于之靖，郭威

(中國民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備研究基地，天津300300)

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，民航運輸業(yè)也進入一個快速發(fā)展時期。隨著機隊規(guī)模的快速發(fā)展，飛機故障頻次逐漸加大，對維修時間要求越來越嚴(yán)。在飛機起飛以及著陸等低速階段，安裝在機翼前緣和后緣的襟翼是飛機的重要的增升裝置。襟翼的傳動機構(gòu)復(fù)雜，所以由于襟翼系統(tǒng)故障造成的飛行安全事故時有發(fā)生。例如2007年6月22日北京飛往英國希思羅機場的A340 飛機就因襟翼卡阻故障而兩度放油返航。襟翼內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)中襟翼驅(qū)動器起到類似減速箱的作用，是實現(xiàn)襟翼收放動作的核心部件。通過315∶1的傳動比，將高速運轉(zhuǎn)的襟翼驅(qū)動軸的小扭矩轉(zhuǎn)換成為襟翼驅(qū)動搖桿的大扭矩，從而控制襟翼的展開和收回，起到改變翼型彎度、增加機翼面積和保持層流流動的作用，使飛機可以在機翼面積有限的情況下，產(chǎn)生足夠的升力。因此，襟翼驅(qū)動器是襟翼傳動機構(gòu)的關(guān)鍵部件，對其進行定期維護、故障檢修以及性能測試就顯得尤為重要。

在國外，只有豪富(Goodrich)針對其本身生產(chǎn)的襟翼驅(qū)動器開發(fā)的測試系統(tǒng)和Emprise 公司與相關(guān)大學(xué)為Curtiss-Wright Flight Systems 開發(fā)的針對Boeing 747/767 等系列機型的襟翼驅(qū)動器測試臺。由于技術(shù)封鎖，上述襟翼驅(qū)動器測試系統(tǒng)沒有對外發(fā)售和展示，因此極大地影響到國內(nèi)的維修與測試能力。目前，國內(nèi)對襟翼驅(qū)動器及其傳動系統(tǒng)的深度維修和測試工作在國內(nèi)尚屬空白，在適航規(guī)定周期(每300 飛行小時)的檢修和測試工作一般要返回國外進行，維修周期較長，這就需要相應(yīng)航空公司增加航材的備件種類和數(shù)量。如對應(yīng)空客A319/A320 系列，就有791、792、793、794 等系列多個型號襟翼驅(qū)動器，單臺價格在100 ～200 萬元人民幣，極大地增加了維修成本，同時嚴(yán)重地影響到飛機的維修效率，不利于我國大力發(fā)展大飛機項目的長遠規(guī)劃。為此，針對空客A319/A320 飛機研制了一套襟翼驅(qū)動器測試系統(tǒng)，對襟翼驅(qū)動器進行性能、故障測試，減小飛機飛行事故的概率，提高國內(nèi)襟翼驅(qū)動器的深度維修能力。

文中介紹的襟翼驅(qū)動器液壓加載系統(tǒng)是整個測試系統(tǒng)的液壓加載部分。襟翼驅(qū)動器在工作過程中，其輸出軸端最大扭矩將達到5 000 N·m 的動態(tài)載荷，并且在扭矩限制器失效時，為了避免襟翼驅(qū)動器損壞，還要實現(xiàn)可靠保護。故需要對襟翼驅(qū)動器在實際工作中的輸出軸端工況進行模擬，檢測其是否達到適航要求，必須采取穩(wěn)定可靠的加載方式。如果采用常規(guī)的機械加載或電加載模式，將極大地增加測試系統(tǒng)的體積或造價，并且安全防護措施難于實現(xiàn)，造成可能的被測襟翼驅(qū)動器二次損壞。為此研究采用電液比例控制的液壓馬達加載方式，減小系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)測試的靈活性和可靠性。以S-300PLC 為核心，通過模擬量輸出模塊按照一定的邏輯順序通過輸出電壓信號連續(xù)、按比例地對液壓回路壓力進行調(diào)節(jié)，控制液壓馬達對被測襟翼驅(qū)動器的扭矩加載。

1 系統(tǒng)電氣組成

被測襟翼驅(qū)動器結(jié)構(gòu)上為不規(guī)則小型齒輪箱，安裝在特殊設(shè)計的測試臺上。平臺采用導(dǎo)軌和微調(diào)機構(gòu)，便于被試件的拆裝和測試系統(tǒng)的調(diào)校;輸入軸端輸入扭矩由伺服電機給出，在此不作詳細介紹;輸出軸端連接扭矩傳感器和液壓馬達。電氣控制系統(tǒng)安裝在電氣控制柜中，采用西門子面板式工控機PC670作為上位機，通過組態(tài)軟件WinCC 與下位機PLC 實現(xiàn)通訊和監(jiān)控。

S7-300PLC 是西門子公司出品的一種經(jīng)典的工業(yè)控制單元，其良好的性能、豐富的擴展模塊和人性化的人機交互方式使其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。采用S7-300PLC 作為下位機，控制液壓回路主要元件并采集傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)反饋;傳感器負責(zé)現(xiàn)場模擬信號的采集。整個測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及液壓加載系統(tǒng)實物圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)及液壓站

2 液壓加載回路原理

液壓加載回路如圖2所示。測試項目要求加載馬達能夠提供0 ～5 000 N·m 的雙向轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)中，加載電機和泵源為系統(tǒng)提供壓力;溢流閥控制系統(tǒng)壓力上限從而保證測試安全性;PLC 通過數(shù)字開關(guān)量控制中間繼電器，控制電磁換向閥閥芯位置改變油液流向，從而改變加載馬達轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)正反向測試;PLC 通過模擬量輸出模塊向比例溢流閥輸出電壓信號，通過控制系統(tǒng)壓力在0 ～5 000 N·m 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)馬達輸出扭矩。

圖2 加載系統(tǒng)液壓回路

3 系統(tǒng)選型和軟件程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 系統(tǒng)元件選擇

對加載馬達的要求是實現(xiàn)0 ～5 000 N·m 的扭矩加載。測試時被測件驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速維持在0 ～392 r/min，根據(jù)傳動比得出馬達轉(zhuǎn)速應(yīng)在0 ～1.25 r/min。故選擇低速大轉(zhuǎn)矩徑向柱塞式馬達INM5-2000。該馬達活塞與擺缸不存在側(cè)向力，活塞底部設(shè)計成靜壓平衡，活塞與曲軸之間通過滾動軸承傳遞扭力，這些均減少了傳力過程中的摩擦損失，具有高的機械效率、啟動扭矩(啟動時機械效率0.92以上)等特點;液壓泵源選擇CBN-F308 型齒輪泵，該型泵結(jié)構(gòu)簡單、效率高、使用可靠，額定輸出壓力為20 MPa，最高可達到25 MPa，滿足回路控制壓力要求;比例溢流閥選擇ATOS 的RZMO 型直動溢流閥。PLC 輸出的模擬電壓信號不能直接控制比例閥，必須經(jīng)過放大器的轉(zhuǎn)換。選用ATOS 的E-MI-AC 型電子放大器，將輸入(電壓)信號轉(zhuǎn)化成比例閥所需適當(dāng)?shù)尿?qū)動電流以校準(zhǔn)閥的調(diào)整量，使之與輸入(電壓)信號相對應(yīng)。轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

圖3 比例閥控制方式示意圖

為了穩(wěn)定地控制系統(tǒng)壓力，必須確定比例溢流閥的死區(qū)。比例閥的輸入電壓U 與壓力輸出信號p 關(guān)系如圖4所示。圖中曲線表明:電壓高于0.1 V 時，比例閥打開，故為保證比例閥連續(xù)可調(diào)，PLC 程序設(shè)計中輸入放大器的模擬電壓必須大于0.1 V。

圖4 比例閥U(V)－p(MPa)特性曲線

3.2 PLC 控制程序的設(shè)計與實現(xiàn)

選用314C-2DP 型PLC。電源模塊提供24 V 直流電，自帶24 入/16 出數(shù)字量單元和5 入/2 出模擬量單元。CPU 主要負責(zé)程序的設(shè)計、存儲、數(shù)據(jù)處理等功能;數(shù)字量單元主要負責(zé)接受現(xiàn)場開關(guān)量信號，經(jīng)過光電隔離與濾波，把信號輸送到輸入緩沖區(qū)等待采樣，并通過背部總線把開關(guān)信號以二進制方式寫入輸入過程映像表;模擬量單元通過A/D 或D/A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號數(shù)據(jù)的寫入或輸出。輸入模擬量包括:扭矩(0 ～10 V)、系統(tǒng)壓力(0 ～10 V)、油溫(Pt100)，反饋模擬量經(jīng)由PLC 的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為信號的實際值，顯示在監(jiān)控界面上。監(jiān)控程序設(shè)有報警功能，當(dāng)系統(tǒng)油溫或壓力超過一定值時，監(jiān)控界面點亮紅燈報警。輸出為比例閥進口壓力控制信號(0 ～10 V)。

加載程序根據(jù)實驗要求設(shè)計為兩種加載方式:定值加載模式和曲線加載模式。定值加載模式下，通過模擬量輸出直接控制輸出電壓調(diào)整系統(tǒng)壓力，快速對被測件實現(xiàn)1 000 N·m/2 300 N·m 的加載并維持;當(dāng)設(shè)為曲線加載模式時，由0 線性加載到5 000 N·m，通過用戶給定加載時間t(ms)，通過OB35的循環(huán)掃描實現(xiàn)每次掃描增加 ［(5 000 t)/20］N·m。模擬量輸出對應(yīng)的電壓關(guān)系為10 V，對應(yīng)馬達扭矩上限6 573 N·m，加載扭矩輸入通過操作數(shù)MD50 加以控制，故:

Vout=(nMD50/6 573)×10 +0.1

最后加0.1 是為了防止比例閥關(guān)死。加載程序框圖如圖5所示。

圖5 PLC 扭矩控制流程圖

3.3 加載試驗過程及結(jié)果

(1)定值加載實驗。襟翼驅(qū)動器輸出端扭矩(加載扭矩)保持在1 000 N·m/2 300 N·m，輸入端由伺服電機驅(qū)動速度從0 直至120 r/min 并保持，此時的輸入端力矩若小于6.74/13.04 N·m，表明被測件運轉(zhuǎn)正常。

(2)曲線加載實驗:輸入端速度維持在392 r/min，在設(shè)定時間內(nèi)輸出端扭矩從0 線性加載到5 000 N·m，當(dāng)加載到3 400 ～3 900 N·m 時，襟翼驅(qū)動器上的力矩限制器起作用，扭矩不再增加，此時輸入端扭矩應(yīng)小于70 N·m。反向測試方式同上。監(jiān)控程序中加載扭矩和加載電壓隨加載時間t 的變化趨勢如圖6所示。

圖6 扭矩、電壓隨時間t 變化趨勢圖

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明:電液比例技術(shù)在襟翼驅(qū)動器液壓測試系統(tǒng)中的使用，能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)對扭矩的線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍廣，精度高，響應(yīng)快;通過S7-300PLC模擬量模塊直接控制比例閥，并通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對比例閥死區(qū)的補償，提高了測試的準(zhǔn)確度;操作簡單，WinCC 監(jiān)控界面能夠直接對系統(tǒng)進行控制和監(jiān)控;系統(tǒng)實現(xiàn)了襟翼驅(qū)動器的扭矩測試，解決了結(jié)構(gòu)上的難題，填補了飛機襟翼關(guān)鍵部件適航審定測試在機務(wù)維修領(lǐng)域的空白。能夠應(yīng)用到相關(guān)維修公司/維修基地等單位，一方面能夠打破國外公司的技術(shù)封鎖和維修測試壟斷，提高國內(nèi)對襟翼驅(qū)動器的深度維修測試能力，降低維修測試成本;同時也可以減少備件庫存、縮短維修時間、提高維修效率。

【1】肖英奎.執(zhí)行元件及控制［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

【2】許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

【3】李鵬，侯友夫，楊少軍，等.電液比例溢流閥動態(tài)特性分析［J］.機床與液壓，2009，37(4):72－74.

【4】劉江，譚寶成，牟云霞，等.PLC 在電液比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機電一體化，2008(1):77－79.

【5】沈岷.A320 系列飛機襟翼深度調(diào)節(jié)方法的探討［J］.航空維修與工程，2010(5):41－42.

【6】王野牧，楊智超，何松，等.電液伺服比例綜合實驗臺閥控液壓馬達控制系統(tǒng)研究［J］.電氣技術(shù)與自動化，2011，40(3):161－163.

【7】賈光政，孟祥偉，張富臣，等.基于PLC 的比例控制液壓加載系統(tǒng)［J］.液壓與氣動，2010(7):14－16.

【8】賀克偉，陳軍，徐軍，等.MCS-II 實驗臺電液比例系統(tǒng)設(shè)計及PLC 控制的實現(xiàn)［J］.煤礦機械，2009，29(8):5－8.

【9】胡軍科，何國華，吳時飛.一種高壓大流量電液比例閥的性能測試實驗臺設(shè)計［J］.機床與液壓，2006(1):94－95.