某型飞艇储能式气压制动机构设计与试验验证

苏小东 张猛 张常东

摘 要：本文为解决某型飞艇动力转向装置在发动机启动时会产生的振动对飞艇运行产生的不利影响，设计了储能式气压制动机构并试验验证。其选用高摩擦系数材料保证足够的摩擦力矩，并采用低成本空气源作为驱动能源，具有良好的环保性和经济性。为后续制动研究提供了一定的工程经验。

关键词：飞艇;气压制动;制动试验

1.引言

飞艇是利用轻于空气的气体来产生静升力的空中搭载平台[1]。某型飞艇在发动机起动阶段，发动机与螺旋桨的振动影响飞艇运行的稳定性和安全性。因此，有必要对飞艇动力矢量转向装置进行锁紧。

2.气压制动设计

2.1原理和组成

飞艇安装空间及重量有限，选用结构紧凑、重量轻便的蹄片式毂刹，且将制动液压源改为经济性好的空气，结构组成见图1。制动毂刹底盘作为定盘固定在发动机安装框架上，毂刹动盘固定在转向管上。当发动机起动时，进气阀开启，排气阀关闭，高压空气由气瓶通过高压管路作用于毂刹气缸，达到快速制动转向管的目的。发动机运行稳定后，进气阀关闭，排气阀开启。

制动毂刹双蹄片制动力矩限制在Tf≈1000N?m，单瓶高压气源可提供的制动次数不小于10次。

2.2分析与设计

2.2.1制动毂刹

制动机构受力分析见图1。理论上对制动蹄摩擦面的压力分布规律作分析可推导出蹄片上任意一点压力及沿摩擦片全长总的摩擦力矩公式[2]：q=q0?sin;;式中：q0为制动蹄片最大压力;为制动蹄片摩擦片下端与竖直方向的夹角，其中1=π?6，2=5π?6;Tf为蹄片制动力矩，单个蹄片制动力矩Tf≈500N?m;f为摩擦系数，f=0.35;R为制动蹄片半径，设计R=114.3mm。计算q0="63131.9N" 。由力矩平衡分析[2]：;式中：P为气动气缸柱塞张力;M为制动蹄片支承点到圆心得距离，M=90mm;h为制动蹄片支承点到作用力的距离，h=173mm。计算P="2666.5" N。

综合选用气动气缸缸径23mm;双柱塞行程5mm;工作压力不小于10MPa;双柱塞速度2.5m/s的低速气缸。

2.2.2高压气源

选定安全可靠的空气作为气压源。气压制动的过程中，由质量守恒：pi×V0+pa×（Vqg+Vgl ）=pi+1×（V0+Vqg+Vgl ）

式中：pi为第i次放气后高压气瓶的压力;pa为制动毂刹气缸及管路初始压力（标准大气压：pa=101325Pa）;V0为高压气瓶容积;Vqg为制动毂刹气缸容积，满行程时容积Vqg=4.52389×10-6 m3;Vgl为高压管路容积，Vgl=7.53982×10-5 m3。

为满足毂刹制动需求，设计高压气瓶初始压力p0=15MPa，高压气瓶第10次放气制动后，其气压p10≥10MPa，其他项按技术指标计算可知：V0≥4.25×10-3 m3，高压气瓶容积余量系数取ε=2，即高压气瓶容积V=εV0=8.5×10-3 m3。

综合选定高压气瓶为LC8.5-15A型铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶，参数如为[3]：额定容积8.5L，公称外径171mm，公称长度512mm，公称重量3.8kg，额定工作压力15MPa。

2.2.3高压管路及附件

设计选用高压管路直径d=4mm，满足密封和压力要求。附件进排气阀选用耐高压P≥15MPa、温度范围-40℃～+50℃的双柱塞直通阀。

3试验验证

开展制动力矩试验及制动次数试验。

当气瓶压力的变化范围为20MPa～5MPa时（每次间隔2.5MPa）进行制动机构输出的制动力矩测试：压力降至17.5MPa时，力矩为3261N·m（判定合格）;压力降至9.8MPa时，力矩为1600N·m（判定合格）;压力降至7.5MPa时，力矩为950N·m（判定不合格）。即当气瓶压力降至10MPa及以下，大于7.5MPa的某一值，鎖紧机构的制动力矩不小于1000N·m。试验结果满足要求。对单瓶高压气源进行制动测试，气压由15MPa降至10MPa的测试其制动次数及制动力矩。由试验结果分析，单瓶高压气源充放气总次数达30次且制动力矩均不小于1000N·m，满足要求。

4结论

1）气压制动机构功能满足要求;重量轻便，仅18.5kg;制动力矩随高压气瓶不同压力成线性变化，稳定可靠;制动次数余量充足，性能指标超出预期。

2）用气缸驱动替代液压缸驱动的形式，具有较好的环保性、经济性和创新性。

参考文献

[1]基里林·阿列克桑德拉·尼卡拉伊维奇.现代飞艇设计导论[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]刘惟信. 汽车制动系的结构分析与设计计算[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]全缠绕复合气瓶产品手册 北京天海工业有限公司90D7F795-1993-46CD-9DA9-EE759C18A4AA