Колебания, возникающие при движении самолета по аэродрому

При рассмотрении особенностей конструкции передних опор отмечалось, что свободно ориентирующиеся колеса передней опоры вместе со стойкой являются потенциально опасными с точки зрения возможности возникновения на определенной скорости движения самолета самовозбуждающихся колебаний. Этот вид колебаний получил название “шимми” и был связан в основном с передней опорой, колеса которой вместе со стойкой имеют несколько степеней свободы и в процессе движения самолета могут подвергаться несимметричному нагружению. Однако в последнее время явления "шимми" наблюдались и на основных опорах тяжелых самолетов при недостаточной общей жесткости опор, несимметричности нагружения и распределения масс и жесткостей в конструкции опор.

Возникновение колебаний типа "шимми" вызывает интенсивные вибрации частей фюзеляжа и крыла, к которым крепятся стойки шасси, и может привести к срыву пневматиков, обрыву деталей стоек и разрушению ими конструкции расположенных вблизи агрегатов и, наконец, к поломке самих стоек и самолета. Отсюда то внимание, которое уделяется изучению явления "шимми" и мерам борьбы с ним. Очень опасными являются также колебания с высоким уровнем динамических нагрузок на опоры (и, как следствие, на самолет в целом), которые возникают в процессе разбега, пробега и руления самолета по неровной поверхности аэродрома. При этом амплитуды колебаний частей самолета (например, концов крыла и фюзеляжа) могут намного превосходить колебания этих частей в полете и вызывать в них перегрузки, превосходящие перегрузки в ЦМ самолета в несколько раз, особенно для тяжелых самолетов с крыльями больших удлинений. Большие значения динамических нагрузок на опоры и через них на планер возникают при больших неровностях поверхности ВПП, когда амортизационная система на определенных скоростях движения самолета уже не обеспечивает плавного поглощения и рассеивания энергии ударов о неровности аэродрома. Ниже рассматриваются физические основы этих явлений и конструктивные меры борьбы с ними.

Рис. 1.18. К объяснению возникновение колебаний типа «шимми»

Шимми. С явлением шимми столкнулись при эксплуатации самолетов с передней опорой в начале 1940-х гг. Природа этого явления и меры борьбы с ним были исследованы академиком М.В. Келдышем в работе "Шимми переднего колеса трехколесного шасси" в 1945 г. Как показано на Рис. 1.18, колесо передней опоры имеет несколько степеней свободы: поворот относительно оси стойки (на угол θ, Рис. 1.18, а); боковую деформацию пневматика (сдвига на величину λ, Рис. 1.18, б); закручивание пневматика (на угол φ, Рис. 1.18, в) относительно оси контактной площадки пневматика из-за его упругости, изгиб стойки от действующих на нее нагрузок. При случайном несимметричном приложении нагрузки к колесу (сила F на Рис. 1.18, б) и достаточной кинетической энергии поступательного движения самолета, передаваемой колесу передней опоры от поверхности ВПП, возникают самовозбуждаюшиеся колебания колеса (стойки), выражающиеся в колебательном взаимосвязанном изменении (см. Рис. 1.18, г) величин θ, λ и φ от нуля до их максимального значения со сдвигом фаз, как правило, равным π/2. Взаимосвязь колебательного изменения параметров θ, λ и φ прослеживается на Рис. 1.18, г. Так, если при нормальном вращении колеса точки А и В на беговой дорожке находились в плоскости симметрии колеса, то при возникновении боковой деформации колеса сместится контактная площадка и точка А получит сдвиг на величину λ_А, а точка В — на величину λ_В< λ_A, так как точка В находится выше точки А, и она подойдет к контактной площадке с меньшим сдвигом. При повороте колеса на угол α точки А и В на контактной площадке будут определять положение ее оси, которая повернется на угол φ, разворачивая при этом плоскость колеса на угол θ (если предположить, конечно, что колесо не проскальзывает относительно поверхности аэродрома). Точно также взаимосвязь колебательного изменения этих же параметров можно проследить на примере случайного разворота колеса на угол θ и последующего смещения контактной площадки на λ. По мере увеличения сдвига λ из-за сил сцепления пневматика с поверхностью ВПП будет уменьшаться угол его разворота θ, пока не дойдет до нуля (при λ_m_ах). Дальше (как и в предыдущем примере) накопившийся сдвиг контактной площадки поведет к развороту колеса на угол θ, который по мере уменьшения λ будет возрастать до значения θ = θ_max, но уже в противоположную от начального поворота сторону. В рассматриваемом примере считалось, что стойка абсолютно жесткая. Но реально это нe так. Колебательный процесс, совершаемый колесом, вызывает изгибные колебания стойки и тем большие, чем меньше ее жесткость. Поэтому траектория качения колеса с учетом этого подучается более сложной. Амплитуда описанных колебаний уменьшается, если энергия, подводимая к колесу, меньше энергии демпфировании, главным образом, за счет использования гасителей колебаний, а также за счет сил трения и проскальзывания пневматика. Скорость движения самолета, при превышении которой возникают колебания типа “шимми”, называют критической скоростью шимми V_кр. Если не использовать гасители колебаний, то V_кр - , где с — коэффициент, учитывающий жесткость стойки с пневматиком; t — вынос оси колеса относительно оси стойки; R — радиус колеса; J — массовый момент инерции элементов передней опоры, вращающихся относительно оси стойки. Конструктивные меры предотвращения колебаний типа “шимми” включают в себя прежде всего использование на передних опорах специальных гидравлических гасителей колебаний (демпферов), кинематически связанных с колесом (колесами). Явления шимми можно избежать, сети параметры, входящие в выражение V_кр , обеспечивают получение значений V_кр бoльших, чем скорости движения самолета на разбеге и пробеге. Увеличению значений V_кр способствуют: увеличение выноса t колеса (но при этом возрастают потребные объемы для уборки колес и трудности уборки передней опоры), увеличение жесткости опоры и колес; применение колес меньшего радиуса, уменьшение неравномерности разноса масс (и самого разноса маcс) элементов опоры относительно оси стойки. Увеличению значений И_кр способствуют уменьшение нагрузок на опору и снижение коэффициента трения пневматика о поверхность ВПП. Увеличение жесткости основных опор и уменьшение неравномерности разноса масс элементов стойки способствуют предотвращению появления “шимми” на основных опорах тяжелых самолетов с большой нагрузкой на опору.

Расчетная часть

Шасси служит для обеспечения разбега самолета перед взлетом и пробега после посадки, для движения по аэродрому и для смягчения ударов, возникающих при посадке и движении.

На самолетах, скорость которых достаточно высока, шасси делается убирающимся.

К шасси предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение устойчивости и маневренности самолета при движении по аэродрому;

- исключение возможности капотирования самолета;

- обеспечение потребного посадочного угла атаки и необходимого расстояния от нижней точки самолета по поверхности аэродрома;

- поглощение кинетической энергии ударов при посадке самолета и при его движении по неровной поверхности;

- большая эффективность тормозов для уменьшения длины пробега;

- надежность замков выпущенного и убранного положений опор шасси;

- исключение колебаний передней опоры.

Шасси самолета А-22 трехопорное с носовой опорой. Основное шасси балочного типа.

Носовая стойка шасси телескопическая, управляемая (рис. 1.19). Управление осуществляется от педалей тягами, соединяющими валы левых и правых педалей с качалкой на стойке.

Стойка состоит из цилиндра 8 и штока 5 с вилкой переднего колеса 6. Плунжер соединяется с цилиндром стеклопластиковой или алюминиевой рессорой 2, выполняющей функцию пружины и шлиц - шарнира (ход штока вилки - 50 мм.) Предварительный изгиб рессоры (усилие 60 кг.) и фиксацию не обжатого положения стойки обеспечивает лента внутри цилиндра стойки. Стойка крепится к шпангоуту N 1 в 2 точках ‑ нижней и верхней опорах. Верхняя опора из листа Д16 Т толщиной 5 мм, нижняя опора сборная. В опоры вставлены бронзовые втулки. На каждом колесе смонтированы обтекатели или щитки (в случае с низкопрофильными и покрышками и колесами 6.00-6).

Характеристики шасси

Колея 1760 мм. (в стояночном положении)

База 1300 мм.

Радиус разворота 3.3 м.

Основное шасси:

- колеса – 5.00-5 или 6.00-6;

- давление в пневматиках 0,16 {1,6} МПа {кгс/cм²}.

Носовое шасси:

- колесо -5.00-5 или 6.00-6;

- угол поворота +/- 30 град.;

- давление в пневматике 0,16 {1,6} МПа {кг/cм²}.