推拉钢索在发动机操纵系统中的应用研究

航空工业哈飞飞机设计研究所 董云峰 王玉璠

随着科学技术的不断发展，推拉钢索等技术已经越来越多地应用到航空器发动机操纵系统的设计中，在合适的位置应用推拉钢索可有效降低系统的复杂程度。推拉钢索安装简单，节约成本，受外部条件影响小，安装后不需特别维修和保养。笔者对球型推拉钢索操纵系统的适用范围、功能特点、安装方式、参数计算等进行了简要分析，对于含推拉钢索的机械控制发动机操纵系统设计、降低业内人员开展同类操纵系统的设计难度，提供有效依据和指导。

一、推拉钢索应用概述

目前，在国外的航空器飞行操纵系统设计中，众多机型都采用了推拉钢索设计技术，节省了安装空间和系统重量，提高了系统的可靠性和维护性。例如Bell429、EC135 等机型的航向操纵系统、辅助操纵系统，EC175 型机的主旋翼总距操纵系统，以及航向操纵系统中都采用了推拉钢索设计，推拉钢索部件结构如图1所示。

图1 推拉钢索部件结构

钢索组件用于传递作用在操纵杆上的操纵力，由于发动机操纵系统的敷设空间一般曲折且狭窄，发动机操纵系统往往整体或部分采用推拉钢索操纵装置，该装置可以自然弯曲或承受一定的人工折弯，以便适应操纵通道的线系布局。推拉钢索的实质是一个线性滚珠轴承，由于受到外部金属套管的导向限制，不能像线性钢索那样形成回路或只承受拉力，而是通过单片钢片导轨在金属套管中滑动传递推力和拉力，从而传递驾驶员作用于操纵把手的运动。推拉钢索特性的正确应用能显著改善操纵系统的重量、空行程、摩擦力等关键指标。

空行程是推拉钢索由于弹性应变、套管变形和装配间隙等因素产生的无效行程，表现为中心导轨工作时其输入端与输出端位移不一致，它是影响操纵系统精度的重要因素。摩擦力包括启动摩擦力和运动摩擦力，系统摩擦力过大将导致过操纵、不利于回中、难于精确操纵甚至加剧飞机的“诱发震荡”。刚度是推拉钢索在受拉或压时抵抗变形的能力，直接影响到系统的传动关系、稳定性和飞机的颤振临界频率。

推拉钢索在系统设计时，不同长度及不同的布置情况会对空行程、摩擦力及刚度产生影响，从而影响操纵系统性能。通过了解推拉钢索的一些基本机械特性，即钢索处于不同的弯曲状况下，其空行程、摩擦力和刚度的变化情况，可确定最佳的布置曲线。

二、推拉钢索的特点

普通软式钢丝编制的钢索只能承受拉力，不能承压，一般通过固定的滑轮调整传力方向并形成闭合回路，设计时要考虑安装支架的重量问题，钢索随季节温度变化张力会受到影响。

推拉钢索软式操纵系统选用1 根或多根推拉钢索作为其主要传力部件，其余零部件与一般机械操纵系统一致；负载传输效率可高达95%，并且抗压与抗拉能力强，精度高，对温度变化不敏感；推拉钢索更好地替代了柔性钢索或拉杆等常见的传力部件；推拉钢索软式操纵系统不需构成回路系统，不需使用滑轮导向，跟随性好，不需考虑钢索张力和钢索下垂等问题；与硬式操纵相比，推拉钢索软式操纵系统体积小，零部件少，任意方向上运动灵活，使用期间无需调整和润滑。

在选择操纵线系的形式时要根据航空器的性能要求和总体布置来决定。对于上单翼结构飞机，发动机操纵钢索在发动机操纵台到动力舱之间传递运动时，必然存在大量的空间折弯点。针对这种情况，理论上应通过加大钢索转弯半径和转弯角度，缓解空间折弯点对钢索的影响，但在设计钢索走向时，由于过多地强调钢索的免维护性和可弯折性，导致钢索在布局中为避让其他系统，在地板下部和机翼附近存在很多小角度折弯与扭转。折弯和扭转导致了钢索芯变形，内部滑轨不能顺畅地进行直线运动，滚珠与钢索护套内壁接触应力增大，最终表现为空行程和摩擦力增加，进而造成发动机功率控制精度下降。

三、推拉钢索的安装及选择要求

推拉钢索的安装方式对于获得良好的使用效果尤为重要，如图2所示。钢索在自由的横向力作用下，两端及中心轴应当与输入、输出端在同一平面上摆动。需要注意钢索的行程要略大于操纵杆的行程。对于具有内置万向结构的操纵钢索，端头的摆动角β一般为±8°。对于钢索固定点后的部分，需要保留足够长的直段，长度应该大于钢索一半的行程量并且不小于50mm，最小弯曲半径R应在150mm 以上。为了减小运动时钢索摆动的影响，应尽量将第一个固定点位置放置更远以增加“A”的长度。

图2 推拉钢索安装示意

对于推拉钢索的选择和使用，要确定操纵系统输入输出载荷，初步设计出推拉钢索操纵线系的走向和结构主要承力框、梁位置，按照总体方案中的传动比分配和操纵力要求，计算出推拉钢索传递的最大载荷和工作行程。

推拉钢索在运输和储存时最好完全展开或以“8”字形摆放，不能盘绕成圆圈形，长期圈形盘绕可能会的损坏钢索内部结构。在设计操纵系统的结构布局时，应注意推拉钢索与相连的摇臂半径的比例关系，将推拉钢索的运动行程调整到一个合适的大小。防止钢索行程过小使空行程对操纵线系的影响被放大以及操纵效率过低，或因行程过大导致操纵装置的操纵距离和输入端摇臂运行角度过大，占用过多空间且不利于系统响应速度。

选取的推拉钢索摩擦力大小应能满足飞行操纵系统设计规范的要求。在限制载荷范围内，推拉钢索应具有足够的刚度保证钢索不产生有害的或永久的变形，并且在限制载荷范围内，推拉钢索的变形不应产生过大的摩擦力和位移偏差。

推拉钢索终端部件能适应操纵线系接口要求，并应考虑终端部件的成本和重量等问题。通常推拉钢索与操纵摇臂连接采用杆端轴承，推拉钢索的互相连接采用联轴节。同样长度的推拉钢索与硬式操纵的拉杆摇臂组成的线系相比，其重量并不占优势，对于重量严格控制的操纵系统在选择推拉钢索时应该加以注意。

在限制载荷范围内，推拉钢索应具有足够的刚度保证钢索不产生有害推拉钢索的刚度和弯曲数量有关，弯曲数量越多，推拉钢索刚度越差。通过在推拉钢索弯曲处固定卡箍，可以改善推拉钢索的刚度，但需注意卡箍不宜拧的过紧以免造成推拉钢索摩擦力增大和传递效率下降。根据经验，小载荷（400 ～800N）的推拉钢索在直线情况下空行程大小可保持0 ～0.1mm。

钢索卡子的安装间隔和拧紧程度对推拉钢索的刚度和摩擦力大小均有影响，通过合理的布置钢索卡子可以有效改善推拉钢索的使用性能。推拉钢索在安装时应避免出现小角度弯曲、连续空间折弯等情况，基于经验理论，以大于120°为宜，其安装半径不应小于最小安装半径或折成“V”字形。

四、推拉钢索在某型固定翼飞机上的应用

发动机作为动力来源，控制发动机工作的发动机操纵线系是发动机精确控制的有力保障，原有的发动机钢索设计在使用中暴露出很多问题，某机型发动机操纵系统在设计上借鉴了“空中国王”等飞机的设计经验，在与其他机型进行对比之后，拟采用软式球型推拉钢索与软式钢索组合的形式替代原有钢索，从而实现发动机操纵系统的精确控制和稳定控制。

发动机中央操纵台位于飞机驾驶舱中部，其包括6个操纵把手，分别控制左、右发动机的功率、螺旋桨和燃油状态。对应每个把手设计有一套操纵钢索，操纵那个钢索通过叉耳接头与把手摇臂相连，通过固定装置经地板下分为左右两路沿驾驶舱壁板转向到飞机左右客舱之中，并沿着客舱进入机翼前缘，最终穿过结构防火墙进入发动机舱，并与发动机上的控制摇臂相连，从而使得飞行员能够在驾驶舱中自由控制发动机。

为了便于安装和型号归并，将左、右每组操纵部件的操纵钢索设置为3 根，其中，前、中段采用常规的球形推拉钢索，而后段用于连接发动机端，且位于高温的动力舱，需要分别控制功率、螺旋桨和燃油，具备足够的柔性，因此采用安装和走向更为灵活的柔性推拉钢索。该钢索具有防火能力，但相较球形推拉钢索相比，摩擦力和空行程略有增加，但整体指标满足发动机操纵系统要求，且在发动机功率输入摇臂处设计有弹簧阻尼装置，能够有效减少钢索折弯过多导致的空行程。操纵钢索安装布局如图3所示。

图3 某型机发动机操纵钢索安装布局图

按照适航条例CCAR23R3 中要求，发动机舱着火时每个动力装置的操纵部分至少是耐火的。同类型钢索具备在国内外民机上使用经验，防火性能得到了验证。

为了将作用在操纵手柄上的弧线运动转化为钢索的直线运动，目前操纵台内部使用了切线控制盒，但该成品重量大，增加了结构复杂性，占用维护空间，内部的齿轮齿条结构可靠性及精度差。通过参考“空中国王”等机型的经验，本次改进方案计划在发动机和操纵台两端首次采用了内置万向推拉钢索，不仅节省了空间而且能更直观的传递操纵力，与原钢索组件相比，由于取消了位于客舱两侧的信号采集组件，占用运动空间更少，安装形式也更为简单，便于与操纵摇臂运动角度变化匹配。

该型机发动机操纵系统采用了法国凯旋控制公司的成熟货架产品，如图4所示。该产品每段长度约在3 ～4m，使用行程约60mm，限制行程为70mm；限制载荷为150N，极限载荷为300N；推拉钢索安装到操纵系统后，在加载的情况下，推拉钢索摩擦力≤10N；刚度在100N 力的作用下产生的变形≤0.18mm。前、中段采用了57CF 系列球型推拉钢索，为了减少发动机运行过程中的振动导致的钢索抖动和位移问题，该型机首次在发动机端采用了6VF 系列柔性推拉钢索，将功率钢索和油门钢索固定点从防火墙移至发动机本体上，利用钢索柔性消除振动，减少两者间的相对位移，提高操纵精度。

图4 操纵钢索连接示意图

1.推拉钢索运动行程计算

根据成品厂家提供的技术参数，钢索自由端压缩后最小伸出长度为27mm，最大伸出长度为97mm，即钢索自由端总行程为70mm。以某型机发动机“油门”操纵系统为例，飞机发动机端燃油控制机构共设有3个位置，分别为“停车”“低慢”和“高慢”位置。为了确保发动机操纵台端把手运动位置与发动机端对应，设计时考虑选取发动机“低慢”位置作为基准，“停车”与“低慢”间的角度为21.5°，“低慢”与“高慢”间的角度为24.5°。因此，通过对应的比例关系，在70mm 长度范围中，可以确定发动机操纵台端钢索“中立”位置长度应为105.3mm，发动机连接端钢索“中立”位置长度应为102.7mm。

2.空行程及摩擦力计算

在系统正常工作情况下，其空行程不超过总运动行程的2%或3mm，因此，操纵系统需尽量减少操纵节点，注意零件公差配合和线系布局的顺畅性。按厂家提供的理论公式B=K1+K2FL+K3θ，可以对空行程进行估算。其中，K1反映钢索内部结构对参数的影响，取值为0.127mm，K3为每个90°下软轴的机械间隙为0.17mm，按10kg 拉压载荷下机械变形为0.3mm。油门钢索目前布局形式下总角度约为900°，因此间隙为K3θ为1.7mm；K2是特征量，反映钢索自身力学性能，取值0.3，载荷F按30N 操纵力计算，K2FL为0.8mm。即理论计算发动机操纵系统钢索空行程B为2.62mm，实际装机后测量效果基本与理论值接近。

推拉钢索的摩擦力是其自身品质的体现，此外与钢索终端部件数量/密封件数量、钢索长度和弯曲角度有关。根据查阅相关资料，钢索摩擦力可按以下公式计算，F=1/2 （K4+K5L+K6θ+K11J），其中，K4为3.3375N，K5为0.5107N/m，K6为0.0089N，K11为0.445N，θ为总弯曲角度，根据某型机机身布局的结构形式，该角度取900°，J为分段接头数，L为钢索总长度（约8.6m），计算得出F为8.31N。从结果来看，取消信号采集组件后钢索内部摩擦力数值比较令人满意，在实际操纵中可通过摩擦锁摇臂调整手柄初始力值使操纵杆操作手感达到理想状态。

五、结论

发动机操纵系统作为飞机中关键组成部分，稳定性差和精确度低等问题可能直接影响飞行员操作体验。推拉钢索在航空器发动机操纵系统设计中应用较为普遍，在合适的位置使用推拉钢索可有效减少系统复杂度。笔者对推拉钢索的安装、选择要求及优势等方面进行说明，并且对其在固定翼飞机上的实际应用进行介绍，对于含推拉钢索的机械飞行操纵系统设计具有一定的实用价值。