胡　明　章　斌　陳文華　田芳菲　張　虹　周小紅

1.浙江理工大學(xué)機(jī)電產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,3100182.北京機(jī)電工程研究所,北京,100074

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折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

胡明1章斌1陳文華1田芳菲1張虹2周小紅2

1.浙江理工大學(xué)機(jī)電產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州,3100182.北京機(jī)電工程研究所,北京,100074

基于折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的工作原理和功能需求，確定了折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)試方法，完成了其測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)及原理樣機(jī)研制。應(yīng)用所研制的折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置進(jìn)行折疊翼展開(kāi)性能試驗(yàn)，獲得其各項(xiàng)性能指標(biāo)，并通過(guò)不同轉(zhuǎn)矩下折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置試驗(yàn)，分析其性能參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：彈翼能迅速展開(kāi)到位，鎖緊銷(xiāo)與過(guò)位擋塊能實(shí)現(xiàn)翼面準(zhǔn)確定位、可靠鎖定，且展開(kāi)過(guò)程中各部件之間相互無(wú)干涉，滿足設(shè)計(jì)要求。

折疊翼；展開(kāi)機(jī)構(gòu)；測(cè)試裝置；試驗(yàn)驗(yàn)證

0　引言

折疊翼用于縮小導(dǎo)彈橫向尺寸,節(jié)省發(fā)射裝置貯運(yùn)空間，便于箱筒式發(fā)射，增加車(chē)輛、艦艇和飛機(jī)等的運(yùn)載能力,提高武器裝備的綜合作戰(zhàn)效能。折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)主要用于保證折疊翼面的順利展開(kāi)，其性能直接影響展開(kāi)的快速性、穩(wěn)定性及可靠性。目前，折疊翼主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈，且通常在大翼展巡航導(dǎo)彈中使用，如美國(guó)的ALCM和SLCM導(dǎo)彈翼面[1-3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)折疊翼測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與展開(kāi)試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究。劉賀等[4]對(duì)折疊翼負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),設(shè)模擬系統(tǒng)可等效模擬彈翼旋轉(zhuǎn)90°的展開(kāi)過(guò)程。馬玉勇等[5]以剪刀翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)為對(duì)象,設(shè)計(jì)了折疊翼展開(kāi)負(fù)載模擬裝置，模擬不同飛行攻角條件下折疊翼展開(kāi)時(shí)的升力負(fù)載和阻力負(fù)載。李莉等[6]設(shè)計(jì)了一套剪刀式折疊翼測(cè)試裝置，測(cè)得了展開(kāi)過(guò)程中燃?xì)庾鲃?dòng)筒驅(qū)動(dòng)力對(duì)折疊翼展開(kāi)性能的影響，并測(cè)試了展開(kāi)時(shí)間、沖擊加速度及左右折疊翼的展開(kāi)同步性。

折疊翼展開(kāi)過(guò)程中的性能評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括展開(kāi)時(shí)間、展開(kāi)角度、翼展同步性、展開(kāi)后對(duì)彈體的沖擊力等。為獲得折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的上述性能指標(biāo)，需對(duì)折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試裝置設(shè)計(jì)及展開(kāi)性能試驗(yàn)研究[7-8],以保證導(dǎo)彈發(fā)射后的正常飛行和成功完成預(yù)定任務(wù)。

1　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)工作原理

折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)主要由翼面、驅(qū)動(dòng)裝置、展開(kāi)機(jī)構(gòu)、定位和鎖緊機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。其中，電動(dòng)缸1是折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置用于提供翼面展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力的;推桿2用于傳遞推力和承受載荷的作用；過(guò)位擋塊3緩沖翼面展開(kāi)到位瞬間發(fā)生的沖擊；當(dāng)翼面展開(kāi)到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，鎖緊銷(xiāo)4使其定位鎖緊。折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程如下:電動(dòng)缸1接到信號(hào)后工作，推動(dòng)推桿2,傳遞動(dòng)力，將剪切銷(xiāo)剪斷，推動(dòng)翼面7繞旋轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)展開(kāi)，直至鎖緊銷(xiāo)4動(dòng)作將翼面7定位、鎖緊。通過(guò)上述各組成部件的及時(shí)、準(zhǔn)確動(dòng)作，保證翼面展開(kāi)到規(guī)定位置。

1.電動(dòng)缸　2.推桿　3.過(guò)位擋塊　4.鎖緊銷(xiāo)　5.彈翼旋轉(zhuǎn)軸　6.到位傳感器　7.翼面圖1　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)示意圖

折疊翼的展開(kāi)性能關(guān)系到導(dǎo)彈發(fā)射后能否正常飛行，是設(shè)計(jì)折疊翼時(shí)的重要指標(biāo),應(yīng)滿足以下條件:①折疊翼能迅速展開(kāi)到位，工作可靠，展開(kāi)時(shí)間在1 s以?xún)?nèi)。②展開(kāi)到位后，定位準(zhǔn)確,展開(kāi)角度為90°,允許偏差為±0.5°。③折疊翼完全展開(kāi)到位后，鎖緊可靠，且鎖定后彈翼快速穩(wěn)定。

2　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的工作原理與性能要求，完成測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)及其原理樣機(jī)研制，為折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)提供測(cè)試平臺(tái)。

2.1測(cè)試裝置功能

根據(jù)折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)在展開(kāi)過(guò)程中需測(cè)量的特征量，要求所設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置必須具有以下功能:①測(cè)試折疊翼展開(kāi)性能。測(cè)試折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)能否順利展開(kāi),同時(shí)測(cè)試其展開(kāi)時(shí)間、展開(kāi)角度。②測(cè)試折疊翼展開(kāi)過(guò)程的沖擊力。包括剪切銷(xiāo)沖擊力、過(guò)位擋塊沖擊力和鎖緊銷(xiāo)沖擊力。③測(cè)試折疊翼的振動(dòng)。測(cè)試折疊翼展開(kāi)過(guò)程中翼面上不同位置的振動(dòng)情況。

2.2測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)組成

折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置主要由折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)載荷模擬裝置、測(cè)試系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)四部分組成。

(1)折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)。作為測(cè)試裝置的試驗(yàn)對(duì)象，折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

(2)氣動(dòng)載荷模擬裝置。折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于模擬折疊翼展開(kāi)時(shí)所受到的氣動(dòng)載荷,本文采用斜面上升法模擬,其模擬裝置主要由萬(wàn)向球和模擬墻組成，如圖3所示。萬(wàn)向球的支承底座通過(guò)銷(xiāo)釘固定于折疊翼壓心處，在折疊翼展開(kāi)過(guò)程中，萬(wàn)向球沿著模擬墻運(yùn)動(dòng)，萬(wàn)向球隨著模擬墻高度的上升而上升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)翼面變形的模擬，進(jìn)而間接地模擬折疊翼的氣動(dòng)載荷。

1.萬(wàn)向球　2.模擬墻　3.翼面圖3　氣動(dòng)載荷模擬裝置示意圖

(3)測(cè)試系統(tǒng)。包括展開(kāi)時(shí)間測(cè)量模塊，剪切銷(xiāo)、鎖緊銷(xiāo)和過(guò)位擋塊的沖擊力測(cè)量模塊以及翼面振動(dòng)測(cè)量模塊等。

(4)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)由支撐平臺(tái)、地腳和螺旋升降機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。試驗(yàn)臺(tái)上方安裝支撐平臺(tái)，用來(lái)支撐折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)；試驗(yàn)臺(tái)下方安裝地腳，方便測(cè)試平臺(tái)的移動(dòng)；螺旋升降機(jī)構(gòu)則是利用螺旋傳動(dòng)原理將螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)臺(tái)的上下移動(dòng)，用來(lái)調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)的水平。

1.支撐平臺(tái)　2.地腳　3.螺旋升降機(jī)構(gòu)圖4　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)

2.3折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)量方法

折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)性能參數(shù)包括展開(kāi)時(shí)間、關(guān)鍵部位沖擊力和翼面振動(dòng)。確定各特征參數(shù)的測(cè)量步驟如下：選擇傳感器類(lèi)型、選定對(duì)應(yīng)傳感器量程、確定傳感器測(cè)量方法和安裝位置等。

(1)展開(kāi)時(shí)間測(cè)量。折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的展開(kāi)時(shí)間要求在1 s以?xún)?nèi)，展開(kāi)時(shí)間用光電編碼器進(jìn)行測(cè)量，翼面的起始點(diǎn)(信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻)到終止點(diǎn)(信號(hào)終止時(shí)刻)為展開(kāi)時(shí)間t，根據(jù)光電編碼器測(cè)量的角位移曲線經(jīng)運(yùn)算獲取折疊翼展開(kāi)的角速度和角加速度曲線。

(2)沖擊力測(cè)量。折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)沖擊力大小采用電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器(沖擊力傳感器)進(jìn)行測(cè)量，而在展開(kāi)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力有剪切銷(xiāo)沖擊力、鎖緊銷(xiāo)沖擊力和過(guò)位擋塊沖擊力，上述沖擊力的測(cè)試模塊如圖5所示。

1.剪切銷(xiāo)沖擊力測(cè)試模塊　2.鎖緊銷(xiāo)沖擊力測(cè)試模塊　3.過(guò)位擋塊沖擊力測(cè)試模塊　4.電動(dòng)缸圖5　沖擊力測(cè)試模塊

選用的傳感器型號(hào)為JHBM和JLBS。JHBM型傳感器的主要特點(diǎn)是尺寸小、低高度、全密封，適用于空間有限的場(chǎng)合；JLBS型傳感器承受拉壓力均可，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小等特點(diǎn)。

在折疊翼展開(kāi)過(guò)程中，剪切銷(xiāo)的主要功能是展開(kāi)前對(duì)折疊翼定位，展開(kāi)時(shí)剪切銷(xiāo)被剪斷，且折疊翼展開(kāi)。剪切銷(xiāo)的沖擊力采用沖擊力傳感器進(jìn)行測(cè)量,其傳感器布置如圖6所示。

1.傳感器蓋　2.沖擊力傳感器　3.剪切銷(xiāo)圖6　剪切銷(xiāo)沖擊力測(cè)試裝置示意圖

鎖緊銷(xiāo)的主要功能是當(dāng)折疊翼展開(kāi)到終止位置時(shí)對(duì)折疊翼進(jìn)行自動(dòng)鎖緊。由于鎖緊銷(xiāo)是通過(guò)插入到折疊翼方式鎖緊的,故在測(cè)試沖擊力時(shí)傳感器與鎖緊銷(xiāo)的連接需通過(guò)修改鎖定銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。首先將S形壓力傳感器固定安裝在上蓋板上，通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接件連接到鎖定銷(xiāo)。既保證實(shí)現(xiàn)鎖緊銷(xiāo)的鎖定可靠，又能將沖擊力反饋到壓力傳感器上。

1.鎖緊銷(xiāo)　2.轉(zhuǎn)接件　3.S形壓力傳感器圖7　鎖緊銷(xiāo)沖擊力測(cè)試裝置示意圖

過(guò)位擋塊既能保證折疊翼展開(kāi)時(shí)不會(huì)過(guò)位展開(kāi)，又能輔助鎖緊銷(xiāo)對(duì)折疊翼進(jìn)行鎖定。為了測(cè)量過(guò)位擋塊沖擊力，設(shè)計(jì)其沖擊力測(cè)試裝置，如圖8所示。

1.壓力傳感器　2.過(guò)位擋塊1　3.過(guò)位擋塊2　4.下底板圖8　過(guò)位擋塊沖擊力測(cè)試裝置示意圖

(3)翼面振動(dòng)測(cè)量。折疊翼的翼面振動(dòng)采用加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，在翼面上安裝6個(gè)加速度傳感器來(lái)采集6處位置的加速度曲線，傳感器在翼面上的布局如圖9所示，并根據(jù)加速度曲線來(lái)分析翼面的振動(dòng)情況。測(cè)試過(guò)程中采樣頻率為100 次/s,繪制在連續(xù)單位時(shí)間內(nèi)翼面沿加速度傳感器軸向位移隨時(shí)間變化曲線，進(jìn)而分析出翼面的振動(dòng)情況。

圖9　加速度傳感器分布圖

在傳感器的選擇上，考慮到減少對(duì)翼面結(jié)構(gòu)或質(zhì)量的影響，選用吸附式和非接觸式的加速度傳感器LC0103，可將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄、顯示和采集儀器相連接，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)，提高了測(cè)試精度和可靠性。

2.4折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置總成

本文設(shè)計(jì)的折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置原理樣機(jī)如圖10所示。該樣機(jī)可用于模擬折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)在發(fā)射狀態(tài)下的展開(kāi)過(guò)程，并測(cè)得展開(kāi)時(shí)間、各部件沖擊力及折疊翼的振動(dòng)情況等。

圖10　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置原理樣機(jī)

3　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)性能試驗(yàn)

利用所研制的折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)測(cè)試裝置原理樣機(jī)對(duì)折疊翼進(jìn)行展開(kāi)性能試驗(yàn)。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩設(shè)置為5 N·m,折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)沖擊力測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

(a)剪切銷(xiāo)沖擊力曲線

(b)鎖緊銷(xiāo)沖擊力曲線

(c)過(guò)位擋塊沖擊力曲線圖11　折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)沖擊力測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)測(cè)得折疊翼展開(kāi)時(shí)間為0.875 s,展開(kāi)角度為90.24°。由圖11a可知,在折疊翼展開(kāi)初始階段剪切銷(xiāo)所受沖擊力逐漸增大直至剪斷,剪斷時(shí)剪切銷(xiāo)受到的最大沖擊力為6426 N;由圖11b可知,鎖緊銷(xiāo)是在折疊翼展開(kāi)即將到位時(shí)開(kāi)始起作用，鎖定過(guò)程中產(chǎn)生了多次沖擊后完成鎖定,其最大沖擊力為4276 N,說(shuō)明鎖緊銷(xiāo)在插入翼面銷(xiāo)孔后與翼面發(fā)生多次撞擊后才完成折疊翼的鎖定;由圖11c可知,折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)展開(kāi)到位時(shí)撞擊到過(guò)位擋塊,對(duì)過(guò)位擋塊產(chǎn)生了瞬時(shí)沖擊力,其最大沖擊力為5428 N，說(shuō)明折疊翼在展開(kāi)到位時(shí)撞擊過(guò)位擋塊一次，反彈后即完成了折疊翼鎖定。

在對(duì)翼面振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量后，得到結(jié)論：折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)在展開(kāi)初始位置和展開(kāi)到位時(shí)振動(dòng)較大，其他時(shí)間段振動(dòng)較小且平穩(wěn)，表明折疊翼在展開(kāi)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)剪切銷(xiāo)被剪斷和到位時(shí)翼面與鎖緊銷(xiāo)、過(guò)位擋塊發(fā)生了碰撞，而在展開(kāi)過(guò)程中翼面未與其他部件發(fā)生干涉碰撞。

由于電機(jī)取不同轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)缸的輸出推力值均不同，若改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，其他試驗(yàn)條件不變，即可實(shí)現(xiàn)在不同驅(qū)動(dòng)力下的折疊翼展開(kāi)試驗(yàn)。分別設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)矩為5～10 N·m進(jìn)行折疊翼展開(kāi)性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　折疊翼展開(kāi)過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩的增大，電動(dòng)缸最大推力逐漸增大，展開(kāi)時(shí)間逐漸縮短，展開(kāi)角度在90±0.5°以?xún)?nèi),說(shuō)明折疊翼每次均能展開(kāi)到位且安全可靠鎖定。隨著電動(dòng)缸最大推力的增大，鎖緊銷(xiāo)和過(guò)位擋塊受到的最大沖擊力均逐漸增大，而剪切銷(xiāo)受到的最大沖擊力則基本保持不變。原因是驅(qū)動(dòng)力增大會(huì)使折疊翼展開(kāi)到位時(shí)速度增大,折疊翼動(dòng)能增大導(dǎo)致翼面與鎖緊銷(xiāo)和過(guò)位擋塊的碰撞越激烈，而剪切銷(xiāo)所受的最大沖擊力則在折疊翼開(kāi)始展開(kāi)時(shí)產(chǎn)生,它主要取決于剪切銷(xiāo)的材料和剪斷部位的徑向尺寸，故電動(dòng)缸推力對(duì)剪切銷(xiāo)所受最大沖擊力影響相對(duì)較小。

4　結(jié)論

(1)本文基于折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)工作原理和功能需求，完成了其測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)及原理樣機(jī)研制。

(2)應(yīng)用所研制的折疊翼展開(kāi)測(cè)試裝置，進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)矩下的原理樣機(jī)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：所采用的試驗(yàn)方法可行,測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(3)研究結(jié)果為折疊翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)的可靠性評(píng)估和后續(xù)工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

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(編輯陳勇)

Test Device Design and Experimental Verification of Deployable Mechanism of Folding-wing

Hu Ming1Zhang Bin1Chen Wenhua1Tian Fangfei1Zhang Hong2Zhou Xiaohong2

1.Zhejiang Province’s Key Laboratory of Reliability Technology for Mechanical and Electrical Products,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,310018 2.Beijing Research Institute of Mechanical & Electrical Engineering.Beijing,100074

Based on working principles and functional requirements of folding-wing deployable mechanism,the performance parameter measurement method of a folding-wing deployable mechanism was determined,the test device design and development of principle prototype was completed.Using the developed test device of the deployable mechanism of folding-wing,spread experiments were carried out and the various performance indicators were obtained.According to multiple spreading experiments in different torques,performance parameters the regulations were researched.The group test data show that the folding-wing can unfurl to the appointed place quickly,can be located accurately and locked reliably,and there is no interference between each part during the deployment process.

folding-wing;deployable mechanism;test device;experimental verification

2014-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375458);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LZ12E05004);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)基金優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目(20123318130001)

TJ760.6DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.003

胡明,女,1976年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)橛詈娇臻g機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其可靠性技術(shù)。章斌,男,1989年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院碩士研究生。陳文華，男，1963年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。田芳菲，女，1993年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院碩士研究生。張虹，女，1968年生。北京機(jī)電工程研究所高級(jí)工程師。周小紅，女，1976年生。北京機(jī)電工程研究所高級(jí)工程師。