Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng tác dụng lên càng máy bay

Hệ thống càng máy bay là một trong những hệ thống rất quan trọng trong kết cấu máy bay. Nó là hệ thống trợ giúp máy bay trong suốt quá trình hoạt động dưới mặt đất, đặc biệt là quá trình cất và hạ cánh. Giúp giảm quá trình giao động của máy bay trong quá trình cất cánh, hạ cánh và di chuyển trên mặt đất, là kết cấu chịu toàn bộ trọng lượng máy bay khi ở trên mặt đất. Tuổi thọ của càng được đánh giá trên số lần cất cánh và hạ cánh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ

_ _

BÁO CÁO TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU TRÊN MÁY BAY

Đề tài: Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng tác dụng lên

càng máy bay

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý

Sinh viên thực hiện: Nhóm 7

Họ và tên

1 Thân Quang Cương

SHSV 20160523

Hà Nội, 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BỘ MÔN KỸ THUẬT HÀNG KHÔNG VŨ TRỤ

_ _

TẢI TRỌNG VÀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU TRÊN MÁY BAY

Đề tài: Tìm hiểu về kết cấu, vật liệu và tải trọng

tác dụng lên càng máy bay

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Đình Quý

Sinh viên thực hiện: Nhóm 7

Họ và tên

1 Thân Quang Cương

SHSV 20160523

Hà Nội, 2019

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÀNG

Hệ thống càng máy bay là một trong những hệ thống rất quan trọng trong kếtcấu máy bay Nó là hệ thống trợ giúp máy bay trong suốt quá trình hoạt động dưới mặtđất, đặc biệt là quá trình cất và hạ cánh Giúp giảm quá trình giao động của máy baytrong quá trình cất cánh, hạ cánh và di chuyển trên mặt đất, là kết cấu chịu toàn bộtrọng lượng máy bay khi ở trên mặt đất Tuổi thọ của càng được đánh giá trên số lầncất cánh và hạ cánh

Về cơ bản, càng máy bay có các chức năng sau:

• Giúp máy tạo đà và giảm tốc trong quá trình cất cánh và hạ cánh

• Giảm chấn khi máy bay tiếp đất

• Giúp máy bay di chuyển trên mặt đất

• Chống trượt trong quá trình di chuyển

Hình 1 Hệ thống càng đáp trên B747-400

Hình 2 Hệ thống càng đáp trên A380

Về mặt thủ tục thiết kế, thiết bị hạ cánh là thành phần chính của máy bay đượcthiết kế cuối cùng Nói cách khác, tất cả các thành phần chính (như cánh, đuôi, thânmáy bay và hệ thống đẩy) phải được thiết kế trước khi thiết kế thiết bị hạ cánh Hơnnữa, cần phải tính toán được trọng tâm của máy bay để thiết kế thiết bị hạ cánh Dotrọng tâm máy bay là không cố định trong quá trình hoạt động nên cần phải tính độdịch chuyển của trọng tâm (trọng tâm lớn nhất phía trước và phía sau dọc theo thânmáy bay), từ đó thiết kế được vị trí càng đáp cho phù hợp Trong một số trường hợp,thiết bị hạ cánh có thể khiến nhà thiết kế thay đổi cấu hình máy bay để đáp ứng yêucầu thiết kế thiết bị hạ cánh

1.2 KẾT CẤU CÀNG MÁY BAY

1.2.1 Vị trí hệ thống càng trên máy bay

Hệ thống càng máy bay hiện nay được chia làm hai bộ phận: càng chính và càngphụ Có thể thu thả được hoặc không thu thả được, tùy vào loại máy bay Trên Boeing747-400, hệ thống càng chính bao gồm một cặp càng ở thân và cặp càng ở cánh, hìnhdưới đây mô tả vị trí đặt càng

Hình 4 Vị trí theo chiều dọc máy bay

Khi thiết kế càng nằm trên cánh, các chi tiết khác phải được xem xét như sự cómặt của một xà dọc sau để gắn các càng đáp Trên máy bay, phía sau giới hạn có thể làphía sau xà dọc sau (Rear Spar) Trong trường hợp như vậy, một xà dọc thứ ba có thểđược thêm vào phía sau của xà dọc sau

Hình 5 Xà dọc thứ ba được thêm để hỗ trợ chịu tải cho càng

Vị trí bên của thiết bị càng đáp chính được xác định thông qua góc quay Ө.Theo Currey, góc này không được quá 63 ° đối với máy bay trên mặt đất hoặc 54 ° đốivới máy bay trên tàu sân bay.

Hình 6 Góc quay Ө

Càng chính thường được đặt tại trọng tâm máy bay, do đó chịu phần lớn tải trọngcủa máy bay Chính vì vậy càng chính được thiết kế với cấu trúc vững chắc Có thể làkết cấu bánh xe đối với các loại máy bay thông thường, kết cấu ván trượt với các vùngđồi núi hoặc có tuyết và dạng phao khi hoạt động trên nước Thông thường hệ thốngcàng thường có những thành phần chính sau:

1.2.2 Các bộ phận chi tiết của hệ thống càng

Hình 7 Các bộ phận của càng mũi trên máy bay B747

Bảng 1 Các bộ phận trên càng mũi B747

1 Tyre & Wheel Lốp xe & bánh xe

3 Shock strut inner cylinder Xi lanh giảm chấn trong

4 Shock strut outer cylinder Xi lanh giảm chấn ngoài

5 Lower torsion link Liên kết xoắn dưới

6 Upper torsion link Liên kết xoắn trên

7 Forward steering collar Cổ tay lái phía trước

8 Aft steering collar Cổ tay lái phía sau

9 Steering actuator Thiết bị truyền động lái

10 Side braces Thiết bị truyền động lái

11 Lower tripod brace Nẹp chân máy dưới

12 Trunnion fittings Khớp nối

13 Nose gear actuator Thiết bị truyền động mũi

14 Upper tripod brace Nẹp chân máy phía trên

16 Nose gear lock actuator Thiết bị truyền động khóa bánh răng

mũi

Hình 8 Càng chính (phải) trên B747

Bảng 2 Các bộ phận trên càng chính B747

1 Trunnion fittings Khớp nối

2 Shock strut Thanh giảm chấn

3 Torque links Liên kết mô-men xoắn

4 Truck/bogie beam Dầm bogie

6 Wheels , Tires Bánh xe, Lốp xe

7 Wheel brakes Phanh bánh xe

8 Retract cylinder Xy lanh thu thả càng

9 Fixed brace Nẹp cố định

12 Down lock links Liên kết khóa xuống

13 Main gear door Cửa bánh chính

Để có thể hiểu sâu hơn về kết cấu, vật liệu và nguyên lý hoạt động của các bộphận, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu một số bộ phận quan trọng dưới đây

1.3 Vật liệu cấu thành và chức năng của các bộ phận chính

Hệ thống càng máy bay thường sử dụng các loại vật liệu sau:

Hợp kim thép Trục các-đăng, piston, phanh, khớp nối, công tắc, trục khuỷu, lò xo,

tấm vỏ, măng-sông, chốt, kẹp, ống lót trụcHợp kim nhôm Vòng đệm, miếng chèn, bánh lái, bộ điều hợp

Hợp kim titan Cấu trúc chính của càng đáp

Magie Không còn được sử dụng ngày nay do an toàn cháy nổ

Hợp kim

nhôm-đồng

Sử dụng phần lớn cho ổ đỡ trục trên và dưới của giảm xóc

Beri Nguyên liệu hấp thụ nhiệt cho phanh và để chế tạo ống lót

Vật liệu

composite

Lốp máy bay, bộ phận chính của càng đáp, xi lanh ngoài, piston,phanh, cánh tay đòn, hệ thống treo tay đòn, lò xo, tấm cánh, bề mặtđiều khiển và các tấm ổn định

1.3.1 Bộ giảm chấn (Shock absorber – SA)

Có 2 phương thức làm việc của SA là dùng lò xo và dùng bộ giảm xóc

Hình 9: (a) Chức năng hấp thụ - (b) Chức năng hấp thụ và giảm xóc

Hiệu suất của SA được phản ánh thông qua số lượng SA để hấp thụ động năng, sốlượng càng lớn càng hấp thụ được nhiều năng lượng:

Hình 10 Ý nghĩa của hiệu suất

 Các loại bộ giảm chấn SA:

Hình 11: Các loại SA

Trừ một số loại máy

bay nhỏ sử dụng lò xo

thép – đơn giản, độ tin

cậy cao, bảo trì dễ dàng,

hầu hết các máy bay

ngày nay đều sử dụng SA

loại khí nén với hiệu suất

cao và phân tán năng

 Bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu (Oleo-Pneumatic Shock Absorber – OPSA):Hầu hết các máy bay cỡ lớn ngày nay đều trang bị loại OPSA này :

Hình 13 Cấu trúc của bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu

Được cấu thành từ 2 ống trượt, một chứa dầu và ống còn lại chứa khí nitrogen 2ống này tác động với nhau qua một lỗ (orifice) và cả hệ thống được nén đến một ápsuất

Hình 14 Nguyên lý hoạt động của OPSA

Khi máy bay tiếp đất thì ống dưới sẽ chuyển động lên ép lượng dầu trong ống từbuồng dưới lên buồng trên Ngược lại khi máy bay không có tải khí nitrogen áp suấtcao sẽ đẩy dầu từ buồng trên xuống buông dưới Một đầu đo được dùng cùng lỗ orfice

để chia 1 giai đoạn thành các thì giúp tăng hiệu suất

 Chức năng tích trữ năng lượng:

Hình 15 Chức năng hấp thụ của SA

Giai đoạn hấp thụ năng lượng của bộ hấp thụ kép: Một số càng đáp được trang bị

SA kép SA được thiết kế vớ 2 buồng nitrogen được bơm áp suất khác nhau Mục đích

là không phải để tăng hiệu suất mà là tăng khả năng hấp thu va đập trong quá trình taxi qua những quãng đường không bằng phẳng Thiết bị này có giá thành đắt đồng thời nặng hơn so với SA truyền thống

 So sánh chức năng hấp thụ giữa SA và SA kép:

Hình 16 So sánh chức năng hấp thụ của SA đơn và kép

So sánh giữa SA đơn và SA kép được biểu diễn qua đồ thị tải trọng-chiều dài thìtrên

Một SA kép được thêm vào khi tải trọng tĩnh gần mức FTr

 Chức năng giảm xóc

Áp suất cao được dùng để đẩy dầu qua lỗ orfice tỉ lệ với bình phương vận tốcdòng chảy Đường cong tải trọng-chiều dài thì – khi chỉ có dầu được biểu diễn nhưsau:

Hình 17 Đường cong tải-chiều dài thì làm việc của chức năng giảm xóc

 Hoạt động trong quá trình tiếp đất:

Trong lúc đầu của quá trình, ống bên dưới sẽ di chuyển nhanh lên trên Áp suấtgây ra sẽ tác động chủ yếu vào lượng dầu, tạo ra một lực ngược chiều phương chuyểnđộng Tốc độ sẽ giảm làm giảm xóc hiệu quả Chức năng hấp thụ năng lượng đượckích hoạt bởi sự thay đổi thể tích nitrogen Điêu này được biểu diễn như sau:

Hình 18 Trạng thái của bộ giảm xóc khí nén-dầu trong quá trình tiếp đất

 Hiệu suất của SA khí nén-dầu

Hiệu suất hấp thụ cao nhất vào khoảng 80-90%, biểu diễn bằng đồ thị sau:

Hình 19 Hiệu suất của bộ hấp thụ bằng khí nén-dầu

 Nhận xét về SA khí nén-dầu

Chiều dài thì làm việc: Chiều dài ban đầu được chọn dựa trên tỉ số tải trọng cho

một số điều kiện hạ cánh có giới hạn, tổng chiều dài thì cho các máy bay lớn thường

cỡ 400-600 mm

Tỉ số nén: Hai tỉ số nén thường được sử dụng là: giãn nở cao nhất tới trạng thái

tĩnh và từ trạng thái tĩnh tới nén hoàn toàn

- Cho máy bay nhỏ:

Có 2 nguyên nhân chính gây hư hỏng lốp là do: Áp suất lốp không đạt yêu cầu,vật thể lạ trên đường băng

Hình dạng cơ bản của lốp nhìn chung được đánh giá qua các thông số đường kínhlớn nhất (M), chiều rộng lớn nhất (N), đường kính trong (A) Thông số tiều chuẩn làMxN-A

Hình 20 Các thông số cơ bản của lốp

 Các loại lốp:

Có 2 loại lốp là Bias-Ply tire và Radial-Ply tire

- Phía trong của Bias-Ply được cấu thành từ nhiều lớp vải bọc lớp mành chéo vớimỗi lớp mành chéo sau được sắp xếp ngược với lớp trước.

- Trái ngược với lốp Bias-ply, lốp Radial-Ply được cấu thành từ nhiều lớp sợi song song nhau do đó có khả năng chịu uốn, gấp tốt, tiếp theo là tầng hoãn là vịtrí xung quanh của lốp là sợi thép (bố thép) nằm gần và song song với chu vi lốp Nhờ điều này mà lốp không bị biến dạng, giúp bám đường băng tốt hơn

Vì lý do này mà lốp radial-ply là loại lốp tiêu chuẩn cho ngành hàng không

Hình 21 Lốp Bias-Ply và Radial-Ply

 Tải đứng, hiệu suất lốp

Hình 22 Định nghĩa tải đứng; hiệu suất lốp

 Tải dọc lốp (Tire longitudinal load)

Khi Trong trường hợp này, sẽ xuất hiện 1 lực phía sau X Hệ số ma sát

sẽ bằng lực X chia cho lực do chuyển động của lốp Z:

Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu lốp đường băng và vận tốc lăn

Hình 23 Ma sát khi phanh của lốp

Hình 24 Hiện tượng trượt; lực bên và moment tự cân bằng

 Tải nhiệt

Phanh là nguyên nhân chính gây ra loại tải này

Quá trình hủy cất cánh cũng là một trường hợp mà nhiệt độ lốp có thể lên tới trên

100 độ C Hình dưới thể hiện quá trình tăng nhiệt của lốp trong trường hợp hủy cấtcánh

CHƯƠNG 2 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CÀNG

MÁY BAY

2.1 Tải trọng tác dụng lên càng máy bay

Trên Boeing 747-400, hệ thống càng chính chịu 90% tải trọng của cả máy bay

Bảng 3 Thông số kỹ thuật của Boeing 747-8.

Lấy trọng lượng cất cánh tối đa vào tài khoản tải trọng tĩnh 80850 N đã đượcchọn

Trọng lượng cất cánh tối đa là 440000 kg và thiết bị hạ cánh mũi cảm thấy 5%tổng trọng lượng là 22000 kg, vì vậy, 215600 N vì trọng lượng của toàn bộ thiết kế là

190 kg và thiết bị hạ cánh thực tế có trọng lượng 1500 kg, trọng lượng thực hiện làtám lần nhẹ hơn nên 215600/8 * 3 = 80850 N (lấy FOS = 3)

Các bánh xe là một phần tương đối nặng của máy bay; nó có thể lên tới 7% trọnglượng cất cánh, nhưng điển hình hơn là 4% 5%

Thiết bị hạ cánh 747-8 được tạo thành từ 18 bánh Điều này rất cần thiết để tăngtrọng lượng khổng lồ của máy bay trên đường băng Hai cái được đặt bên dưới mũi

16 chiếc còn lại, bao gồm bốn toa xe bốn bánh, hoặc bogies, được sắp xếp với mộtbên dưới mỗi cánh và hai ở mặt dưới thân máy bay Tác động của việc hạ cánh đượchấp thụ đồng đều bởi cả bốn chiếc bog thông qua bộ giảm xóc của chúng Các bánhchính có đường kính 1,3 mét (4,3 feet), được bơm đầy với khí nitơ và được trang bị hệthống chống trượt Thiết bị hạ cánh chính gập sang một bên dưới cánh sau khi cấtcánh Thiết bị hạ cánh mũi có hai bánh xe được đặt cạnh nhau Sau khi cất cánh,chúng rút theo hướng về phía trước vào thân máy bay, chạy bằng kích thủy lực Cửabản lề đóng lại phía sau chúng

Nhiều tổ chức đã cố gắng giải quyết các vấn đề tĩnh như vênh, uốn cong v.v Theo các kỹ sư của công nghệ Virginia, việc thiết kế thiết bị hạ cánh mới phải đơngiản nhất có thể, vì sự phức tạp hóa khiến chi phí tăng nhanh hơn việc giảm trọnglượng Tuy nhiên, trọng lượng cũng có vẻ tỷ lệ nghịch với mức độ phức tạp Với việcgiảm mức độ phức tạp, ví dụ, số lượng hỗ trợ, thành phần kết cấu buộc phải chịu tảitrọng cao hơn, điều này làm tăng trọng lượng kết cấu do tăng diện tích mặt cắt ngang

Do đó, phải đạt được sự cân bằng giữa đơn giản và trọng lượng và điều này chỉ có thểđạt được thông qua nhiều nghiên cứu về cấu hình bánh khác nhau

2.2 Các trường hợp tải

Giả sử trường hợp hạ cánh 2 điểm cơ bản và hãy xét riêng một càng chính.Hình dưới đây minh họa trường hợp như vậy và cung cấp các phản lực dọc và ngangtrên càng đáp

Hình 26 Trình tự hạ cánh điển hình; Tải trọng dọc và ngang

Phân tích trình tự hạ cánh này dẫn đến nhận xét sau: trong quá trình hạ cánh cơbản, phải xem xét 3 trường hợp tải:

- Spin up: phản lực lớn nhất theo phương ngang về phía sau + phản lực theo

phương thẳng đứng ngay tại thời điểm quay

- Spring back : phản lực lớn nhất theo phương ngang về phía trước + phản lực

theo phương thẳng đứng tại thời điểm đàn hồi

- Maximum vertical reaction: phản lực theo phương đứng lớn nhất + phản lực

ngang về phía sau tại thời điểm này

Hình 27 Ba trường hợp tải cho hạ cánh cơ bản

Ví dụ về tải (AIR 2004 E)

Theo tiêu chuẩn quân sự của Pháp, AIR 2004 E, đề xuất công thức để tính phảnlực ngang và phản lực dọc khi spin up và spring back dựa trên một lực dọc thamchiếu, Zr được xác định ở dưới đây

2.3 Ảnh hưởng của trọng lượng

Khối lượng của một chiếc máy bay cơ bản thường cao nhất khi nó được nạp đầy

đủ hành khách, hàng hóa và nhiên liệu, cuối cùng là vũ khí cho máy bay chiến đấungay trước taxi Từ vị trí đỗ ban đầu của nó đến điểm cất cánh, một lượng nhiên liệu

ít nhiều quan trọng có thể đã bị cháy, dẫn đến một khối lượng nhỏ hơn ngay trước khicất cánh Cuối cùng, sau chuyến bay, ngay trước khi hạ cánh, máy bay đã đốt mộtlượng nhiên liệu quan trọng và cuối cùng đã phóng vũ khí của mình một lần nữa dẫnđến một khối lượng nhỏ hơn

Vì những lý do đó, cần phải phân biệt 3 điều kiện khối lượng khác nhau để thiết

kế càng đáp:

- Ramp Mass (RM): Khối lượng tối đa của máy bay khi được nạp đầy đủ khi đỗ,

- Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): Thường bằng với RM nhưng đôi khi nhỏ hơn khi lượng nhiên liệu bị đốt cháy đạt tới điểm không đáng kể (máy bay tầm xa),

- Trọng lượng hạ cánh tối đa (MLW): Khối lượng hạ cánh cho phép sử dụng nhiên liệu trong chuyến bay thiết kế ngắn nhất Đối với máy bay và máy bay chiến đấu tầm xa, nó thường ít hơn đáng kể so với MTOW

2.4 Yêu cầu về vận tốc đứng và ứng xử của máy bay tại thời điểm chạm

đất

2.4.1 Vận tốc đứng và gia tốc của máy bay khi chạm đất

Trong các yêu cầu, năng lượng được hấp thụ được xác định theo thuật ngữ vận tốcđứng khi chạm đất trong một điều kiện khối lượng nhất định Cách tiếp cận này hoàntoàn phù hợp vì năng lượng tỷ lệ thuận với khối lượng và bình phương của tốc độ vàtốc độ thẳng đứng dễ diễn giải, đo lường và thí điểm hơn chính năng lượng

Cách tiếp cận thận trọng nhất là xem xét khối lượng tối đa có thể và tốc độ đủcao để bao quát mọi tình huống không thể xảy ra Nhưng cách tiếp cận như vậy sẽdẫn đến một hậu quả hàng loạt đáng kể

Hình 28 cho thấy kết quả của một nghiên cứu được thực hiện bởi FAA vào năm

1994 tại sân bay JFK Vận tốc đứng được đo trên 1030 lần hạ cánh Người ta có thểthấy rằng vận tốc 10 ft / s là khá khó xảy ra

Hình 28 Phân tích thống kê vận tốc khi va chạm