舰载机止动装置执行机构运动学分析

曹海龙，王海东，高富东，陈 聪

(海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041)

飞机止动装置是舰载机进行滑跃起飞作业的关键设备。在舰载机的滑跃起飞过程中，飞机止动装置通过挡住舰载机的左右主轮，使飞机实现大力止动，在舰载机发动机达到最大推力之后，快速同步释放止动轮挡，使飞机获得初始的起动加速度，舰载机在规定的距离内达到其起飞所需的离舰速度[1]。本文利用图解法对舰载机止动装置的运动学特性进行了分析，得出了液压控制元件与挡板的运动关系，并利用MATLAB软件进行了运动学仿真。

1 动力学分析

从机构学的角度讲，飞机止动装置机械系统实质上是由止动同步释放装置和轮挡止动装置形成的两套平面连杆机构，这两套平面连杆机构通过1根轴相连接，以做到同步运动。止动同步释放装置包括液压缸、活塞杆、连杆、滚轮组件和1号曲柄5个活动构件，形成7个低副(5个转动副、2个移动副)[2]。其中液压缸绕着油缸尾部转轴旋转构成1组转动副，活塞杆沿着液压缸移动构成一组移动副(主动运动副)，活塞杆绕着连杆的固定轴转动构成一组转动副，连杆绕着轴转动构成1组转动副，另外1号曲柄绕着轴转动构成1组转动副，滚轮组件自身可绕着滚轮轴转动同时滚轮组件又可沿着1号曲柄轨道移动，组成1对移动副和转动副；轮挡止动装置实质上是1组平面四连杆机构的演化形式，由挡板、2号曲柄、滚轮组件和机架构成3个转动副和1个移动副，其中挡板与轴可一起绕着支架衬套旋转构成1组转动副，2号曲柄绕轴旋转构成1组转动副(主动运动副)，滚轮组件自身可绕滑轴转动同时又可沿着2号曲柄轨道移动，形成1对转动副和移动副[3-5]。止动同步释放装置和轮挡止动装置机构运动简图如图1所示。

1—1号曲柄；2—液压缸；3—滚轮组件；4—连杆；5—2号曲柄；6—挡板；7—滚轮组件

首先对图1(a)进行分析。如图2所示，在活塞杆DE的作用下，止动同步释放装置运动到图中粗线所示位置。连杆AC的长度为L1，1号曲柄BC的长度为L2，固定点A与点E的距离为a，固定点A与固定点D的距离为b，固定点D与点E的距离为c。当活塞杆在液压油的作用下运动距离x时，移动副由C点运动到G点，移动的水平距离为y，距离点A的垂直距离为z，连杆转动角度为γ，带动1号曲柄转动角度为α，活塞杆和连杆连接点由点E运动到点F。

图2 止动同步释放装置运动机构简图

采用图解法对结构进行分析，由余弦定理知：

(1)

则连杆转动角度为：

γ=arccosδ-arccos(δ-γ)

(2)

由此得：

y=L1sinγ

z=L1cosγ

(3)

则：

(4)

由于L1，L2，a，b，c都为定值，所以1号曲柄的转动角度只与活塞杆的运动距离x有关。

然后对图1(b)进行分析。将图1(b)进行简化处理，得到图3所示的轮挡止动装置机构运动简图。挡板与滚轮的长度IJ为L3，固定点H与固定点I之间的水平距离为d、垂直距离为e，挡板处于初始位置时，其水平角度为θ。由于1号曲柄和2号曲柄是同轴安装的，因此2号曲柄的转动角也是α，此时带动挡板转动的角度为β。

采用图解法对结构进行分析，得：

KM=KN-e=L3sin(β+θ)-e

(5)

HM=IN+d=L3cos(β+θ)+d

(6)

图3 轮挡止动装置机构运动简图

则：

(7)

由式(4)、式(7)得：

(8)

(9)

则止动挡板的转动角度β为：

(10)

由于L3，d，e都为定值，从式(7)、(8)、(9)、(10)中可以看出，当活塞杆移动x时，可以得到唯一的g，c1值，从而得到挡板的转动角度β。

令活塞杆进行匀速运动，对止动挡板的转动角速度进行分析，也就是对式(10)进行求导，整理得：

(11)

2 计算实例

令L1=760mm，L2=530mm，L3=600mm，a=440mm，b=1 280mm，c=1 400mm，d=350mm，e=350mm，利用MATLAB软件进行编程，对止动挡板转动角度进行仿真分析，得出仿真结果如图4所示。

通过仿真结果可以看出，止动挡板转动的角度和活塞杆的移动并非线性关系，这说明随着活塞杆的收缩，止动挡板下降速度不断变化。在活塞杆从0mm运动至132mm的过程中，挡板转动角度较小，此时仍起到挡轮的作用；而在活塞杆运动至132mm之后，挡板角度变化较快，这就可以使挡板迅速放下。

图4 挡板转动角度与活塞杆位移关系图

对挡板的运动角速度进行仿真分析，得出仿真结果如图5所示。

图5 挡板转动角速度与活塞杆位移关系图

由图5可知，在活塞杆从0mm运动至132mm的过程中，挡板的运动角速度由零开始逐渐增大，但增幅很小，角速度最大为0.27rad/s；而在活塞杆运动至132mm之后，挡板转动角速度明显增大，在活塞杆运动到225mm时，挡板转动角速度达到最大值。而在挡板转动到90°时，挡板速度瞬时变为0，也就是说挡板被基座卡住，强制停止运动，当挡板停止运动时会对基座形成一定的运动冲击，所以基座的材料和结构要具有一定的强度和抗冲击性。

3 结束语

本文对飞机止动装置执行机构进行了理论分析，建立了机构的结构简图，利用图解法分析了止动同步释放装置和轮挡止动装置的运动学特性，得出了挡板与驱动活塞杆运动的关系表达式，通过MATLAB软件对其结构进行了仿真分析，得出了挡板转动角度、角速度与驱动活塞杆运动的关系。理论研究表明，图解法适合舰载机止动装置执行机构的运动学分析，为舰载机止动装置执行机构的结构优化设计提供了理论依据。