冶西原 魏莉莉 張鶴/ 國營錦江機器廠 中部戰(zhàn)區(qū)

0 引言

直升機旋翼是直升機關(guān)鍵傳動部件之一，也是引導直升機發(fā)展和技術(shù)革新的重要技術(shù)。直升機旋翼由槳葉、槳轂以及自動傾斜器等組成，某型直升機旋翼槳轂構(gòu)型主要為全鉸接式，由揮舞鉸、擺振鉸、變距鉸實現(xiàn)槳葉的揮舞、擺振和變距運動[1]。離心限動器主要限制槳葉過度揮舞，避免在強風條件下直升機起動和停車時主槳葉過度揮舞造成結(jié)構(gòu)損傷[2]。在旋翼槳轂維修過程中，離心限動器是否正常工作對旋翼保護有著重要影響，對離心限動器的性能試驗決定其是否達到維修、安裝合格狀態(tài)。離心限動器性能試驗可通過設(shè)計離心試驗臺模擬直升機旋翼槳轂的工作狀態(tài)，進而實現(xiàn)對其性能的試驗和測量。

1 概述

設(shè)計一臺直升機旋翼槳轂離心試驗臺，通過變頻器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過減速器后輸出試驗要求的轉(zhuǎn)速驅(qū)動被測旋翼槳轂進行旋轉(zhuǎn)，被測旋翼槳轂轉(zhuǎn)速的升高/降低使離心限動器進行打開/復位動作，通過位移傳感器測量打開/復位動作（被測件上的5 個限動器）的位移量，當位移量達到設(shè)定值時，判斷被測旋翼槳轂是否完全打開/復位，系統(tǒng)記錄完全打開和復位時被測件的轉(zhuǎn)速，對比實際轉(zhuǎn)速和技術(shù)要求轉(zhuǎn)速，判斷被測件安裝是否合格。

試驗臺由外罩、測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。外罩起防護作用，測試系統(tǒng)為被測件試驗提供滿足要求的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)對試驗過程中的參數(shù)進行監(jiān)控、顯示、儲存、打印等。

2 改造性能指標

驅(qū)動電機選用22kW、1500r/min，滿足主軸轉(zhuǎn)速0 ～300r/min 的試驗范圍并可調(diào)；主軸承重1t 以上；能夠滿足在試驗狀態(tài)下模擬直升機旋翼槳轂動態(tài)穩(wěn)定工作狀態(tài)的要求，并對限動器完全打開和閉合時的位移量進行測量，實現(xiàn)自動記錄及試驗結(jié)果打??；試驗臺臺體內(nèi)部有高強度鋼絲防護網(wǎng)，確保零件飛出時不會傷及試驗臺外部人員。

3 改造方案

3.1 機械部分

3.1.1 外殼組件

外殼組件由外殼底座、外殼、移動門等組成，外殼應(yīng)有足夠強度和剛度，外殼內(nèi)部四周加裝鋼絲防護網(wǎng)，防止試驗過程中飛車。移動門完全打開時，被測件可以從試驗臺上方或者前方進入試驗臺安裝，移動門最大開合距離為1950mm。移動門上安裝電磁鎖，若未完全閉鎖，電機將無法啟動。外殼組件具體構(gòu)成如圖1 所示。

3.1.2 測試系統(tǒng)

圖1 外罩組件示意圖

測試系統(tǒng)驅(qū)動被測件旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)由臺架底座、電機、減速器、聯(lián)軸器、傳動軸、穿孔滑環(huán)、調(diào)平托盤、轉(zhuǎn)盤軸承、軸承座、支架等組成，傳動布局如圖2所示。

測試系統(tǒng)原理：由電機提供0 ～1500r/min 的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過減速器減速后為0 ～300r/min，驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動安裝在主軸上的被測件同步旋轉(zhuǎn)。電機為變頻電機，通過變頻器改變電機的頻率實現(xiàn)調(diào)速。被測件通過花鍵副與主軸對中定位，5 個支腳放置在托盤上的5 個調(diào)平螺栓上，最后用鎖緊螺母壓緊被測件。托盤上安裝有5 個位移傳感器，與被測件的1 ～5 號限動器對應(yīng)，用于測量被測件旋轉(zhuǎn)過程中限動器移動的位移量。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)速持續(xù)升高，限動器進行打開動作，當動作位移量達到或超過設(shè)定值時，系統(tǒng)判定限動器完全打開，并記錄達到此位移量時的轉(zhuǎn)速；然后轉(zhuǎn)速持續(xù)降低，限動器進行復位動作，當動作位移量達到或超過設(shè)定值時，系統(tǒng)判定限動器完全復位，并記錄達到此位移量時的轉(zhuǎn)速。調(diào)平托盤外側(cè)5mm 處有一個接近開關(guān)，用于測量調(diào)平托盤的轉(zhuǎn)速（即被測件的轉(zhuǎn)速）。

3.1.3 主要傳動參數(shù)計算及選型

1）驅(qū)動電機選型

傳動軸最高轉(zhuǎn)速n=300r/min，理想旋轉(zhuǎn)半徑r=0.9m，傳動軸轉(zhuǎn)速從0 加速到300r/min 時間為25s，傳動軸及軸上零件總重1200kg。

經(jīng)計算，被測件相對于自身軸線：慣性半徑r=0.9m；離心慣性力F離心≈1064836.8N；切 向 慣 性 力F切向≈1357N；轉(zhuǎn)動慣量J=486kg·m2；角加速度為1.26rad/s2；轉(zhuǎn)矩T=J·Е=486×1.26=612.36N·m； 功 率P=Tn/9550≈19kW；減速比為5:1，所需電機的扭矩為122.472N·m，轉(zhuǎn)速為1500r/min。

按上述結(jié)果選用低壓變頻電機，額定轉(zhuǎn)速為0 ～1470r/min（50Hz 時同步轉(zhuǎn)速1500r/min），標稱功率22KW，額定轉(zhuǎn)矩140N·m。

圖2 測試系統(tǒng)傳動示意圖

2）減速器選型

試驗需求轉(zhuǎn)速為0 ～300r/min，電 機 轉(zhuǎn) 速 為1500r/min（50Hz），所 以減速比為1500r/min÷300r/min=5。因試驗需求的轉(zhuǎn)速低，試驗時間短，減速器發(fā)熱量較少，冷卻潤滑選擇油浸方式，選擇直角軸減速器，減速比5:1，輸入轉(zhuǎn)速0 ～1500r/min，輸出轉(zhuǎn)速0 ～300r/min，公稱功率310kW，公稱扭矩9800N·m，輸出軸為內(nèi)花鍵軸，傳動軸通過花鍵副與減速器相連，傳遞功率和扭矩。

3）傳動軸選型

傳動軸為試驗臺關(guān)鍵元件，穿孔滑環(huán)、調(diào)平托盤、被測件均安裝在傳動軸上，因此傳動軸需要較高的強度和剛度，還需承受1t 的重量。

a.按扭轉(zhuǎn)強度計算

主軸豎直安裝，只受扭矩作用，故A值取小，材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，A值取103，代入式（1）得

傳動軸最小軸徑為外花鍵軸（增加5% ～7%），故軸徑最小為φ46.13mm，圓整后取φ50mm 為最小軸徑。

b.按扭轉(zhuǎn)剛度計算

因傳動要求較高，式（2）中的B取129，則傳動軸最小軸徑為外花鍵軸（增加5%～7%），故軸徑最小為φ71.82mm，圓整后取φ75mm 為最小軸徑。根據(jù)被測件的定位尺寸及對原有設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)的測繪數(shù)據(jù)，確定階梯軸各段的軸徑及長度。其余各部件按計算完成選型。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)控制變頻電機和測量限動器的狀態(tài)等。通過PLC 采集接近開關(guān)、位移傳感器信號、急停按鈕、滑動門鎖等開關(guān)信號，經(jīng)由數(shù)據(jù)通信傳輸至工控機，控制輸出各指示燈、電機的運行指令。測量限動器的位移達到打開設(shè)定值時，認為限動器打開，并記錄此時的轉(zhuǎn)速；測量限動器的位移達到閉合設(shè)定值時認為限動器閉合，記錄此時的轉(zhuǎn)速。操作臺及控制原理如圖3 所示。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 軟件概述

試驗臺軟件采用成都銳能科技有限責任公司專門為離試驗臺開發(fā)的測試軟件，工控機操作系統(tǒng)為Win10/Win7。

軟件可實現(xiàn)自動/手動執(zhí)行、設(shè)備參數(shù)配置、采集通道標定、用戶管理等多種功能，人機界面友好，操作方便快捷，能較好地滿足旋翼限動作動塊的測試需求。操作人員通過軟件界面執(zhí)行簡單配置后即可建立適用于不同試驗臺的測試流程。

本軟件也能完成測試流程的執(zhí)行，測試界面可顯示動態(tài)波形圖、數(shù)據(jù)表等，操作人員可定義界面顯示模式、參數(shù)等。測試過程中，本軟件可對實時采集信號提供多種信號處理及通道計算方法，試驗數(shù)據(jù)可動態(tài)存儲。試驗數(shù)據(jù)可通過回放、格式轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)的分析和后處理。

3.3.2 軟件特點

本軟件采用測控領(lǐng)域軟件專業(yè)架構(gòu)，具備測控常用的測試方法，集成多種數(shù)據(jù)處理、分析算法和控制模式，采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，能幫助用戶快速構(gòu)建滿足需求的測試流程。模塊化設(shè)計的優(yōu)點是：將操作步驟按功能劃分，創(chuàng)建可配置的操作步驟模塊，使測試步驟的編寫人員不需編寫代碼，根據(jù)測試要求，逐條配置測試步驟即可完成復雜的測試流程。

圖4 軟件主界面

軟件采用的模塊化設(shè)計思想，在不改變系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加、取消或更改硬件配置后，軟件只需進行簡單的修改更新即能使用。針對不同的測試對象，可創(chuàng)建自定義的硬件配置方式，滿足不同測試需求。在軟件應(yīng)用層，測試界面具備靈活配置性，測試界面的建立將滿足大多數(shù)液壓測試需求，界面顯示參數(shù)可由用戶配置，成為具有用戶自定義效果的測試界面。軟件主界面如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文提出一種直升機旋翼槳轂離心試驗臺設(shè)計理念，能夠有效實現(xiàn)某型直升機旋翼槳轂離心限動器維修后的性能檢測，并做出是否合格的評估。同時引入在線測量和設(shè)備健康管理的新思路方法，在設(shè)計環(huán)節(jié)考慮預(yù)留接口和余量，為之后的改型及改造留下空間。該型試驗臺設(shè)計方法不唯一，重點是如何有效模擬直升機旋翼槳轂的工作狀態(tài)并實現(xiàn)需求指標的實現(xiàn)。