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    基于氣動技術的飛機起落架壓差變送器開發及應用

    作時間:2019-09-19  來源:  作者:
       
    摘 要: 固定翼飛機起落架的工作過程、原理、結構、傳動及其控制系統是航空類專業的重要知識內容。起落架系統結構復雜,現有教學條件難以滿足教學需要,基于此,論述了基于氣動技術的飛機起落架壓差變送器開發。運用人機工程,將其設計為一種便攜式教學演示設備;诿窈焦潭ㄒ盹w機起落架結構進行壓差變送器機械結構設計,采用氣壓傳動作為系統動力驅動,基于 PLC 實現設備演示的控制功能,其演示動作及其流程與民航客機起落架的收放動作完全一致。該設備已在我校成功應用,顯著提高了相關知識內容的教學效果。
    引言
    固定翼飛機起落架系統是飛機上#為復雜的系統之一,其工作性能直接影響到飛機起飛、著陸的穩定性和安全性,其收起和放下過程必須按照嚴格的順序,執行一系列的復雜動作 [1 -3] 。
    飛機起落架系統是航空類專業航空概論、飛機構造等課程的重要學習內容之一。在進行飛機起落架相關內容的教學中,通過現有的課本、圖片、視頻等教學手段,很難讓學生對固定翼飛機起落架的構成及其工作過程有較好的理解。雖然結合飛機起落架實物進行教學效果會好一些,但是由于飛機系統龐大,飛機上各種元器件、管路、電路復雜,飛機起落架的某些關鍵結構隱藏于狹小空間,依然很難看透、理清起落架系統的各部件及其關系;而且,真實起落架體積龐大,價格昂貴,占地面積大,需要專用車間才能存放,且數量有限,無法滿足班級授課要求。演示其工作過程需要將飛機吊起,給班級授課帶來較大麻煩;诖,本研究論述了基于氣動技術的飛機起落架壓差變送器開發 [4 -5] 。
    1 起落架結構設計
    1. 1 總體結構
    飛機起落架壓差變送器主要包括壓差變送器機架、艙門及起落架收放演示機構和電氣控制柜 3 部分?傮w結構如圖 1 所示:其中 1 為機架,2 為艙門及起落架收放演示機構,3 為電氣控制柜。
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    機架用鋁型材拼接,這種結構wuxu任何表面噴涂,具有拼接組裝簡便、結構強度高、重量輕等優點。為了便于設備移動,機架下方裝有 4 個萬向腳輪,上方橫梁上裝有2 個鋁合金把手(見圖中6 和4 所示)。機架分上下兩層結構:電氣控制柜位于機架下層,艙門及起落架演示機構位于機架上層。此外在機架上層橫梁一側還裝有操作及狀態顯示面板(見圖中 5 所示)。
    1. 2 壓差變送器主要參數
    壓差變送器機架的結構充分考慮操作便利性,結合人機工程理論,將其設計為一種便攜式教學壓差變送器,其主要參數如表 1 所示[6 -7] 。
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    1. 3 起落架收放機構設計
    固定翼起落架結構復雜,其收起及放下過程必須按照嚴格的順序執行一系列復雜動作。固定翼飛機起落架收放方式主要有沿縱向收放和沿橫向收放 2 種。固定翼飛機前起落架,安裝于機身段前部,通常采用沿縱向(前后方向)收放方式;主起落架安裝于機翼下方,通常采用沿橫向(左右方向)收放方式。本研究所述的飛機起落架壓差變送器參考民航客機前起落架結構 [8 -9] 。
    飛機前起落架的收放機構,主要包括艙門開啟關閉機構和起落架收起放下機構及其安全保護機構。
    1) 艙門機構
    固定翼前起落架艙門由主艙門和副艙門組成:主艙門在起落架收起及放下過程中打開,起落架收起或放下完成后主艙門關閉;副艙門在起落架收起完成后關閉,其余狀態下均是打開。
    本研究所開發的飛機起落架壓差變送器的艙門結構如圖 2 所示。左右 2 個主艙門分別通過合頁鉸接于機身段兩側的側邊縱向梁,主艙門驅動氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁側邊和主艙門,主艙門驅動氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅動主艙門的開啟與關閉。副艙門通過合頁鉸接于其中 1 個主艙門,副艙門驅動氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于該副艙門所安裝的主艙門及副艙門,副艙門驅動氣缸活塞桿的伸出與縮回即可驅動副艙門的開啟與關閉。
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    2) 起落架收放機構
    固定翼飛機的起落架收放機構主要功能是完成起落架的收起與放下,以及在收起狀態下實現起落架在收起位置的鎖定(上位鎖)和在放下狀態下實現起落架在放下位置的鎖定(下位鎖)。
    飛機起落架壓差變送器的起落架結構如圖 3 所示。起落架主體上端通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁下方,起落架收放驅動氣缸兩端分別鉸接于起落架下方的機輪支架和機身段中心縱向梁下方另一側,起落架收放氣缸活塞桿的伸出和縮回即可驅動起落架的放下與收起。
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    與民航客機結構一樣,該壓差變送器起落架上位鎖采用掛鉤式結構,掛鉤鎖下方有掛鉤銷子,起落架機輪支架上有掛鉤,掛鉤鎖中部通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁上方,上位鎖驅動氣缸兩端分別通過銷軸鉸接于掛鉤鎖上端和機身段中心縱向梁上方。當起落架處于收起位置時,通過上位鎖驅動氣缸活塞桿的伸出與縮回,即可驅動掛鉤鎖逆時針和順時針旋轉,即可實現掛鉤與掛鉤銷子的掛上與脫開,完成上位鎖的上鎖與解鎖[10] 。
    起落架下位鎖采用撐桿鎖結構,如圖 4 所示。撐桿鎖由上撐桿 2 和下撐桿 1 通過銷軸鉸接而成,上撐桿與下撐桿之間可以相對轉動實現兩撐桿的折疊與打開,當完全打開后兩撐桿夾角呈圖示鈍角位置,在兩撐桿鉸接處有機械限位裝置,使得該位置為其轉角極限位置。上撐桿中部通過銷軸鉸接于機身段中心縱向梁上方,下撐桿另一端通過銷軸鉸接于起落架機輪支架,下位鎖驅動氣缸的兩端分別通過銷軸鉸接于上撐桿另一端和機身段中心縱向梁上方。當起落架處于放下位置時,通過下位鎖氣缸活塞桿的伸出與縮回,可實現兩撐桿的折疊與打開,即實現下位鎖的解鎖與上鎖。
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    2 氣動控制系統設計
    民航客機起落架收起過程動作順序為:主艙門開啟;下位鎖解鎖;起落架收起;上位鎖上鎖;主艙門關閉;副艙門關閉。其放下過程動作順序為:主艙門開啟;副艙門開啟;上位鎖解鎖;起落架放下;下位鎖上鎖;主艙門關閉。在收放過程中,必須嚴格按照上述動作順序完成。與民航客機一樣,飛機起落架壓差變送器演示起落架收放過程時,也需要執行相應的動作。飛機起落架壓差變送器的所有演示動作采用氣缸驅動,其氣動控制系統包括氣壓傳動控制系統和電氣控制系統兩部分。
    2. 1 氣壓傳動控制系統
    氣壓傳動控制系統用于對驅動上述動作的氣缸的控制,即控制其活塞桿的伸出與縮回,氣動控制回路圖如圖 5 所示。
    該系統共有 6 個雙作用氣缸,由 5 個雙電二位五通電磁換向閥控制其換向。其中,由于左右艙門執行的是同時完成的動作,箂hou笥也彰毆燦?1 個換向閥。每個氣缸配置節流閥,均按照排氣節流配置。在每個氣缸缸筒兩端安裝磁性開關(S1 ~ S12),磁性開關的位置與執行機構動作狀態位置對應,分別用于檢測所驅動的機構的位置狀態,該信號代表所控制執行機構的動作是否完成到位。在起落架收放過程中,通過該信號控制起落架收放過程中的動作順序 [10] 。
    2. 2 電氣控制系統設計
    起落架壓差變送器的電氣控制系統主要實現對氣動控制回路中電磁閥的控制以及系統的操作、保護、狀態顯示等功能,其電氣系統如圖 6 所示。該系統選用S7-200 系列 PLC 控制,PLC 的 CPU 為 224XP;并配置擴展模塊 EM223。PLC 輸入信號主要包括:系統操作指令,經操作面板按鈕輸入;各個執行機構位置狀態信號,經安裝于氣缸的磁性開關輸入;氣源壓力信號,經安裝于氣源的壓力變送器輸入。PLC 輸出信號主要包括:電磁閥電磁鐵通/斷電:根據輸入狀態信號,控制電磁閥相應電磁鐵的通/斷電;狀態信號顯示:將當前狀態信號輸出至操作面板上的指示燈。起落架壓差變送器用于課堂演示飛機起落架的收放過程,在系統程序設計時,其收放過程有兩種工作模式:自動工作模式與手動工作模式。在自動模式下,按下收起或放下按鈕,起落架系統就會按照程序設定動作順序,依次完成起落架收起或放下過程中的各個動作 [11 -12] 。當動作全部完成后,通過指示燈顯示起落架的當前狀態 (即收起完20190919111330.jpg20190919111340.jpg成或放下完成)。自動模式下運行起落架收起或放下之前,起落架必須是處于對應的放下完成或收起完成狀態;否則必須通過手動模式將起落架復位到對應的狀態。自動模式的演示,與飛機正常工作時的工作流程完全一致。手動模式用于單步演示飛機起落架的收放動作,通過按下相應操作按鈕,每次執行一步相應動作。由于飛機起落架收放過程中所執行的每一步動作都是有前提條件的,這個前提條件就是其它各個機構處于對應的位置狀態。為了保護起落架機構,在手動模式下,如果相關機構的位置狀態不滿足執行該動作的條件,即使按下執行該動作按鈕,該動作也不會執行。例如:艙門關閉狀態下,即使按下起上位鎖開鎖的單步指令,該下位鎖也不會打開。因此,手動模式亦可用于起落架工作流程及原理結構的考核。
    3 結論
    本研究所開發的飛機起落架壓差變送器已在我校飛機構造、航空概論、飛機液壓系統等課程中得到成功應用。該設備的應用,不僅能有效解決學生在學習飛機起落架的工作過程、原理、結構、傳動及其控制等知識上的困惑,而且顯著提高學生學習積極性,取得了良好的教學效果。
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