王 靖，王 凱

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

在航空領(lǐng)域，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)越來越重要。民用飛機(jī)如何提高續(xù)航里程、提升燃油經(jīng)濟(jì)性，軍用飛機(jī)如何提高戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性，都和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行減重，可以提高飛機(jī)的續(xù)航里程，提升燃油經(jīng)濟(jì)性；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強(qiáng)飛機(jī)的強(qiáng)度和剛度，可以提升飛機(jī)的承載能力。如何檢驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，成為至關(guān)重要的問題[1]。

當(dāng)前，航空、航天、煤炭、船舶、高鐵、石油等眾多行業(yè)對(duì)產(chǎn)品部件或產(chǎn)品整體的強(qiáng)度試驗(yàn)需求越來越多。強(qiáng)度試驗(yàn)多以加載技術(shù)為主，其中涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，如液壓、氣壓、電動(dòng)加載技術(shù)，多通道協(xié)調(diào)控制技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)等[2]。

本文介紹了某試驗(yàn)件軸向加載靜力強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)，其可用來研究試驗(yàn)件在靜載荷作用下的強(qiáng)度和剛度，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的合理性。

2 靜力強(qiáng)度加載試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

某軸向加載靜力強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)(包括液壓泵站、液壓伺服作動(dòng)筒、液壓管路等)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及試驗(yàn)件的應(yīng)變、位移測(cè)量設(shè)備等。圖1所示為系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)試驗(yàn)要求，軸向靜力加載包括單缸軸向加載和雙缸軸向加載兩種試驗(yàn)方式。圖2(a)所示為單缸軸向加載的試驗(yàn)參考模型，圖2(b)所示為雙缸軸向加載的試驗(yàn)參考模型。此外，利用本方案建設(shè)的試驗(yàn)系統(tǒng)還可完成其他工況試驗(yàn)，如圖2(b)所示的彎矩加載，圖2(c)所示的軸向力與側(cè)向力同時(shí)加載及圖2(d)所示的扭矩加載等。

(a)單缸軸向加載示意圖

(b)雙缸軸向加載，彎矩加載示意圖

(d)扭矩加載示意圖圖2 多工況加載方案

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由泵站、液壓伺服作動(dòng)筒和配套的管路系統(tǒng)組成。

3.1 液壓泵站

液壓泵站的主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定供油壓力2MPa～21MPa，無級(jí)可調(diào)；柱塞泵1臺(tái)，額定流量為40L/min；三級(jí)油液過濾器(吸油進(jìn)油過濾器、高壓輸出過濾器、回油過濾器)，污染度優(yōu)于GJB 420A-7級(jí)；壓力、油溫、液位能實(shí)時(shí)顯示，并在超壓、超溫、液位過低時(shí)自動(dòng)報(bào)警；工作介質(zhì)采用46#抗磨液壓油；采用工業(yè)油冷機(jī)進(jìn)行冷卻。泵站三維模型如圖3所示。

圖3 泵站三維模型參考圖

3.2 液壓伺服作動(dòng)筒

液壓作動(dòng)筒的規(guī)格及數(shù)量見表1。

表1 伺服油缸類型及規(guī)格

液壓作動(dòng)筒采用單出桿作用方式，基本組成主要包括筒體、保護(hù)模塊、伺服閥、載荷傳感器等[3]，三維模型如圖4所示。兩端采用球鉸形式，抵消側(cè)向力的影響，保證作動(dòng)筒一直處于二力桿形式，改善受力條件[4]。

圖4 液壓作動(dòng)筒三維模型示意圖

作動(dòng)筒總體性能指標(biāo)：

(1)密封性。使用過程無內(nèi)漏、無外漏、無滲油。

(2)最低啟動(dòng)壓力。所有噸位液壓作動(dòng)筒的最低啟動(dòng)壓力小于0.2MPa。

(3)每套作動(dòng)筒均與高響應(yīng)液壓伺服閥集成。

(4)每套作動(dòng)筒配置安全卸載保護(hù)模塊。

(5)安裝方式為兩端球鉸。

4 多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)概述

軸向加載靜力強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)配置3通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單通道獨(dú)立加載以及多通道組合協(xié)調(diào)加載功能[5]?？刂圃O(shè)備采用MOOG SmarTEST航空航天測(cè)試控制器，控制系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可通過添加板卡的方式擴(kuò)展到最多8通道。

SmarTEST測(cè)試控制器是典型的協(xié)調(diào)加載控制設(shè)備，通過其實(shí)時(shí)控制前端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有試驗(yàn)對(duì)象的協(xié)調(diào)加載。用戶可以自定義力、位移反饋控制曲線，可以設(shè)定升、降載速率，可以進(jìn)行分級(jí)加載、保載，連續(xù)加載、卸載，滿足產(chǎn)品靜力/疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證的需求[6]。

圖5所示為以多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)為核心的靜力加載試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖。其中，在主控計(jì)算機(jī)編輯或外部輸入試驗(yàn)載荷譜(載荷譜可以是用戶定義的各種波形)，通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)操縱液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載。用戶可以根據(jù)需要讀取控制系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 軸向靜力加載試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

該控制系統(tǒng)具有完備的安全保護(hù)功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到試驗(yàn)過程中發(fā)生故障時(shí)，能夠根據(jù)設(shè)置自動(dòng)觸發(fā)泵站和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的保護(hù)響應(yīng)動(dòng)作，也可以通過應(yīng)急開關(guān)發(fā)送應(yīng)急信號(hào)，立即停止試驗(yàn)。

4.2 控制系統(tǒng)配置及技術(shù)指標(biāo)

控制系統(tǒng)主要包括：20U機(jī)柜，SMC機(jī)箱；機(jī)柜內(nèi)配置RTFE實(shí)時(shí)控制前端計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)加載控制和I/O板卡接入；3個(gè)SCU伺服通道卡除提供3通道力和位移伺服控制外，還提供3通道模擬輸入，6通道模擬輸出；SSI液壓接口板1塊；1塊PCI 16/16數(shù)字輸入輸出卡，提供控制器I/O資源；SmarTEST輸入/輸出接口板1塊；1套20A電源，24VDC；1臺(tái)測(cè)試工作站計(jì)算機(jī)；HP A4激光打印機(jī)。

MOOG控制系統(tǒng)是總線機(jī)架整體式結(jié)構(gòu)，圖6為控制器機(jī)柜示意圖。

5 結(jié) 論

根據(jù)某試驗(yàn)件靜力強(qiáng)度加載試驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)了針對(duì)該試驗(yàn)件靜力加載的系統(tǒng)集成方案，主要包括液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等組成部分。該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以完成對(duì)試驗(yàn)件的軸向加載，還可以完成彎矩、扭矩以及任意載荷的組合加載，試驗(yàn)靈活性較高。對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并介紹了分系統(tǒng)的組成、運(yùn)行原理、設(shè)計(jì)思路及主要技術(shù)指標(biāo)。配備的協(xié)調(diào)加載控制器可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合加載工況各載荷的協(xié)調(diào)加載，滿足試驗(yàn)要求。

圖6 協(xié)調(diào)加載控制器機(jī)柜示意圖