WYBRANE PROBLEMY BADAŃ PODWOZIA STATKU POWIETRZNEGO

Transkrypt

1 Marek ROŚKOWICZ Piotr LESZCZYŃSKI Wojskowa Akademia Techniczna PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 39, s , 2016 r. DOI /afit WYBRANE PROBLEMY BADAŃ PODWOZIA STATKU POWIETRZNEGO W artykule zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych wykonywanych w zakresie statycznej próby wytrzymałościowej podwozia głównego samolotu lekkiego i wyznaczenia charakterystyki pneumatyka koła podwozia głównego. Badania były wykonywane zgodnie z metodykami wykonywania testów na potrzeby rozwiązań wprowadzanych do konstrukcji lotniczych. Stwierdzono, że statyczne próby wytrzymałościowe podwozia nie powinny być realizowane z wykorzystaniem amortyzatorów, ponieważ element ten, wykazujący silne właściwości lepkosprężyste, obciążony statycznie ulega przemieszczeniom niespotykanym w normalnej eksploatacji statku powietrznego. Ponadnormatywne przemieszczenia amortyzatora powodują, że rozkład obciążeń w pozostałych elementach podwozia jest niezgodny z założeniami konstrukcyjnymi, co w konsekwencji prowadzi do przerwania próby przy istotnie niższych obciążeniach od zakładanych. Stwierdzono również, że do wyznaczania charakterystyk pneumatyka nie ma potrzeby wykonywania testów na całej goleni podwozia, ponieważ wyniki otrzymywane w próbie ściskania samego koła z pneumatykiem są identyczne jak w próbach prowadzonych zgodnie z metodyką. Proces przygotowania do testów z użyciem samego koła oraz ich realizacja jest mniej czasochłonna i mniej kosztowna oraz dodatkowo nie powoduje konieczności budowania złożonych stanowisk badawczych. Słowa kluczowe: statek powietrzny, podwozie samolotu, obciążenia podwozia, badania wytrzymałościowe, charakterystyka pneumatyka. Wstęp Podwozie jest elementem konstrukcyjnym, który umożliwia postój i poruszanie się samolotu po powierzchni stałej np. podczas wykonywania operacji startu i lądowania statku powietrznego [1 4]. Podczas manewru lądowania na podwozie działają bardzo duże obciążenia. Są one związane z masą samolotu oraz jego prędkością opadania i prędkością postępową w momencie przyziemienia. W przypadku gdy obciążenie oddziałujące na podwozie przekroczy wartość graniczną,

2 80 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI podwozie zostanie uszkodzone, co uniemożliwi dalszą eksploatację statku powietrznego lub spowoduje jego zniszczenie. Konstrukcja podwozia powinna być z jednej strony dostatecznie wytrzymała na wszystkie przewidziane obciążenia, natomiast z drugiej strony nie może być zbyt przewymiarowana, aby ulegając odkształceniom lub nawet zniszczeniu zabezpieczała przed uszkodzeniami pozostałe części struktury płatowca [5 8]. Obciążenia, jakie mogą wystąpić w podwoziu podczas najbardziej newralgicznej operacji lotniczej lądowania statku powietrznego, są precyzowane przez przepisy lotnicze. Ponieważ podwozie samolotu należy do tzw. elementów pierwszorzędowych konstrukcji, które mają bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo wykonywania operacji lotniczych, obliczenia wytrzymałościowe podwozia są walidowane w wielu testach eksperymentalnych. Celem wykonanych badań była ocena metodyki realizacji testów eksperymentalnych w dwóch obszarach badawczych: podczas wykonywania stoiskowej statycznej próby wytrzymałości podwozi oraz podczas badania pneumatyka koła podwozia. 1. Statyczna stoiskowa próba wytrzymałości podwozia głównego samolotu lekkiego Badania w zakresie próby wytrzymałościowej podwozia głównego są prowadzone w celu wyznaczenia poziomu wytężenia układu podwozia i polegają m.in. na określaniu pól odkształceń i naprężeń podstawowych elementów konstrukcyjnych podwozia. Obiektem, na którym zostały zrealizowane badania, był trójprętowy zespół podwozia głównego samolotu lekkiego (masa całkowita samolotu = max. 750 kg), składający się z goleni podwozia wraz z osią koła, zastrzału, amortyzatora oraz dwóch węzłów mocowania goleni i zastrzału do kadłuba (rys. 1). Zespół podwozia został poddany obciążeniom przewidzianym w tzw. programie prób statycznych. Wartości zewnętrznych obciążeń składowych do programu próby zostały obliczone zgodnie z wytycznymi zawartymi w dokumentach normatywnych [9] i wynosiły odpowiednio: siła pionowa Pz = N oraz siła pozioma Px = N. Ponieważ jednym z istotnych przypadków obciążeniowych podczas badania podwozia jest zagadnienie lądowania statku powietrznego na jedno koło, przeprowadzono również testy eksperymentalne w tym obszarze.

3 Wybrane problemy badań podwozia statku powietrznego 81 Rys. 1. Schemat próby (fot. P. Leszczyński) Do przeprowadzenia próby lądowania na jedno koło wykonano stanowisko z węzłami montażowymi (rys. 2), odzwierciedlającymi warunki dystrybucji obciążenia występującymi podczas lądowania samolotu na jedno koło. Rys. 2. Sposób mocowania podwozia na stanowisku pomiarowym widok od strony zastrzału (fot. P. Leszczyński)

4 82 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI Obciążenie w układzie zostało wygenerowane za pomocą układu hydraulicznego, a pomiar sił odbywał się z wykorzystaniem siłomierza typu CL14 o zakresie pomiarowym 100 kn. W czasie przeprowadzania próby rejestrowane było odkształcenie elementów podwozia. W tym celu wykorzystano ośmiokanałowy, elektroniczny wzmacniacz tensometryczny Strain Master firmy ESA Messtechnik GmbH oraz elektrooporowe czujniki tensometryczne typu liniowego o rezystancji 120 Ω. Czujniki tensometryczne zostały naklejone na elementach podwozia zgodnie ze schematem prezentowanym na rys. 3. Rys. 3. Schemat naklejenia tensometrów na elementach wózka podwozia W obszarze analizy wytrzymałościowej podwozia lotniczego oprócz badań wytrzymałościowych jego elementów konstrukcyjnych, testom podlegają koła z zamontowanymi pneumatykami. Są to elementy, które mają istotny wpływ na warunki pracy amortyzatora i również w istotny sposób uczestniczą w procesie przekazywania obciążeń związanych z lądowaniem statku powietrznego. W związku z tym ich cechy użytkowe (m.in. podatność na obciążenie mierzona ugięciem pneumatyka) mają bezpośredni wpływ nie tylko na trwałość konstrukcji, ale również na bezpieczeństwo wykonania operacji lądowania.

5 Wybrane problemy badań podwozia statku powietrznego Badanie pneumatyka Celem badań było wyznaczenie charakterystyki ugięcia koła h poddanego obciążeniu zewnętrznemu. Próbom poddano koło podwozia samolotu PZL-104 Wilga o wymiarach Ø500x200. Do testów wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZD-10. Testy eksperymentalne zostały wykonane w dwóch wariantach, tzn. z wykorzystaniem samego pneumatyka obciążanego bezpośrednio w maszynie wytrzymałościowej (wariant I) oraz obciążanego za pomocą układu pomocniczego symulującego warunki eksploatacji koła zamontowanego na osi (wariant II). A. Wariant I Do wykonania testów badane koło zostało napełnione gazem roboczym (powietrze) do wartości ciśnienia równego 0,15 MPa, po czym umieszczono je pomiędzy trawersami (belkami poprzecznymi) maszyny wytrzymałościowej w taki sposób, aby pionowa oś symetrii szczęk pokrywała się z osią symetrii pneumatyka. W celu zwiększenia powierzchni styku z oponą zastosowano dwie płyty wykonane z twardego drewna (rys. 4). W celu odwzorowania przypadków występujących w eksploatacji statków powietrznych związanych z tzw. obniżonym ciśnieniem załadowania pneumatyka przeprowadzono również pomiary dla mniejszych wartości ciśnienia w oponie. Rys. 4. Schemat próby dla wariantu I, z zaznaczeniem kierunku i zwrotu działającego obciążenia

6 84 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI B. Wariant II Na potrzeby wykonania badań zgodnie z wariantem II skonstruowano układ mocowania koła odwzorowujący warunki montażu pneumatyka z widelcem koła (rys. 5). Układ ten stanowiły: dwa kątowniki z wyciętymi pryzmami oraz dospawanymi śrubami M10 w celu przykręcenia kątowników do tzw. pająka; tzw. pająk przyrządu do zdejmowania opon; oś stalowa o średnicy 42 mm; dwie płyty z twardego drewna. Rys. 5. Schemat próby dla wariantu II, z zaznaczeniem kierunku i zwrotu działającego obciążenia (fot. P. Leszczyński) Oś symetrii koła ustawiono równolegle do trawersy maszyny wytrzymałościowej. W badaniu koło zostało poddane obciążeniu ściskającemu, jednostronnemu (warunki obciążenia zbliżone do warunków eksploatacji podwozia). Obciążeniu podlegała tylko jedna strona opony. W testach ponownie wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZD-10, a warunki przeprowadzenia próby (m.in. czas obciążenia) były identyczne jak w wariancie I.

7 Wybrane problemy badań podwozia statku powietrznego Wyniki pomiarów 3.1. Statyczna stoiskowa próba wytrzymałości podwozia głównego samolotu lekkiego Dla realizowanej próby przyjęto maksymalne przykładane obciążenie Pmax = N. Podwozie było obciążane stopniowo, z krokiem co 10%. Jednak po uzyskaniu 50% obciążenia P max nastąpiło niezaplanowane, nadmierne skrócenie amortyzatora, wynikające ze specyfiki konstrukcji wózka podwozia, co spowodowało inny niż zakładany dla próby rozkład sił przyłożonych do podwozia (rys. 6). Rys. 6. Widok amortyzatora po skróceniu części tłumiącej W związku z brakiem możliwości osiągnięcia Pmax, obciążenie w próbie zredukowano do poziomu 50% Pmax, a następnie samą próbę przerwano. Wartości odkształceń zarejestrowane na elementach konstrukcyjnych podwozia przedstawiono w formie graficznej na rys. 7. Wartość ujemna odkształcenia oznacza występowanie w układzie obciążenia powodującego ściskanie elementu podwozia, natomiast wartość dodatnia rozciąganie elementu.

8 86 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI 350 Odkształcenie ε w funkcji obciążenia P ε [μm/m] P [%] węzeł goleni goleń (wewn.) goleń (zewn.) amortyzator (wewn.) amortyzator (zewn.) węzeł zastrzału zastrzał (wewn.) zastrzał (zewn.) Rys. 7. Odkształcenie ε w funkcji obciążenia P 3.2. Badanie pneumatyka A. Wariant I Pneumatyk został obciążony obustronnie poprzez ściskanie, więc przemieszczenie całkowite trawersy maszyny wytrzymałościowej było sumą symetrycznego odkształcenia części górnej i dolnej opony. W warunkach rzeczywistych ugięciu ulega tylko dolna część opony, mająca kontakt z podłożem. W związku z tym otrzymane wartości przemieszczenia maszyny wytrzymałościowej dzielono przez 2 (liczba reakcji występujących w obciążonej oponie) i w postaci graficznej zaprezentowano na rys. 8.

9 Wybrane problemy badań podwozia statku powietrznego 87 Wykres zależności wartości ugięcia dolnej części opony h od obciążenia P przy stałej wartości ciśnienia p 50 Ugięcie opony h [ mm ] p=0,15 MPa p=0,14 MPa p=0,13 MPa p=0,12 MPa p=0,11 MPa p=0,10 MPa p=0,09 MPa p=0,08 MPa p=0,07 MPa Obciążenie P [ N ] Rys. 8. Wykres zależności wartości ugięcia dolnej części opony h od obciążenia P przy stałej wartości ciśnienia p Cechą charakterystyczną badania pneumatyka jest to, że przeprowadza się je dla różnych wartości ciśnienia powietrza w oponie, tworząc w ten sposób całą rodzinę krzywych. W analizowanym przypadku wartość maksymalna ciśnienia jest równa 0,15 MPa. W kolejnych krokach dokonano redukcji ciśnienia powietrza w oponie, co przeprowadzono z krokiem 0,01 MPa do wartości 0,07 MPa. B. Wariant II Wyniki otrzymane w drugim wariancie badań pneumatyka zaprezentowano na rys. 9. W celu wykonania analizy porównawczej wyników pomiarów pomiędzy wariantem pierwszym oraz wariantem drugim, również w tym przypadku przyjęto maksymalną wartość ciśnienia w oponie 0,15 MPa, a następnie redukowano ją z krokiem 0,01 MPa do poziomu 0,07 MPa. Otrzymana rodzina krzywych pneumatyka (powstała w wyniku zmiany ciśnienia gazu w pneumatyku) jest wykorzystywana przez konstruktora do określania

10 88 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI maksymalnej wartości ugięcia pneumatyka oraz do szacowania możliwości tłumiących całej goleni podwozia (pneumatyk + amortyzator). W procesie eksploatacji charakterystyki pneumatyka są wykorzystywane do definiowania parametrów diagnostycznych koła podwozia Wykres zależności wartości ugięcia opony h od obciążenia P przy stałej wartości ciśnienia p Ugięcie opony h [ mm ] p=0,15 MPa p=0,14 MPa p=0,13 MPa p=0,12 MPa p=0,11 MPa p=0,10 MPa p=0,09 MPa p=0,08 MPa p=0,07 MPa Obciążenie P [ N ] Rys. 9. Wykres zależności wartości ugięcia opony h od obciążenia jednostronnego P przy stałej wartości ciśnienia p 4. Wnioski Reakcje powstałe w elementach podwozia obciążanego statycznie różnią się od reakcji powstających w próbach dynamicznych, w których oprócz sił zewnętrznych występują również siły bezwładności. Dodatkowo czas przeprowadzania próby statycznej jest niewspółmiernie dłuższy od czasu wystąpienia obciążeń w rzeczywistych warunkach eksploatacji podwozia statku powietrznego. W związku z tym w próbach statycznych podwozia z zamon-

11 Wybrane problemy badań podwozia statku powietrznego 89 towanym amortyzatorem (element o silnych właściwościach lepkosprężystych) we wszystkich elementach konstrukcyjnych podwozia mogą pojawić się pozaeksploatacyjne przemieszczenia, które nie występują w warunkach rzeczywistych. Dlatego też próby statyczne podwozia powinny być wykonywane bez amortyzatorów, z wykorzystaniem np. elementów zastępczych. W przeprowadzonym teście, mimo bardzo dużych widocznych przemieszczeń poszczególnych elementów podwozia, naprężenia dla największego obciążenia w badanych strefach nie przekroczyły wartości 70 MPa. Fakt ten ponownie potwierdza konieczność demontażu amortyzatora do prób statycznych, ponieważ otrzymane wyniki nie odzwierciedlają stanu wytężenia konstrukcji podwozia w warunkach rzeczywistych. Aby otrzymać wiarygodne wyniki pomiarów, testy pneumatyka zgodnie z metodyką należy wykonywać z wykorzystaniem dodatkowych elementów koła np. z zamocowaną osią koła. Bardzo często takie rozwiązanie utrudnia realizację testów oraz wymaga rozbudowy stanowiska laboratoryjnego. W badaniach własnych, oprócz rozwiązania zgodnego z metodyką, przeprowadzono także testy metodą uproszczoną umieszczając koło pneumatyka bezpośrednio pomiędzy trawersami maszyny wytrzymałościowej. Rezultaty otrzymane w badaniu bez widelca pokrywają się z rezultatami otrzymanymi w badaniu z widelcem. W związku z tym proponowane zmiany w metodyce badania pneumatyka nie wpływają istotnie na otrzymywane wyniki, a sam sposób realizacji badań metodą uproszczoną jest korzystniejszy organizacyjnie i czasowo. Literatura 1. Cymerkiewicz R.: Budowa samolotów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Danilecki S.: Konstruowanie samolotów. Wyznaczanie obciążeń. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Danilecki S.: Projektowanie samolotów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Dulęba L.: Samoloty RWD. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Glass A.: Polskie konstrukcje lotnicze Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Kundu A.: Aircraft design. Cambridge University Press, Cambridge Pilecki S.: Lotnictwo i kosmonautyka. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1984.

12 90 Marek ROŚKOWICZ, Piotr LESZCZYŃSKI 8. Szulżenko M.N., Mostowoj A.S.: Konstrukcja samolotów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa