高利娃，李曉寧，張 偉，張 寧

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065；2.全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710089)

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大容積飛機(jī)結(jié)構(gòu)并接充壓試驗(yàn)技術(shù)

高利娃1,2，李曉寧1,2，張 偉1,2，張 寧1,2

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065；2.全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710089)

飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)中，一般采用單通道控制單充氣臺(tái)的方式進(jìn)行充壓。但對(duì)于大容積，這種充壓方式難以滿足試驗(yàn)控制精度。為此，提出一種在原有充壓控制的基礎(chǔ)上，并接一個(gè)充氣臺(tái)進(jìn)行充壓的方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套新的放氣裝置。本文對(duì)原有充壓方法和新方法進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，原充氣方式由于充壓流量較小難以滿足試驗(yàn)要求，而新方法滿足了試驗(yàn)的流量需求，試驗(yàn)精度得到了有效控制。該方法充分地利用了現(xiàn)有充壓設(shè)備，降低了試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

大容積；氣密艙；充壓試驗(yàn)；充氣臺(tái)

1 問(wèn)題描述

飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是新機(jī)研制的主要環(huán)節(jié)之一[1]。機(jī)艙充壓試驗(yàn)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的重要組成部分?，F(xiàn)階段飛機(jī)結(jié)構(gòu)氣密試驗(yàn)，一般采用單通道單充氣臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)[2-3]。小部件充壓加載試驗(yàn)中，一般情況下選用的是25型充氣臺(tái)或50型充氣臺(tái)。由于部件容積較小，載荷也較小，通過(guò)這種充氣方式是完全可以滿足試驗(yàn)要求的。但是某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)中，其充壓部件容積大，充壓載荷大(某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓容積為141.3m3,最大充壓載荷為121.4kPa，而以往的充壓容積最大為80m3，載荷最大為70kPa)?？紤]到這種大容積飛機(jī)結(jié)構(gòu)，25/50型充氣臺(tái)可能難以滿足充壓需求，所以換成較大的充氣臺(tái)，比如MTS261充氣臺(tái)，但是將其應(yīng)用到大容積結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)時(shí)，也難以滿足充壓需求。這是因?yàn)?，單充氣臺(tái)流量較小，加之試驗(yàn)件密封性不好，造成充氣及放氣速度較慢，誤差較大[4-7]。所以，單通道單充氣臺(tái)方法，不經(jīng)技術(shù)改造，直接應(yīng)用于某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)是無(wú)法滿足試驗(yàn)要求的。

基于此，考慮一種在單控制通道中增加充氣臺(tái)的方式來(lái)增大充氣流量的方法解決大容積試驗(yàn)件充氣問(wèn)題，另外由于充氣臺(tái)增加了，充氣量增大，必然放氣量增大，又需要設(shè)計(jì)一套放氣裝置及放氣閥電路?？梢?jiàn)，為了解決大容積飛機(jī)結(jié)構(gòu)充氣，本文需要解決以上難點(diǎn)，所以大容積飛機(jī)結(jié)構(gòu)并接充氣技術(shù)研究是一個(gè)系統(tǒng)工程。

2 改進(jìn)技術(shù)研究

單通道單充氣臺(tái)充氣方法是一個(gè)控制器控制一個(gè)充氣臺(tái)，如圖1所示。圖1中的試驗(yàn)件一般是小部件，容積較小，一個(gè)充氣臺(tái)提供的流量完全可以達(dá)到試驗(yàn)要求。而對(duì)于大容積試驗(yàn)件，這種充氣方式的能力是有限的，所以必須進(jìn)行技術(shù)改造，解決大容積試驗(yàn)件充氣問(wèn)題。需解決的問(wèn)題有兩方面：一是增大充氣流量，二是增大放氣流量。解決方法是：在單通道單充氣臺(tái)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)充氣臺(tái)同時(shí)充氣來(lái)增大充氣流量。因?yàn)槌錃馀_(tái)都帶有放氣管路，所以增加充氣臺(tái)增大充氣流量的同時(shí)，也增大了放氣流量，且兩個(gè)充氣臺(tái)由一個(gè)試驗(yàn)控制通道來(lái)控制。但是，充氣時(shí)的壓力差遠(yuǎn)大于放氣時(shí)壓力差，所以還要解決放氣的問(wèn)題，這就必須再增大放氣流量，由此再增加一路放氣。

圖1 單通道單充氣臺(tái)示意圖

為解決某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)充氣、放氣的控制精度和速度問(wèn)題，提出的解決方案是：?jiǎn)瓮ǖ离p充氣臺(tái)充壓再增加一個(gè)放氣控制閥。

單通道雙充氣臺(tái)的充氣方式，其原理如圖2所示，在MTS充氣臺(tái)[8](261結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)控制器，大型充氣臺(tái))上接一個(gè)50型充氣臺(tái)(自制充氣臺(tái)，小型充氣臺(tái))。在充氣時(shí)，兩個(gè)充氣臺(tái)同時(shí)給試驗(yàn)件充氣，加大了充氣流量，使充氣跟隨性比較好。同時(shí)，在放氣管路上增加一路放氣，加大放氣流量。這路放氣由一個(gè)放氣控制閥來(lái)控制，解決放氣速度比較慢的問(wèn)題，使放氣跟隨性提高。

圖2 單通道雙充氣臺(tái)示意圖

具體實(shí)施方案為：將兩個(gè)充氣臺(tái)內(nèi)部電路進(jìn)行并聯(lián)，在充氣時(shí)，通過(guò)同一路伺服閥電流來(lái)控制對(duì)飛機(jī)機(jī)身充氣，兩臺(tái)充氣臺(tái)保持同時(shí)同指令進(jìn)行充氣。在放氣時(shí)，通過(guò)放氣閥控制盒將MTS充氣臺(tái)及50型充氣臺(tái)串接在一路上進(jìn)行同時(shí)放氣，加快放氣速度。放氣控制盒內(nèi)部電路如圖3所示，其伺服信號(hào)從D通過(guò)光耦合器，經(jīng)過(guò)限流電阻及二極管到達(dá)A，在經(jīng)過(guò)光耦合器時(shí)，內(nèi)部的發(fā)光二極管起作用，這時(shí)24V信號(hào)通過(guò)三極管到放氣閥上的電磁閥，使放氣閥工作，進(jìn)行放氣，以保證放氣速度。在充氣時(shí)，該放氣閥控制電路不起作用，伺服閥信號(hào)從A不能通過(guò)單向二極管，以至于光耦合器不能工作，導(dǎo)致24V信號(hào)不能通過(guò)三極管，使放氣閥的電磁閥處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖3 放氣閥控制盒內(nèi)部電路圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)件選擇某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙，該試驗(yàn)件充壓試驗(yàn)要求在機(jī)身容積為141.3m3的狀態(tài)下充壓到121.4kPa。

3.1 單通道單充氣臺(tái)充壓試驗(yàn)

在該型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)時(shí)，首先采用單通道單充氣臺(tái)充壓方法，選用了MTS充氣臺(tái)(261結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)控制器)進(jìn)行充壓。

試驗(yàn)過(guò)程按照載荷譜逐級(jí)施加載荷進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)調(diào)試才能確認(rèn)試驗(yàn)方法是否合適。載荷最大為80kPa，加載端值數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果顯示，充、放氣速度均較慢，控制誤差也很大，且充、放氣時(shí)間較長(zhǎng)。

圖4 命令和反饋試驗(yàn)調(diào)試曲線

由于試驗(yàn)前對(duì)機(jī)身氣密艙未進(jìn)行氣密性測(cè)試，可能氣密艙存在漏氣情況。鑒于此，對(duì)氣密艙進(jìn)行堵漏后，開(kāi)始第二次試驗(yàn)調(diào)試，堵漏后加載端值數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。對(duì)氣密艙進(jìn)行了堵漏后，試驗(yàn)結(jié)果有所改善，但是誤差仍較大，難以滿足試驗(yàn)要求。

圖5 堵漏后命令和反饋試驗(yàn)調(diào)試曲線

影響試驗(yàn)曲線的直接原因是單通道單充氣臺(tái)充壓方法的能力有限，難以滿足氣密艙對(duì)流量的需求。單通道單充氣臺(tái)方法適用于部件容積和載荷較小的試驗(yàn)，對(duì)某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)，試驗(yàn)件密封性不好，也是造成充氣速度慢的原因之一，但是該問(wèn)題解決后，問(wèn)題依然存在。

可見(jiàn)，單通道單充氣臺(tái)方法，不經(jīng)技術(shù)改造，直接應(yīng)用于某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙充壓試驗(yàn)是無(wú)法滿足試驗(yàn)要求的。所以本文利用單通道雙充氣臺(tái)方法進(jìn)行氣密艙的充壓試驗(yàn)。

3.2 單通道雙充氣臺(tái)充壓試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程按照調(diào)試載荷逐級(jí)施加載荷進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，調(diào)試載荷最大設(shè)為80kPa ，加載端值數(shù)據(jù)如圖6所示。兩個(gè)充氣臺(tái)充、放氣較平穩(wěn)，跟隨性較好，誤差在1%以內(nèi)，滿足調(diào)試要求?？梢?jiàn)，該方法可以在大容積充壓試驗(yàn)中應(yīng)用。

圖6 改進(jìn)后命令和反饋試驗(yàn)調(diào)試曲線

將本方法應(yīng)用于某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙極限載荷試驗(yàn)中。充壓容積141.3m3，充壓載荷121.4kPa，如圖7所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，控制精度比較理想，控制誤差小于1%，命令反饋跟隨性良好。

圖7 改進(jìn)后命令和反饋試驗(yàn)曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)以往充壓加載技術(shù)局限性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了單通道對(duì)大容積、大載荷充壓試驗(yàn)進(jìn)行加載的控制。該方案成功應(yīng)用于某型飛機(jī)機(jī)身氣密艙極限載荷試驗(yàn)，同時(shí)，在實(shí)施過(guò)程中，充分地利用了現(xiàn)有充壓設(shè)備，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)。該方案的放氣技術(shù)也已成功地應(yīng)用于某型飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中。

[1]劉金甫.飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的研制及其發(fā)展動(dòng)向[J].測(cè)控技術(shù),1992,18(4):8-9.

[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[3]楊剛,徐小偉,高隆隆,等.高壓氣體定容積充放氣的特性[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,36(3):42-46.

[4]Jelali, M., and Kroll, A. Hydraulic servo-systems: modeling, identification, and control[M].British: Springer, 2003.

[5]李超,粱浩,王飛,等.容器放氣性能研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(1):163-165.

[6]吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1995.

[7]SMC(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[8]MTS System Corporation. Aerospace Testing Solutions[Z].2012.

Experimental Study on Pressurized Technology for Large Volume Aircraft Structure

Gao Liwa1,2, Li Xiaoning1,2, Zhang Wei1,2, Zhang Ning1,2

(1.Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China;2.Full Scale Aircraft Structural Static/Fatigue Laboratory of China, Xi′an 710089, Shaanxi, China)

A charge method of single channel and single inflator is widely used in air pressure test for airtight cabin of fuselage. But it is difficult to control accuracy for large volume aircraft structure. To solve the problem, a charge method of single channel and double inflators is developed, and the defilation setup is designed. The paper contains experimental study on two methods. The results of the study show that the new method is effective. The new method uses current charge device to decrease test cost and risk.

large volume; airtight cabin; pressurized test; inflator

2016-08-11

高利娃(1974—)，女，陜西臨潼人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)控制。

V216.1+4

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.021