橡胶轮挡阻挡功效和失效模式分析与计算李福海 姚红宇中国民用航空总局航空安全技术中心北京朝阳区西坝河北里甲24号，100028摘 要：飞机轮挡是常用的地面安全设备，当飞机长期停放、过站或航后时，通常是利用轮挡阻挡飞机发生移动，从而避免引发航空地面事故。
目前国内常用的轮挡有橡胶轮挡、金属轮挡、塑料轮挡和木质轮挡。
本文以B737-300/800飞机为例，详细介绍了飞机停放时地面风载估算方法；以B737-300/800飞机轮胎外形轮廓实测数据和W92橡胶轮挡为例，讨论了轮挡阻挡功效及其可能失效形式，并在飞机依靠轮挡所能克服的最大风速条件下对W92橡胶轮挡的阻挡功效和可能失效形式进行了分析计算。
关键词：地面安全；地面风载；轮挡；阻挡功效；失效模式The Analysis and Calculation aboutthe Restraint Efficacy and Failure Forms of Rubber ChocksLi Fuhai, Yao HongyuCenter of Aviation Safety and Technology, CAACNo.24A, Xibahe Beili, Chaoyang District, Beijing 100028 Abstract：Wheel chocks are the most common ground devices used to restrain an airplane from movement due to normal wind, when the airplane is parked, transiting or after flight. There are rubber chocks, metal chocks, urethane chocks and wooden chocks used in China.This paper introduces the method of calculating the thrust and lift forces on airplanes on the ground. It also studies the restraint efficacy and the failure forms of W92 chock during extreme high wind conditions.Key words: ground safety; the wind load upon the airplane; wheel chock; restraint efficacy; failure form一、引 言我国民航飞机多数是从国外引进而来，目前从欧美进口使用的飞机，其有关各种地面保障设备多需单独购买，为了节约资金、降低费用，因此一些机场和维修单位参照国外的轮挡进行仿制，从而使得国内在用轮挡五花八门、难以管理。
近年来，由于这些仿制轮挡本身阻挡功能失效，或者由于轮挡使用不规范等原因，导致飞机移动或受损，造成的地面事故或不安全事件有所增多。
据了解，目前国内有关轮挡的设计和生产资料基本没有，而有关轮挡的使用也只是在民用航空器维修手册等资料中有一些简单说明和要求；国内虽有厂商生产轮挡，但由于生产的轮挡未经试验和鉴定，生产的轮挡是否满足实际使用要求，是否对轮胎有腐蚀作用或其它影响都有待证明。
因此，研究轮挡的使用条件、使用中反映出来的问题和失效模式，研究轮挡的阻挡功效，对于确保飞机的地面安全是非常重要和有意义的。
二、飞机停放时地面风载分析与计算本文规定坐标系如图1所示，坐标原点位于机头顶点在地面的投影处，X轴通过原点沿纵轴指向机尾，Y轴通过原点指向机身右侧，Z轴由右手法则确定，其中Y-Z平面为基准面。
图1 飞机坐标系由于飞机几何外形的气动属性，飞机停放时逆风摆放虽稳定性好，但最容易被风吹动而后退；垂直风向摆放时，即在900侧风作用下最容易在风中打转。
因此，本文仅讨论逆风和垂风摆放两种极限情况。
2.1 飞机前视图投影面积及形心计算1）面积估算方法介绍从B737-800飞机AMM手册中截取飞机侧视图，利用图形软件测量飞机长度，可知飞机长度显示尺寸与标注尺寸比为4.70，如图2所示。
同理可测得飞机高度显示尺寸与标注尺寸比为4.55。
因此，侧视图上任一封闭图形面积被放大21.39倍。
图2 飞机长度测量再次利用图形软件，用多条折线圈描垂尾边界，并形成封闭图形，可测得垂尾面积放大后数值为569.97㎡，如图3所示。
因此，可以计算求得垂尾面积为26.65㎡。
垂尾标注面积是26.44m2，面积计算误差精度为0.79%，因此本方法用于工程计算是可靠的。
图3 垂尾投影面积测量2）飞机前、侧视图投影面积计算由上述面积计算方法，在飞机前视图上计算求得长度平均放大比例为5.32，高度平均放大比例为6.30，前视图投影面积放大后为1287.20m2，所以前视图实际投影面积为38.37 m2；在飞机侧视图上计算求得长度平均放大比例为4.62，高度平均放大比例为4.62，侧视图投影面积放大后为3569.37m2，所以侧视图实际投影面积为166.59 m2。
3）飞机侧视图投影轮廓形心计算利用图形软件可以计算求得侧视图形心距基准距离为21.34m，形心距地面高度为4.09m，如图4所示。
图4 飞机侧视图投影轮廓形心2.2飞机地面停放时风载计算1）前风升力计算方法图5是B737-800在襟翼为50位置时的“滑跑时间-速度-地面承重”试验数据图。
由于实际飞机在停放时襟翼应为00，所以依据图5计算的前风升力会偏大，即地面对飞机的摩擦力会偏小。
因此，如果在襟翼为50位置时飞机不能被前风吹动，襟翼在00位置时飞机也不会被吹动。
图5飞机滑跑时地面对飞机支撑力由图5可建立飞机升力公式：G L＝0.0321VG和地面对飞机的支撑力近似公式：G v＝(9.8－0.0321V)G其中：G L—飞机升力(N)；G v—地面对飞机的支撑力(N)；V—飞机滑跑速度(m/s)；G—飞机重量(N)。
2）前风、900侧风下推力计算方法依据《飞机机体系留设计要求》中有关风载计算方法，可知风对飞机的推力公式：D=6331A(V/100)2其中：D—平行于风向的合力（N）；A—飞机垂直于风向的平面内的投影面积（㎡）；V—风速（m/s）。
假设飞机依靠轮挡所能克服的最大风速为飞机需要系留时的最小风速，可以计算求得前风升力、地面支撑力、前风推力和侧风推力，如表1所示。
表1 飞机停放时地面风载刹车状态 有停留刹车 无停留刹车地面状况 冰雪 湿滑 干燥 冰雪 湿滑 干燥kts 20 40 55 10 20 30 速 度m/s 10.29 20.58 28.29 5.14 10.29 15.43 前风升力（N） 0.3303G0.6605G0.9080G0.1650G0.3303G 0.4952G 前风推力（N）HB7082-94 2572.1410288.5719441.51641.792572.14 5783.57侧风推力（N）HB7082-94 11167.3744669.5084408.502786.4211167.37 25110.32三、橡胶轮挡阻挡功效及其失效模式分析橡胶轮挡的工作原理：当机轮压在轮挡上时，由轮挡反作用力的水平分量阻挡飞机移动，由“轮胎/轮挡”界面和“轮挡/地面”界面的摩擦力防止轮挡移动，由轮挡的刚度保持轮挡的形状，由轮挡的强度保持轮挡完好不破损。
根据该工作原理，其失效模式大致可以分为： 1）阻挡功能失效：是指轮挡在各外力作用下无法保持平衡状态而发生运动，或者由于各种因素造成无法正常使用，失效形式包括推开、爬越、翻滚、崩开、压住等等。
本文将对上述各种失效形式进行分析、讨论。
2）理化性能失效：是指轮挡使用的材料无法承受外力作用而破损，或者轮挡受压变形过大，不能正常工作，或者橡胶材料固有属性发生变化，失效形式包括强度、刚度失效、热老化、耐酸碱性能降低等等。
3.1 轮挡、轮胎尺寸实测数据处理1）轮挡尺寸参数B737-800飞机使用W92轮挡，实际工作中多用两个W88轮挡代替。
W92轮挡实物如图6所示，其剖面实测尺寸如图7所示。
图中尺寸单位为㎜，其中上部倒角半径为10㎜。
图6 W92轮挡实物图 图7 W92轮挡侧面剖视图 2）轮挡使用假设轮挡摆放时，每个轮挡距轮胎的摆放空隙可能不同。
因此，在大风作用下，轮胎与轮挡接触并有爬上趋势时，会造成飞机有前后俯仰或左右倾斜的趋势。
但实际上，由于规定的摆放距离很小，所以由于摆放距离的差值造成的飞机俯仰或倾斜程度也会很小，其影响可以忽略不计。
因此，本文中假设每个轮挡摆放时距机轮的距离相等。
3）轮胎轮廓参数轮胎在实际使用中由于外力作用会发生变形，表2是某公司B737-300飞机在停放时、加载后主轮轮胎外形轮廓实测数据。
表2 主轮轮胎外形轮廓测试数据横坐标（㎜）纵坐标（㎜）停放时出港前0 0 0203 218 13243 257 26270 283 39292 300 52315 319 64352 363 96382 391 128409 421 160430 435 192依据表2数据，可绘制该飞机主轮轮胎外形变形前后轮廓，其与轮挡接触情况如图8、图9所示。
图8 飞机停放时轮胎与轮挡接触示意图 图9 飞机加商载后轮胎与轮挡接触示意图 其中蓝色虚线为飞机停放时轮胎外形拟合曲线，红色点划线为加载后轮胎外形拟合曲线，分别相当于将处于水平位置的基础圆向下平移45㎜和60㎜，如图10所示。
图10 轮胎变形前后拟合曲线B737-800飞机主轮轮胎较B737-300飞机的略大，尺寸为H1130.3×419.1-533.4（单位：㎜）。
因为B737-800飞机主轮轮胎与B737-300飞机的主轮轮胎材料相同、尺寸相近，所以可以近似认为B737-800飞机主轮轮胎在停放时和加载后的轮廓拟合曲线与B737-300飞机的有相同的向下平移量，如图11和图12所示。
两种情况下，轮胎都是与轮挡上部相接触，与实际情况相符，如图13所示。
图11 飞机停放时轮胎与轮挡接触示意图 图12 飞机加载后轮胎与轮挡接触示意图图13 W88轮挡与轮胎接触位置5）飞机称重记录飞机在过夜停放时，其重量由飞机基本空重、剩余燃油等几部分组成，其中基本空重占主要比例。
此外，在地面状态一定的情况下，飞机重量越大，地面所能提供的最大滑动或滚动摩擦力就越大。
因此，本文以某架B737-800飞机喷漆后的称重数据进行各种情况下的可能失效形式计算和验证，如表3所示。
如果此种重量下轮挡不失效，则在其它更大的飞机重量下也不会失效。
表3飞机称重记录第一次测量(㎏)第二次测量(㎏)测量点平均值(㎏)总重（㎏）指示值 修正值指示值修正值41005.36 前起落架 3336.68 0.45 3336.680.91 3336.00左起落架 左轮 8972.21 -2.278965.40-1.3618808.75右轮 9829.97 -5.909836.32-4.08左轮 9846.75 -0.919855.370.00右起落架右轮 8963.59 -0.918959.51-0.9118813.973.2失效形式分析如前文所述，本文只考虑前风和900侧风两个风向；同时刹车情况分为有、无刹车两种；地面情况分为干燥、湿滑和冰雪三种。