方新文，崔 雄

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安710065)

1 引 言

機(jī)輪剎車試驗(yàn)臺(tái)是檢驗(yàn)航空機(jī)輪和剎車裝置性能和可靠性的設(shè)備[1]。目前，國內(nèi)外已有的試驗(yàn)臺(tái)主要由可模擬飛機(jī)速度和能量的鼓輪系統(tǒng)、可模擬飛機(jī)重量和姿態(tài)的加載設(shè)備、驅(qū)動(dòng)鼓輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)及進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的設(shè)備等組成[2]，試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)輪剎車試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖

飛機(jī)在跑道上起飛、著陸、滑行過程中，會(huì)出現(xiàn)拐彎的情況，該情況下機(jī)輪與地面會(huì)形成一定的拐彎角度，即機(jī)身產(chǎn)生偏航姿態(tài)。在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)臺(tái)除了能模擬飛機(jī)在正常姿態(tài)下的加載外，偏航姿態(tài)下對(duì)機(jī)輪及剎車裝置性能考核也是試驗(yàn)臺(tái)的重要功能之一。因此，試驗(yàn)臺(tái)需要進(jìn)行包括徑向-側(cè)向聯(lián)合載荷試驗(yàn)[3]、動(dòng)力矩試驗(yàn)等[4]在內(nèi)的各類特殊試驗(yàn)項(xiàng)目。

要實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)功能，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的偏航調(diào)姿裝置。對(duì)于該設(shè)計(jì)，之前的主要方法是通過蝸輪蝸桿等驅(qū)動(dòng)機(jī)輪安裝設(shè)備繞機(jī)輪徑向加載軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)偏航角度模擬。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是由于依靠機(jī)械配合傳動(dòng)，傳動(dòng)效率低且加工復(fù)雜。

2 偏航調(diào)姿裝置設(shè)計(jì)

在分析試驗(yàn)功能需求及以往調(diào)姿裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了液壓驅(qū)動(dòng)大型回轉(zhuǎn)支承的調(diào)姿裝置設(shè)計(jì)方案，主要方法是通過調(diào)姿裝置驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)加載設(shè)備繞機(jī)輪加載軸線旋轉(zhuǎn)，模擬機(jī)輪偏航角度并進(jìn)行偏航加載及剎車試驗(yàn)。機(jī)輪偏航、試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿如圖2、圖3所示。

圖2 機(jī)輪偏航示意圖

圖3 試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿示意圖

該偏航調(diào)姿裝置安裝在試驗(yàn)臺(tái)加載設(shè)備與機(jī)輪安裝設(shè)備之間，主要由回轉(zhuǎn)支承組件、液壓驅(qū)動(dòng)組件、定位銷等組成。其中，回轉(zhuǎn)支承安裝在加載設(shè)備前端面，主要作用是支承機(jī)輪的旋轉(zhuǎn)；液壓驅(qū)動(dòng)組件由驅(qū)動(dòng)油缸、控制組件等組成，其主要作用是提供偏航調(diào)姿驅(qū)動(dòng)載荷及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

整個(gè)裝置以連續(xù)的方式帶動(dòng)機(jī)輪安裝設(shè)備和機(jī)輪繞機(jī)輪徑向加載軸線旋轉(zhuǎn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)輪胎偏航角度模擬，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿功能。偏航調(diào)姿裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 偏航調(diào)姿裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1 工作原理

偏航調(diào)姿運(yùn)動(dòng)原理如圖5所示，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與外圈可實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航時(shí)機(jī)輪安裝設(shè)備旋轉(zhuǎn)，加載設(shè)備保持不動(dòng)?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈與加載設(shè)備連接，外圈與機(jī)輪安裝設(shè)備連接，同時(shí)外圈上安裝與偏航油缸連接的驅(qū)動(dòng)盤。

圖5 偏航調(diào)姿運(yùn)動(dòng)原理圖

偏航液壓缸安裝在加載設(shè)備上，活塞桿與驅(qū)動(dòng)盤鉸接，液壓缸的伸出和收回實(shí)現(xiàn)機(jī)輪正向、負(fù)向偏航調(diào)姿。定位銷用于加載設(shè)備與機(jī)輪安裝設(shè)備定位，無偏航調(diào)姿時(shí)，保證機(jī)輪定位初始0°。

2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)偏航調(diào)姿裝置，由于試驗(yàn)過程中機(jī)輪在偏航姿態(tài)滾動(dòng)和剎車試驗(yàn)工況下的受載較為復(fù)雜，因此回轉(zhuǎn)支承、制動(dòng)器等設(shè)備選型很關(guān)鍵。根據(jù)試驗(yàn)工況，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行偏航姿態(tài)下的力學(xué)分析。

圖6 偏航姿態(tài)下受力坐標(biāo)圖

建立試驗(yàn)臺(tái)在偏航姿態(tài)下的受力坐標(biāo)圖(如圖6所示)。其中，X向?yàn)楹较?，Y向?yàn)閭?cè)向，Z向?yàn)闄C(jī)輪徑向加載方向。在此定義CF為機(jī)輪偏航時(shí)的拐彎力，RD為機(jī)輪滾動(dòng)阻力，則有：

FYcosα-FXsinα=CF

(1)

FYsinα+FXcosα=RD

(2)

RD=0.33FZ

(3)

(4)

式中，α為偏航角度，F(xiàn)X為航向載荷，F(xiàn)Y側(cè)向載荷，F(xiàn)Z為徑向載荷。

依據(jù)上述力學(xué)方程，即可計(jì)算出各關(guān)鍵設(shè)備的受載情況，據(jù)此進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

3 運(yùn)動(dòng)誤差分析及解決措施

該調(diào)姿裝置以液壓驅(qū)動(dòng)為動(dòng)力，通過大型回轉(zhuǎn)支承連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)偏航角度。運(yùn)動(dòng)原理是以偏航油缸活塞桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)加載設(shè)備繞機(jī)輪中心軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)調(diào)姿，運(yùn)動(dòng)原理如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)原理示意圖

在初始位置時(shí)，油缸初始長度為a，油缸初始行程為L。由圖可以看出，在偏航調(diào)姿過程中，兩邊b、c長度始終不變。b、c間初始夾角為θ，α為偏航角度值。在偏航旋轉(zhuǎn)過程中，b、c間夾角為θ±α，其中“+”為逆時(shí)針偏航，“-”為順時(shí)針偏航，則可得出偏航旋轉(zhuǎn)過程中，油缸位移為：

(5)

可得出偏航角度為：

(6)

從上述可以看出，偏航調(diào)姿是通過驅(qū)動(dòng)油缸的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)油缸的運(yùn)動(dòng)精度和控制精度。為了保證其運(yùn)動(dòng)精度，采取如下解決措施。

(1)液壓原理設(shè)計(jì)

為了保證偏航運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性，即避免運(yùn)動(dòng)到位后的位移波動(dòng)，采取平衡閥設(shè)計(jì)，避免偏航過程中因偏心載荷引起較大的定位誤差。同時(shí)，為保證機(jī)輪在試驗(yàn)過程中因受載工況復(fù)雜而使偏航角度出現(xiàn)變化的情況，采取液壓鎖緊器設(shè)計(jì)，偏航調(diào)姿角度到位后，由液壓鎖緊器鎖緊偏航機(jī)構(gòu)。偏航液壓單元原理如圖8所示。

圖8 偏航液壓單元原理圖

(2)控制原理設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)偏航油缸的高精度運(yùn)動(dòng)控制，在運(yùn)動(dòng)控制方面，采取了1‰高精度位移測量傳感器，在控制原理上實(shí)現(xiàn)比例伺服控制，通過閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)精度，實(shí)現(xiàn)偏航調(diào)姿的高精度運(yùn)動(dòng)。偏航調(diào)姿控制如圖9所示。

圖9 偏航調(diào)姿控制圖

4 應(yīng)用實(shí)例

以國內(nèi)已經(jīng)研制成功的試驗(yàn)臺(tái)為例，介紹該偏航裝置實(shí)際應(yīng)用情況。該試驗(yàn)臺(tái)要求機(jī)輪最大偏航角度為±20°，角度精度優(yōu)于±0.1°。首先依據(jù)上述原理，得出試驗(yàn)臺(tái)在偏航時(shí)在各種載荷工況下的力學(xué)分析結(jié)果，如表1所示。

表1 偏航姿態(tài)下力學(xué)分析結(jié)果

據(jù)此可確定回轉(zhuǎn)支承所受3個(gè)方向的最大載荷分別為FX=28800kg，F(xiàn)Y=10506kg，F(xiàn)Z=36000kg，所產(chǎn)生的附加彎矩：

MX=FXL1=28800×2.6=74880kg·m

MY=FYL2=10506×2.6=27315.6kg·m

由此即可進(jìn)行設(shè)備選型。通過有限元對(duì)試驗(yàn)臺(tái)在偏航姿態(tài)下的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 偏航姿態(tài)下應(yīng)力云圖

圖11 偏航姿態(tài)下變形云圖

根據(jù)校核結(jié)果可知，試驗(yàn)臺(tái)在偏航姿態(tài)下，最大應(yīng)力為96.6MPa，最大變形為3.4mm，均較小，滿足要求。

最后完成試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿裝置設(shè)計(jì)，圖12所示為試驗(yàn)臺(tái)完成偏航調(diào)姿的現(xiàn)場圖。通過測量，試驗(yàn)臺(tái)最終調(diào)姿運(yùn)動(dòng)精度為0.03°，這表明該設(shè)計(jì)具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、連續(xù)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的試驗(yàn)功能。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿現(xiàn)場圖

5 結(jié) 論

大型回轉(zhuǎn)支承式偏航調(diào)姿裝置不僅能夠完成試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿運(yùn)動(dòng)，而且具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。同時(shí)，該裝置實(shí)現(xiàn)了全過程自動(dòng)化控制，具有很高的工作效率，成功地解決了試驗(yàn)臺(tái)偏航調(diào)姿效率低、成本高的問題。