曹 琦 田婷婷

基于力矩平衡法的飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 琦 田婷婷

飛機(jī)稱(chēng)重工作是飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的一道重要工序，本文基于力矩平衡法系統(tǒng)地介紹了飛機(jī)重量及重心測(cè)量過(guò)程，同時(shí)進(jìn)行了飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能良好，可將飛機(jī)稱(chēng)重工作標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、規(guī)范化，提高了飛機(jī)稱(chēng)重的準(zhǔn)確性和工作效率，對(duì)今后型號(hào)飛機(jī)的稱(chēng)重工作具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

飛機(jī)重量及重心位置的確定對(duì)飛機(jī)的飛行安全有著非常重要的意義，其變化不僅影響飛機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性，同時(shí)還對(duì)飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有一定影響。因此，在飛機(jī)生產(chǎn)以后，飛機(jī)重量重心測(cè)量工作顯的尤為重要。

目前針對(duì)飛機(jī)重量及重心的測(cè)量方法，主要有引力法、懸掛法、力矩平衡法和質(zhì)量矩守恒法等。本文通過(guò)對(duì)目前比較常用的力矩平衡法原理及飛機(jī)稱(chēng)重方式的研究，結(jié)合工作實(shí)際設(shè)計(jì)了飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)。

飛機(jī)稱(chēng)重特點(diǎn)

（1）使用狀態(tài)特殊:飛機(jī)稱(chēng)重為輪重（單支點(diǎn)）累加稱(chēng)重，要求準(zhǔn)確顯示各輪重（單支點(diǎn)）的重量值。

（2）受力狀態(tài)復(fù)雜:飛機(jī)稱(chēng)重時(shí)其各支點(diǎn)為單一的集中載荷，且為輪重（單支點(diǎn)）測(cè)量。

（3）稱(chēng)量時(shí)間長(zhǎng):飛機(jī)稱(chēng)重時(shí)要做各種姿態(tài)調(diào)整、放油等試驗(yàn)，用時(shí)在6h以上。

（4）秤組移動(dòng)使用:一般大噸位電子衡器為固定式，而飛機(jī)稱(chēng)重所用秤體絕大部分為可移動(dòng)式的。

（5）安全性要求:在飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸頻率選用等方面都要進(jìn)行慎重考慮。

力矩平衡法原理

坐標(biāo)系定義

參考坐標(biāo)系定義如圖1所示:A為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取飛機(jī)機(jī)頭位置；X軸取自飛機(jī)水平基準(zhǔn)線，順航向看向后為正；Z軸位于飛機(jī)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)垂直X軸，向上為正；Y軸過(guò)原點(diǎn)且垂直于XZ平面，順航向看向右為正。

力矩平衡法計(jì)算過(guò)程

水平位置時(shí)，選擇機(jī)頭水平測(cè)量點(diǎn)A1為坐標(biāo)原點(diǎn)，由A1點(diǎn)鉛垂交地面與B1點(diǎn)，傾斜位置時(shí)選擇機(jī)頭水平測(cè)量點(diǎn)A2，由A2點(diǎn)鉛垂交地面與B2點(diǎn)。在上述兩種稱(chēng)重狀態(tài)下，記錄3個(gè)秤讀數(shù)及輔助設(shè)備的重量總和。圖2所示各符號(hào)的含義為:Li為每次稱(chēng)重時(shí)Bi點(diǎn)至前輪中心的距離，li為每次稱(chēng)重時(shí)前輪中心與主輪中心的距離，Hi為每次稱(chēng)重時(shí)Ai至地面對(duì)垂直距離，Si為每次稱(chēng)重時(shí)Bi至主輪中心的距離，CGi為飛機(jī)重心位置，XCGi為飛機(jī)沿縱軸距Ai的距離，R為主輪中心至地面的垂直距離，ZCG為飛機(jī)沿豎軸方向重心坐標(biāo)值。

飛機(jī)在水平位置時(shí)，根據(jù)稱(chēng)重測(cè)量結(jié)果，可計(jì)算出飛機(jī)沿X軸的重心坐標(biāo)XCG1。由力矩平衡定律:

式中:Wn1為飛機(jī)水平位置稱(chēng)重時(shí)前輪處秤的讀數(shù)，Wm1為飛機(jī)水平位置稱(chēng)重時(shí)左右主輪秤的讀數(shù)總和。

傾斜位置時(shí)，將前輪抬高一定高度h，抬高角度約為α≈5°。依據(jù)稱(chēng)重與測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出飛機(jī)沿縱軸的值XCG2，沿豎軸方向的重心坐標(biāo)ZCG。

由圖2所示，將已知的測(cè)量值H1、H2、R、S1、S2帶入式（2）、（3）、（4）即可求出α。

圖1 坐標(biāo)系定義

圖2 力矩平衡法計(jì)算過(guò)程解析圖

再由力矩平衡定律:

式中:Wn2為飛機(jī)傾斜位置稱(chēng)重時(shí)前輪處秤的讀數(shù)，kg；Wm2為飛機(jī)傾斜位置稱(chēng)重時(shí)左右主輪秤的讀數(shù)總和，kg。由圖2所示可知:

聯(lián)立解方程（4）、（6）、（7）、（8）得出:

由于，

將式（9）代入式（10）中即可求解出H值。

聯(lián)立方程（1）、（11），可得出重心坐標(biāo)（XCG1，ZCG）。

飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)

飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)意義

傳統(tǒng)稱(chēng)重方法是通過(guò)三臺(tái)稱(chēng)重設(shè)備稱(chēng)量讀數(shù)，再經(jīng)人工讀取讀數(shù)，填寫(xiě)稱(chēng)重定重心測(cè)量表，并計(jì)算重心坐標(biāo)位置。飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取三臺(tái)稱(chēng)重設(shè)備讀數(shù)，稱(chēng)重軟件顯示出讀取的飛機(jī)各支點(diǎn)重量，通過(guò)計(jì)算得出飛機(jī)的總重量及實(shí)際重心三維坐標(biāo)位置并實(shí)時(shí)顯示，最后由打印機(jī)打印出飛機(jī)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)。

通過(guò)比較，飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)更加規(guī)范化、流程化，可減少人為造成的精度誤差影響，確保稱(chēng)重結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高工作效率。

飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)原理

飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)由多套稱(chēng)重傳感器（或稱(chēng)重平臺(tái)）、一套稱(chēng)重儀表箱（含有數(shù)字模塊、電源模塊、RS232數(shù)據(jù)傳輸線等）、一臺(tái)筆記本電腦（含相應(yīng)的稱(chēng)重軟件）等部件組成。其基本原理是從各稱(chēng)重傳感器（或稱(chēng)重平臺(tái)）測(cè)出的力信號(hào)，通過(guò)數(shù)字模塊進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換處理，然后通過(guò)RS232數(shù)據(jù)傳輸線與筆記本電腦連接，由筆記本電腦中的相關(guān)稱(chēng)重軟件對(duì)稱(chēng)重儀表箱傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理解算得到飛機(jī)重量及重心數(shù)據(jù)。飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于力矩平衡原理設(shè)計(jì)的飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)目前有可移動(dòng)平臺(tái)式、千斤頂式和懸掛式。本文將介紹千斤頂式支撐方法的稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。

千斤頂式稱(chēng)重系統(tǒng)

圖3 飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)原理圖

在千斤頂式稱(chēng)重系統(tǒng)中，稱(chēng)重傳感器是核心稱(chēng)重原件。本系統(tǒng)選用四柱式型測(cè)力傳感器，它的材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼，采用高精度四柱式傳感器，與傳統(tǒng)單柱傳感器比較具有，精度高、傳感器抗側(cè)向力強(qiáng)（四柱傳感器同等量程下，四柱傳感器抗彎截面比單柱傳感器抗彎截面明顯增大，抗側(cè)向力滿量程的20%）等特點(diǎn)，非常適合于飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)。

千斤頂式稱(chēng)重系統(tǒng)特點(diǎn):千斤頂?shù)闹吸c(diǎn)選擇在強(qiáng)度和剛度最好的地方，且這些點(diǎn)在飛機(jī)裝配過(guò)程中都進(jìn)行了非常精確的定位。在飛機(jī)進(jìn)行調(diào)水平時(shí)，可以通過(guò)操作千斤頂連續(xù)流暢地完成。而且千斤頂式稱(chēng)重系統(tǒng)便于攜帶，方便用于對(duì)外場(chǎng)飛機(jī)實(shí)施測(cè)量。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)可采用Visual C++高級(jí)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)軟件具備以下功能:

（1）實(shí)時(shí)顯示各支撐點(diǎn)的重量及飛機(jī)總重量；

（2）計(jì)算實(shí)際的飛機(jī)重心三維坐標(biāo)；

（3）屏幕顯示出飛機(jī)重心的具體位置；

（4）繪制飛機(jī)重量改變時(shí)重心變化曲線。

結(jié)語(yǔ)

本文基于力矩平衡法設(shè)計(jì)的飛機(jī)稱(chēng)重系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)稱(chēng)重方法測(cè)量準(zhǔn)確，重復(fù)性好，抗干擾、抗側(cè)向力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)，且具有通用性，可應(yīng)用于今后相關(guān)型號(hào)飛機(jī)的稱(chēng)重工作。同時(shí)系統(tǒng)所配備的稱(chēng)重軟件使用方便、功能多樣，能夠于工程實(shí)際應(yīng)用中提高飛機(jī)稱(chēng)重工作的效率。

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1.中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司試飛中心；2.中航通飛研究院有限公司第五研究室

曹琦（1985-）男，江西湖口人，碩士研究生，工程師，中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司試飛技術(shù)員。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001