康峰

摘要 ：本文著重分析由加拿大Mechtronix制造的波音737-800全動(dòng)飛行模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)--鉸鏈接口，該模擬機(jī)由Rexroth公司提供的液壓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。本文研究了HSE-6-MS-60-C-5/D型液動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的頂部萬(wàn)向接頭和平臺(tái)之間的界面。本文的目的是：能夠設(shè)計(jì)和制造集成在上述系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的平臺(tái)鉸鏈接口。

關(guān)鍵詞：6自由度；上鉸鏈最大負(fù)載；上鉸鏈；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

1、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

Rexroth 液壓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的主要屬性如下：

- 型號(hào)： HSE-6-MS-60-C-5/D

- 自由度： 6

- 作動(dòng)筒行程： 1524mm（60英寸）

- 上鉸鏈最大負(fù)載： 11385kg（25100 磅）

2、 運(yùn)動(dòng)基座

運(yùn)動(dòng)基座包括以下部分：

-3 x 萬(wàn)向鉸鏈上支座組件

-6 x 運(yùn)動(dòng)伺服作動(dòng)筒

-3 x 萬(wàn)向鉸鏈下支座組件

-3 x 地面安裝板

2.1 軸定義

6個(gè)伺服作動(dòng)筒連接著上下萬(wàn)向鉸鏈支座，可以完成6的自由度方向和位移變化，以下圖2.1為6自由度軸的定義和運(yùn)動(dòng)作動(dòng)筒的編號(hào)

圖2.1軸定義

用下列名稱(chēng)代表六個(gè)自由度。

縱向（Surge）） ： X方向位移

橫向（Sway）） ： Y方向位移

垂直（Heave）） ： Z方向位移

橫滾（Roll）） ： 繞X軸的旋轉(zhuǎn)

俯仰（Pitch）） ： 繞Y軸的旋轉(zhuǎn)

航向（Yaw）） ： 繞Z軸的旋轉(zhuǎn)

3、上平臺(tái)--鉸鏈接口

3.1頂部接頭旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置

本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系如圖2-1所示。該圖也給出頂部和底

部接頭的編號(hào)規(guī)定。所有的坐標(biāo)系都是右手直角坐標(biāo)系。每一軸的正向，順時(shí)針?lè)较蚴切D(zhuǎn)的正方向。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系固定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系的XY平面位于頂部連接面內(nèi)，Z軸向下。 旋轉(zhuǎn)： 右手直角坐標(biāo)系，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)

圖3.1 坐標(biāo)系定義

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于頂部接頭旋轉(zhuǎn)點(diǎn)所組成的三角形的質(zhì)心，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)（MRP）。頂部接頭旋轉(zhuǎn)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)如表3-1所示

表3—1 上鉸鏈坐標(biāo)系

3.2 萬(wàn)向接頭配置

頂部萬(wàn)向接頭被集成為三個(gè)組件，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一角一個(gè)。

3.3 接頭和平臺(tái)的連接

頂部萬(wàn)向接頭應(yīng)用螺栓固定以支撐集成在平臺(tái)中的板。連接接頭與平臺(tái)的螺栓必須要預(yù)載以承載剪切力FXY（頂部接頭與平臺(tái)之間）和螺栓上的最大拉力。剪切力FXY是由頂部接頭與平臺(tái)之間的摩擦帶來(lái)的。需要192 kN 的預(yù)載。一個(gè)螺栓上的最大拉力為264 kN。這些值包括了一個(gè)為2的安全系數(shù)。為了將預(yù)載分散在平臺(tái)上，需要大的墊圈。

使用下列材料可以使連接滿足這些要求：

（1）數(shù)目是一個(gè)頂部接頭的。系統(tǒng)包括三個(gè)頂部接頭。

（2）該值包括了一個(gè)額外的1.4的安全系數(shù)，以保證所需預(yù)載。

該安全數(shù)取決于鉸鏈方式所列出的材料和扭矩能夠?yàn)轫敳拷宇^的最差負(fù)載情況提供為2的安全系數(shù)。為避免妨礙作動(dòng)筒，在頂部接頭的上表面以下不安裝任何設(shè)備。

4、平臺(tái)設(shè)計(jì)力

每一頂部接頭加載有兩個(gè)伺服作動(dòng)筒。考慮到了下列負(fù)載情況：

最差負(fù)載情況：

一個(gè)作動(dòng)筒以額定力負(fù)載頂部接頭，另一個(gè)作動(dòng)筒以最大力載頂部頭。

額定力是正常操作時(shí)可能產(chǎn)生的力，是提供指定性能所需的力。最大力是在故障（緩沖，閥無(wú)效等）時(shí)可能產(chǎn)生的力。對(duì)所有可能的系統(tǒng)位置（伸長(zhǎng)和縮短作動(dòng)筒的64種組合）都進(jìn)行了研究以找到在連接單元上產(chǎn)生的力與力矩以及螺栓上的最大拉力。結(jié)果見(jiàn)圖4-1。一個(gè)螺栓上的最大拉力為132 kN。這些結(jié)果不包含安全系數(shù)。

圖4-1 平臺(tái)設(shè)計(jì)力

5、平臺(tái)設(shè)計(jì)加速度

正常操作期間，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)至少能夠產(chǎn)生下列非同步加速度：

沖擊：6m/s2 （20英尺/ s2 ） 橫滾：144度/s2

振動(dòng)：6.6 m/s2 （22尺/ s2 ） 俯仰：132度/s2

垂直：20 m/s2 （66尺/ s2 ） 航向： 504度/s2

這些值是理論值，是用作動(dòng)筒能夠產(chǎn)生的最大額定力計(jì)算得出的。

在正常模擬時(shí)，因?yàn)橛密浖M(jìn)行了限制所以不會(huì)達(dá)到這些值。在手動(dòng)操作時(shí)，一定的檢測(cè)信號(hào)（例如階躍響應(yīng)）可能產(chǎn)生這些加速度。 這些值不包括常規(guī)的重力加速度。

在最差情況故障時(shí)，假定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠在鉸鏈以上負(fù)載（LAK）的COG（重心）處產(chǎn)生的最大加速度為2.5g，這個(gè)2.5g的加速度矢量的方向未知，并且它不包括常規(guī)的重力加速度。

6、平臺(tái)設(shè)計(jì)剛度

平臺(tái)內(nèi)的支撐板的最小local共振頻率應(yīng)高于20Hz。該數(shù)字可以用每個(gè)支撐板的反射質(zhì)量為50000kg（每個(gè)作動(dòng)筒25000kg）計(jì)算得出。

如圖4-1圖中畫(huà)出了作動(dòng)筒1和6的頂部墊片 給出了最差情況：

一個(gè)作動(dòng)筒205 kN /-115kN

一個(gè)作動(dòng)筒91 kN /-34kN

在坐標(biāo)系原點(diǎn)產(chǎn)生的力：

FX-min = -115756 N FX-max = 193907 N

FY-min = - 209825 N FY-max = 156065 N

FZ-min = -256287 N FZ-max = 131114 N

FXY-max = 223227 N

MX-min = -25105 Nm MX-max = 20304 Nm

MZ-min = -18970 Nm MZ-max = 14672 Nm

FXY是XY平面內(nèi)的力矢量。

7、結(jié)束語(yǔ)

以上給出的是關(guān)于全動(dòng)模擬器上鉸鏈平臺(tái)力的指標(biāo)，這對(duì)于全動(dòng)模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的搭建和保證安全正常飛行時(shí)相當(dāng)重要的。

本人從事模擬機(jī)維護(hù)工作24年，維護(hù)過(guò)包括加拿大CAE公司，加拿大Mechtronix公司和我國(guó)第一臺(tái)全動(dòng)Y7-100模擬機(jī)，深知我們國(guó)家的模擬機(jī)和先進(jìn)國(guó)家模擬機(jī)的差距，尤其在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上有著巨大的差距，這就要求我們對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)理論深入的分析，研制出先進(jìn)的接口鉸鏈組件和低速性能好，承載能力強(qiáng)，頻響快的驅(qū)動(dòng)元件，提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的平滑性和穩(wěn)定性。隨著我國(guó)的大飛機(jī)CRJ-21的投入商業(yè)運(yùn)行，和C919的試飛成功，中國(guó)的大飛機(jī)已逐步跨進(jìn)世界先進(jìn)水平，相信總有一天我們的國(guó)產(chǎn)模擬機(jī)也將進(jìn)入世界先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]張日華.六自由度飛行模擬器的單通道電液位置伺服系統(tǒng)的研究 [J]哈爾濱工業(yè)大學(xué) 學(xué)報(bào)，1997.

[2] 吳重光.仿真技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]王行仁 飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)技術(shù)[M] 北京：北京航天航空大學(xué)出版社.1998.

[4]王旭水，駱函秀，吳江宇，等.六自由度并聯(lián)電液伺服平臺(tái)的特點(diǎn)及應(yīng)用 [J] 液壓與氣動(dòng) 1995 .

（作者單位：中國(guó)民航飛行學(xué)院模擬機(jī)訓(xùn)練中心）