、滑行、滑跑的重要部件,缓冲器是起落架组成中的核心部件,缓冲器充气压力检测是直升机的日常维护工作之一,常规充气压力检测方法必须先将直升机顶起,操作准备时间长且在复杂环境下的操作受限,该文提出一种无须顶起直升机,在停机状态下进行充气压力检测的方法,不仅能够缩短维护准备时间,提高直升机使用效率,也能满足复杂地形下起落架气压检测的维护需求。
关键词:直升机;起落架;充气压力检测
中图分类号:V226              文献标志码:A
0 引言
       起落架是直升机上的重要部件,主要用于实现直升机着陆、停放、滑行、滑跑等操作,同时要具备缓冲着陆、着舰载荷,降低着陆、着舰过载的功能,核心部件为缓冲器,目前大部分缓冲器采用油气式结构,最简单的缓冲器的原理模型如图1所示,其物理结构包括2个筒体(活塞杆和外筒)和一个节流阀,分离活塞用于物理隔离油液和气体,由2个筒体包围组成了缓冲器的内部腔体,内部腔体被节流阀和分离活塞隔离成3个腔体,分别是压油腔、回油腔和气腔,油腔内充填一定体积的液压油,气腔内充填一定压强的工业氮气,这3个腔体和节流阀构成了油气式缓冲器实现缓冲功能的4个必备的基本要素。
       正确的缓冲器充气压力是保证起落架性能的前提,因此在直升机的日常检查维护工作中,定期检测缓冲器充气压力是一项重要工作,由于初始充气压力是指在缓冲器全伸长不受载的情况下的气腔压力值,因此常规检测方法在检测前必须先用千斤顶顶起直升机,确保起落架完全离地,缓冲器处于全伸长状态,再使用压力表测量气腔压力值,并与规定的初始值进行对比,判定充气压力值是否合格。
       由常规气压检测方法可以看出,用千斤顶顶起直升机是充气压力检测前的必要工作,这不仅增加了维护准备时间,更重要的是在某些复杂地形下,如果不能实现直升机顶起操作,就无法进行起落架充气压力检测工作。象在舰面上,舰船受海浪影响时常处于摇晃状态,顶起直升机的难度和风险大大增加,因此一般在舰面上不允许顶起直升机,起落架的气压检查和充气工作只能在陆基完成;象在崎岖斜坡路面或松软沙地都不便于直升机顶起操作,均无法实现缓冲器充气压力检测。
       所以提出一种非顶起直升机状态下的缓冲器充气压力检测方法很有必要,这样不仅能大大缩短维护保障时间,提高直升机使用效率,更能在复杂地形实现对起落架缓冲器的充气压力检测,满足起落架气压检测的维护需求。
1 缓冲器工作原理
       以单腔缓冲器为例对缓冲器工作原理进行说明。通常把如图1所示的缓冲器称为单腔缓冲器,是指它只有一个气腔。
       单腔缓冲器工作原理为直升机着陆时,着陆载荷推动缓冲器压缩,缓冲器内腔总体积减小。由于节流阀和活塞杆是固定在一起的,因此活塞杆压缩时压油腔体积会减小,油液由压油腔通过节流阀流入回油腔,进而推动分离活塞运动,回油腔体积增大,气腔体积减小,气体被压缩。在该过程中,由于气体被压缩,压力增大,相当于一个弹簧,吸收一部分着陆能量,此外油液通过节流阀时会损失一部分压力,也会消耗一部分能量,最终通过气腔“弹簧”和油液阻尼实现起落架吸收着陆能量、缓冲着陆载荷、降低着陆过载的功能。
       由缓冲器工作原理看出,如果要检测缓冲器初始充气压力,必须顶起直升机,使起落架完全卸载离地,缓冲器处于全伸长状态。而当直升机处于停机状态,起落架处于承载状态,缓冲器在载荷作用下会被压缩,气腔充气压力升高,此时气压值必定与初始值不一致,仅检测气压值无法判定初始气压值是否正确。同时,起落架承受的停机载荷与直升机重量、重心位置均有关,当重量重心变化时,停机状态缓冲器气压值也随之变化,所以停机状态缓冲器充气压力值不是定值。
       虽然在直升机停机状态检测气压值无法判定初始气压值是否正确,但根据工作原理也能发现:当缓冲器全伸长状态(活塞杆全伸长),气腔压力为初始值;当缓冲器被压缩,活塞杆外伸量缩短,气腔压力值升高;而且活塞杆外伸量越短(即缓冲器压缩量越大),气腔压力值越高。假设该过程中缓冲器运动十分缓慢,可近似认为符合理想气体定律(在试验室进行缓冲器静压试验时得到了验证),即气腔压强p、体积V、环境温度T符合理想气体状态方程pV=nRT(其中,n为物质的量,R为气体常量)。因此,如果能依据理想气体状态方程确定气腔压力值与活塞杆外伸量的关系,形成气腔压力—活塞杆外伸量曲线,便可通过对照该曲线判定充气压力值是否合格。
2 活塞杆外伸量与气腔压力值关系
       图1为一般单腔油气式缓冲器结构图,根据缓冲器工作原理,对活塞杆外伸量与气腔压力之间的对应关系进行理论推导。由理想气体定律可知,温度也是变量要素,因此,推导过程考虑环境温度因素。
       参数含义及单位如下:
       T:环境温度。
       P:气腔压强,MPa。
       V:气腔体积,mm3。
       X:活塞杆外伸量(活塞杆伸出外筒的长度),mm。
       VYS:流入回油腔的油液体积,mm3。
       D1:活塞杆内径,mm。
       D2:油腔压油直径,mm。
       假设缓冲器初始全伸长状态时,环境开氏温度为TO,气腔压力为P0,气腔体积为V0,缓冲器外伸量为X0,计算当环境开氏温度为T1、对应缓冲器气腔压力值为P1时的外伸量X1。推导过程如下:
       当缓冲器外伸量为X1时,缓冲器被压缩,压缩长度为(X0-X1),此时油液被挤压,由于油液的不可压缩性,油液会通过节流阀上的油孔进入回油腔,同时挤压分离活塞,进而压缩气腔体积,使气腔压力升高。此时,
      流入回油腔的油液体积等于气腔被压缩的体积:
       VYS=πD22/4·(X0-X1)                                                 (1)
       气腔体积:V1=V0-VYS=V0-π·D22/4·(X0-X1)        (2)
       根据理想气体定律:pV=nRT,得:
       P0·V0=n·R·T0                                                                  (3)
       P1·V1=n·R·T1                                                                  (4)
       由于n,R为常量
       所以, P0·V0/T0=P1·V1/T1                                (5)
       由此得出活塞杆外伸量与环境温度、气腔压力值之间的关系如下:
       X1=X0-4/π/D22·(V0-P0·V0/T0·T1/P1)                   (6)
       得出活塞杆外伸量X与缓冲器充气压力值P之间的理论关系,依据该关系式,可得出环境开氏温度为T1时的X-P曲线,如图2所示。
       依据X-P曲线进行充气压力检测时,只需测量停机状态时缓冲器实际的气压值PS和活塞杆外伸量XS,并在X-P曲线中查找P=PS时对应的理论外伸量值XL,X=XS时对应的理论充气压力PL,如图3所示,并将XS与XL进行对比,可得出以下结论:
      (1)如果XS=XL,则PS=PL,表明充气压力正常。
      (2)如果XS        (3)如果XS>XL,则PS>PL,表明充气压力过高,应在保持外伸量XS不变的情况下,在停机状态将气压降至PL。
        考虑实际检测过程中存在工程误差,应设定实测外伸量与理论外伸量之间的误差阀值△X,并在检测过程中计算实测值与理论值之间的偏差是否超出预定阀值,具体判定结论如下:
       (1)如果|XS-XL|≤△X,则PS符合要求,表明充气压力正常。
       (2)如果|XS-XL|>△X,且XS (3)如果|XS-XL|>△X,且XS>XL,则PS>PL,表明充气压力过高,应在保持外伸量XS不变的情况下,在停机状态将气压降至PL。
3 缓冲器充气压力检测步骤及示例
      依据该文推导出的单腔缓冲器X-P曲线及判定结论,直升机停机状态起落架充气压力检测的流程可按图3进行,具体步骤如下:
      (1)根据缓冲器结构参数计算得出缓冲器外伸量与充气压力之间的“X-P”曲线,并确定外伸量偏差阀值△X;
      (2)用尺子测量缓冲器外伸量XS。
      (3)用压力表测量缓冲器充气压力值PS。
      (4) 在“X-P”曲线中查找压力PS对应的缓冲器理论外伸量XL,计算|XS-XL|,若|XS-XL|≤△X,则充气压力正常,检测结束。
      (5)若|XS-XL|>△X,应在起落架上安装伸缩限制器,确保缓冲器外伸量XS不变,同时,若XS 示例:
       根据某型直升机起落架缓冲器低压腔初始外伸量、气腔充气压力、结构参数,计算出“缓冲器外伸量—充气压力(X-P)”曲线,如图4所示,图4中横轴表示起落架缓冲器低压腔充气压力,单位MPa;纵轴表示起落架缓冲器低压腔活塞杆外伸量,单位mm。缓冲器外伸量偏差阀△X=5mm。
      当直升机非顶起状态检测到缓冲器充气压力PS=3.00 MPa,低压腔活塞杆外伸量XS=250 mm;在图4中对应标记的实测值点;对照图4曲线查到,3.00 MPa对应的理论外伸量XL=302 mm,250 mm对应理论充气压力PL=3.78MPa。依据判定流程,|XS-XL|=52>△X,且 XS 4 结论


       该文提出一种基于理想气体定律的起落架非顶起状态充气压力检测判定方法,该方法依据理想气体状态方程推导出单腔缓冲器外伸量与充气压力的关系式,并形成“X-P”曲线和充气压力检测判定流程。依据该流程可判定其实测外伸量和充气压力值是否正常,并确定理论充气压力值。该方法可实现在非顶起直升机状态下对起落架进行充气压力检测,不仅缩短了维护检查时间,而且能满足在复杂地形对起落架进行气压检测的维护需求,具有工程应用价值。
                                                           参考文献
[1]高泽迥.《飞机设计手册》14册:起飞着陆系统设计[M].北京:航空工业出版社,2002.
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