白鈞生，王靖，李碧波，徐忠，王海燕

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西西安 710065；2.長(zhǎng)沙鑫航機(jī)輪剎車有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410006)

0 前言

飛機(jī)旋翼剎車試驗(yàn)是旋翼剎車裝置研制過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目[1-2]，同樣航空機(jī)輪剎車試驗(yàn)也是機(jī)輪剎車裝置研制過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目[3-4]。目前還沒(méi)有兼容兩種不同的剎車裝置試驗(yàn)臺(tái)，為了節(jié)約資源，提高設(shè)備利用率，基于試驗(yàn)臺(tái)的共性，通過(guò)旋翼剎車和機(jī)輪剎車所需要的不同慣量[5-7]，設(shè)計(jì)兩種鼓輪，合理組合，共用一個(gè)軸系和動(dòng)力，既能用于旋翼剎車裝置的剎車性能試驗(yàn)，同時(shí)又兼容輕型航空機(jī)輪剎車裝置的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，系統(tǒng)中鼓輪設(shè)計(jì)結(jié)合電慣量模擬技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，動(dòng)力矩、靜力矩測(cè)量技術(shù)原理簡(jiǎn)單，工作可靠，為多類型新產(chǎn)品的研制、鑒定和產(chǎn)品交付提供科學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬試驗(yàn)可以進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高旋翼剎車裝置及機(jī)輪剎車裝置品質(zhì)及性能。本文作者對(duì)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)作以闡述。

1 試驗(yàn)臺(tái)功能以及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 功能

模擬飛機(jī)旋翼、機(jī)輪在起飛、著陸、滑行全過(guò)程中的剎車動(dòng)作。主要試驗(yàn)項(xiàng)目：直升機(jī)旋翼剎車裝置動(dòng)力矩、靜力矩試驗(yàn)，輕型飛機(jī)機(jī)輪剎車裝置動(dòng)力矩、靜力矩試驗(yàn)，剎車壽命等[8-11]。測(cè)量裝置有剎車盤溫度、機(jī)輪轉(zhuǎn)速、輪胎壓縮量等。輔助設(shè)施有應(yīng)急剎車、冷卻、除塵等。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.1 旋翼剎車裝置剎車試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

旋翼剎車盤尺寸范圍：直徑φ100～φ400 mm；剎車盤安裝間距：≤200 mm。最大轉(zhuǎn)速：3 200 r/min；模擬慣量范圍(可用電慣量調(diào)節(jié))：4～100 kg·m2；動(dòng)力矩：0～1.5 kN·m，靜力矩：0～2 kN·m。

1.2.2 輪胎及機(jī)輪剎車裝置剎車試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

輪胎尺寸范圍：直徑φ150～φ300 mm；試驗(yàn)輪胎胎面寬度：≤150 mm。最大載荷：8.5 kN；最大速度：200 km/h(885 r/min)；模擬慣量范圍(可用電慣量調(diào)節(jié))：54～306 kg·m2；動(dòng)力矩：0～1 kN·m，靜力矩：0～2 kN·m。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此試驗(yàn)臺(tái)由鼓輪組件、機(jī)輪加載組件、旋翼剎車組件、動(dòng)力矩測(cè)試裝置、靜力矩測(cè)試裝置、機(jī)輪轉(zhuǎn)速及溫度測(cè)量裝置、應(yīng)急剎車裝置、冷卻、除塵等設(shè)施組成。試驗(yàn)臺(tái)模型如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)主要尺寸：鼓輪、機(jī)輪中心高1.2 m；機(jī)輪鼓輪：直徑1.2 m，寬度0.2 m，機(jī)械慣量120 kg·m2；旋翼鼓輪：直徑1.2 m，寬度0.1 m，機(jī)械慣量50 kg·m2。

2.1 鼓輪組件

鼓輪組件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由電機(jī)、膜片聯(lián)軸器、動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x及其支架、異形聯(lián)軸器、主軸、機(jī)輪鼓輪、旋翼鼓輪、連接螺桿、止動(dòng)插銷、軸承及軸承座、應(yīng)急剎車裝置等組成。

圖3 鼓輪組件結(jié)構(gòu)

電機(jī)通過(guò)膜片式聯(lián)軸器帶動(dòng)動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x，傳遞扭矩。主軸與旋翼鼓輪過(guò)盈連接，與機(jī)輪鼓輪之間安裝一對(duì)深溝球軸承；旋翼鼓輪與機(jī)輪鼓輪通過(guò)連接螺桿的插入和去掉實(shí)現(xiàn)兩鼓輪的合離，機(jī)輪鼓輪的左側(cè)軸承座安裝有止動(dòng)插銷。在旋翼鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為了不讓機(jī)輪鼓輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，把連接螺桿從2個(gè)鼓輪中去掉，把止動(dòng)插銷通過(guò)軸承座插入機(jī)輪鼓輪；機(jī)輪剎車試驗(yàn)需要2個(gè)鼓輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)則把連接螺桿插入2個(gè)鼓輪，把止動(dòng)插銷去掉。主軸的右端法蘭連接旋翼剎車裝置的動(dòng)盤。

根據(jù)飛機(jī)速度及電機(jī)轉(zhuǎn)速、加工條件等確定機(jī)輪鼓輪直徑，根據(jù)最大機(jī)輪輪胎寬度確定機(jī)輪鼓輪寬度；根據(jù)機(jī)輪剎車能量和機(jī)輪鼓輪角速度確定機(jī)輪鼓輪機(jī)械慣量[12]。最終確定機(jī)輪鼓輪直徑1 200 mm，寬度200 mm，慣量為120 kg·m2。機(jī)輪鼓輪設(shè)計(jì)為輪輻式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)毛坯鍛造、粗加工、退火處理、機(jī)加工、調(diào)質(zhì)、精加工等工藝保證機(jī)輪鼓輪的強(qiáng)度及慣量，加工完成后進(jìn)行動(dòng)平衡處理，達(dá)到G2.5級(jí)。鼓輪中心有φ190 mm的孔，用于安裝深溝球軸承。輪轂處開(kāi)φ30 mm孔用于插連接螺桿與旋翼鼓輪嚙合，另有φ30 mm孔用于插入止動(dòng)插銷。

根據(jù)飛機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速確定電機(jī)及旋翼鼓輪轉(zhuǎn)速，旋翼鼓輪直徑與機(jī)輪鼓輪直徑設(shè)計(jì)相同，根據(jù)旋翼剎車能量、旋翼鼓輪角速度確定旋翼鼓輪機(jī)械慣量，根據(jù)旋翼鼓輪直徑和旋翼鼓輪機(jī)械慣量及加工因素確定旋翼鼓輪寬度。最終確定旋翼鼓輪直徑1 200 mm，寬度100 mm，慣量為50 kg·m2，旋翼鼓輪設(shè)計(jì)為輪輻式結(jié)構(gòu)，加工工藝及要求同機(jī)輪鼓輪。旋翼鼓輪與軸為過(guò)盈配合，保證摩擦力矩大于最大剎車力矩。在輪轂處開(kāi)φ30 mm孔用于插連接螺桿與機(jī)輪鼓輪嚙合，在輪緣處另開(kāi)φ30 mm孔用于靜力矩試驗(yàn)連接拉力油缸及傳感器。

在旋翼鼓輪處設(shè)置應(yīng)急剎車裝置，用于緊急情況下對(duì)旋翼鼓輪進(jìn)行制動(dòng)，如圖4所示。

圖4 應(yīng)急剎車裝置

制動(dòng)時(shí)間由公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ω為鼓輪的角速度，分別取92.63、335 rad/s(2種試驗(yàn)情況)；J為鼓輪的慣量，分別取170、50 kg·m2(2種試驗(yàn)情況)；p為制動(dòng)壓力，6×105Pa；D為剎車汽缸的缸徑，0.1 m；μ為摩擦材料的摩擦因數(shù)，0.5；R為旋翼鼓輪的半徑，0.6 m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算t1=11.1 s，t2=11.8 s。分別為2類試驗(yàn)即機(jī)輪鼓輪以885 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)急制動(dòng)時(shí)間和旋翼鼓輪單獨(dú)以3 200 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)急制動(dòng)時(shí)間，均滿足應(yīng)急剎車要求。

2.2 機(jī)輪加載組件

機(jī)輪加載結(jié)構(gòu)如圖5所示，加載作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)加載頭框架沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)輪壓到機(jī)輪鼓輪表面直到設(shè)定載荷，機(jī)輪鼓輪帶動(dòng)機(jī)輪旋轉(zhuǎn)達(dá)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。在加載頭運(yùn)動(dòng)時(shí)行程標(biāo)尺的觸頭隨動(dòng)，一旦與限位開(kāi)關(guān)接觸，加載頭框架即帶動(dòng)機(jī)輪快速后退，防止過(guò)載損壞試件和設(shè)備。加載時(shí)加載作動(dòng)筒內(nèi)的磁置伸縮傳感器可以測(cè)量輪胎的壓縮量。

動(dòng)力矩測(cè)試組件[13]如圖6所示。試驗(yàn)時(shí)鼓輪模擬慣量以設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，機(jī)輪以設(shè)定載荷壓在鼓輪表面，機(jī)輪剎車制動(dòng)，動(dòng)盤與靜盤摩擦，靜盤帶動(dòng)機(jī)輪軸及搖臂有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，而搖臂末端受到載荷傳感器制約。記錄傳感器讀數(shù)，傳感器的讀數(shù)與搖臂長(zhǎng)度相乘即可得出機(jī)輪剎車的動(dòng)力矩。

機(jī)輪溫度滑環(huán)[14](動(dòng)線與靜線轉(zhuǎn)換器)安裝架安裝在加載框架搖臂對(duì)應(yīng)的另外一側(cè)，由安裝支架、滑環(huán)、滑環(huán)夾具、轉(zhuǎn)接法蘭、撓性聯(lián)軸器、撥桿軸、撥桿、撥桿夾具組成，模型如圖7所示，用于測(cè)量機(jī)輪轉(zhuǎn)速與剎車裝置動(dòng)靜盤溫度。

圖7 機(jī)輪轉(zhuǎn)速及溫度測(cè)量裝置

靜力矩測(cè)試裝置一般由摩擦器驅(qū)動(dòng)機(jī)輪輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)測(cè)量靜力矩[15-16]，需要另外一套設(shè)備。此測(cè)量方法利用本身?xiàng)l件簡(jiǎn)便易行，如圖8所示，由牽引作動(dòng)筒、拉力傳感器、皮帶及夾具、安裝底座等組成。試驗(yàn)時(shí)將皮帶置于鼓輪上，讓皮帶及拉力傳感器及牽引作動(dòng)筒與鼓輪相切，另一端自然下垂，驅(qū)動(dòng)機(jī)輪向鼓輪表面加載，加到設(shè)定載荷時(shí)機(jī)輪剎車裝置剎車，這時(shí)牽引作動(dòng)筒逐漸加壓驅(qū)動(dòng)皮帶拉動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。記錄拉動(dòng)載荷，然后用拉動(dòng)載荷乘以機(jī)輪滾動(dòng)半徑即可得到剎車靜力矩。

圖8 機(jī)輪靜力矩測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

2.3 旋翼剎車組件

旋翼剎車組件如圖9所示，由絲杠驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌上面臺(tái)架沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，調(diào)整到合適的位置，即讓臺(tái)架上左端法蘭與鼓輪端頭法蘭間距滿足剎車裝置安裝尺寸(參照?qǐng)D1、圖2)，然后鎖緊臺(tái)架不動(dòng)，把旋翼剎車裝置置入調(diào)好的空間，靜盤與臺(tái)架上主軸左端法蘭相連、動(dòng)盤與鼓輪主軸端頭法蘭連接即可開(kāi)始試驗(yàn)。

圖9 旋翼剎車裝置力矩測(cè)試組件模型

旋翼動(dòng)力矩測(cè)試組件如圖10所示。旋翼鼓輪模擬慣量帶動(dòng)旋翼動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)，旋翼剎車時(shí)，旋翼靜盤帶動(dòng)搖臂有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，使載荷傳感器承受拉力。記錄拉動(dòng)載荷，然后用拉動(dòng)載荷乘以搖臂兩中心點(diǎn)距離即可得到剎車動(dòng)力矩。

圖10 旋翼力矩測(cè)試組件

靜力矩測(cè)試裝置如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)將鋼絲繩固定在鼓輪上，讓鋼絲繩、拉力傳感器及牽引作動(dòng)筒與固定點(diǎn)的圓相切，剎車裝置按設(shè)置參數(shù)剎車，然后牽引作動(dòng)筒逐漸加壓拉動(dòng)鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)并帶旋翼盤轉(zhuǎn)動(dòng)。然后用拉動(dòng)載荷乘以鼓輪固定點(diǎn)半徑即可得到剎車靜力矩。

圖11 旋翼靜力矩測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

3 強(qiáng)度分析與試驗(yàn)

3.1 鼓輪強(qiáng)度分析

鼓輪最大載荷是靜力矩工況，即在鼓輪上施加8 500 N的水平推載及13 600 N的皮帶載荷。有限元計(jì)算結(jié)果如圖12—13所示，最大應(yīng)力在軸上為21.55 MPa。如圖14—15所示，最大變形位移在鼓輪上為0.028 5 mm。

圖12 鼓輪應(yīng)力

圖13 軸應(yīng)力

圖14 鼓輪變形位移

圖15 軸變形位移

因此鼓輪和軸的強(qiáng)度滿足使用要求。

3.2 鼓輪臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

鼓輪最高轉(zhuǎn)速為旋翼剎車試驗(yàn)工況：3 200 r/min。這時(shí)主軸承擔(dān)機(jī)輪鼓輪和旋翼鼓輪的重力和自身的重力。 兩輪支撐簡(jiǎn)圖如圖16所示。

圖16 兩輪支撐簡(jiǎn)圖

彎曲振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速[17]根據(jù)公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：W0為軸的重力，1 188 N；W1為機(jī)輪鼓輪的重力，8 303 N；W2為旋翼鼓輪的重力，3 884 N；L為軸的長(zhǎng)度，1 050 mm；λ1為一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的支座形式系數(shù)，9.87；dv為軸的當(dāng)量直徑，127 mm；a為質(zhì)心到左端軸承的距離，250/410 mm；b為質(zhì)心到右端軸承的距離，360/200 mm；l為軸的支撐長(zhǎng)度，610 mm。

計(jì)算得ncr1=6 155 r/min，大于旋翼試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)速度3 200 r/min，合格。

3.3 機(jī)輪加載靜強(qiáng)度分析

靜力矩工況為最大載荷工況。載荷為在機(jī)輪上施加8 500 N的水平推載及13 600 N的垂向載荷。有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖17所示。最大應(yīng)力147 MPa，位于搖臂處，為應(yīng)力集中點(diǎn)，其余部位最大應(yīng)力不超過(guò)90 MPa。

圖17 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖18顯示有限元計(jì)算變形，最大變形0.307 mm，位于搖臂上。滿足設(shè)計(jì)要求。

圖18 不帶軸變形位移

3.4 機(jī)輪加載框架模態(tài)分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提取前5階模態(tài)信息，頻率如表1所示，典型振型如圖19所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 模態(tài)頻率 單位：Hz

圖19 第2階輪軸彎曲模態(tài)

3.5 試驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了旋翼剎車裝置和機(jī)輪剎車裝置的各項(xiàng)剎車試驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)的鼓輪轉(zhuǎn)速、載荷譜進(jìn)行了考核，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每個(gè)工況試驗(yàn)臺(tái)工作穩(wěn)定可靠，設(shè)備見(jiàn)圖20。

圖20 試驗(yàn)臺(tái)局部照片

4 結(jié)論

此試驗(yàn)臺(tái)既能對(duì)旋翼剎車裝置進(jìn)行試驗(yàn)，又能對(duì)機(jī)輪剎車裝置進(jìn)行剎車試驗(yàn)，對(duì)于不同類型剎車器件進(jìn)行鼓輪離合操作方便，工作可靠。此試驗(yàn)臺(tái)具備多功能試驗(yàn)?zāi)芰?，?jié)約資源，利用率高。