崔 雄，陳 亮，白鈞生，李 宋，司 冀

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

0 引言

航空慣性試驗臺是檢驗航空輪胎、機輪和剎車裝置的性能和可靠性的設備[1]，一般由加載設備、鼓輪組件、電機、輔助設備等組成。鼓輪組件提供相當于飛機動能的能量，加載設備模擬飛機重量和姿態(tài)帶動機輪相對鼓輪表面加載。

飛機在跑道上著陸、滑行過程中，機身會產(chǎn)生傾斜姿態(tài)，機輪與地面會形成一定的傾斜角度。為了測試機輪在傾斜狀態(tài)下的性能，試驗臺除能模擬飛機垂直鼓輪軸線(水平面內(nèi))加載外，還應模擬飛機傾斜加載，包括徑向-側向聯(lián)合載荷試驗[2]，動力矩試驗等[3]。

因此，需要設計一套傾斜調(diào)姿裝置完成傾斜加載試驗。目前已有的航空慣性試驗臺，實現(xiàn)傾斜調(diào)姿的方法有如下幾種：一種是通過行車驅(qū)動繩索、導向滑輪拉動加載設備后端在水平面旋轉實現(xiàn)傾斜角度模擬。該設計的缺點是傾斜角度、精度難以調(diào)整且結構松散；另一種是將機輪軸依據(jù)實際傾斜角度直接設計為傾斜軸，機輪安裝到軸上后即可實現(xiàn)傾斜角度模擬。該設計缺點是針對不同的傾斜角度需要加工對應的傾斜軸，軸數(shù)量多、成本高且不能實現(xiàn)傾斜角度的自動調(diào)整。

1 傾斜調(diào)姿裝置設計

針對目前已有設計的不足，提出了一種多液壓油缸步進式自動傾斜調(diào)姿裝置設計，可驅(qū)動試驗臺整個加載設備后端在水平面內(nèi)以步進的方式自動旋轉，模擬機輪傾斜角度并進行傾斜加載試驗。機輪傾斜、試驗臺傾斜示意分別如圖1、圖2所示。

圖1 機輪傾斜示意圖

圖2 試驗臺傾斜調(diào)姿示意圖

如圖3所示，該傾斜調(diào)姿裝置安裝在加載設備后端，主要由步進機構、頂升機構、圓弧導軌、樞軸等組成。

其中，步進機構安裝在加載設備后端底面，包含推移油缸、插銷油缸、定位油缸，且插銷油缸與推移油缸活塞桿相連。頂升機構數(shù)量為兩套，對稱安裝在加載設備后端兩側，分別包含一個頂升油缸。樞軸中心位于加載設備前端，試驗臺鼓輪表面切線正下方。圓弧導軌支撐在加載設備底部，圓心與樞軸中心重合，表面依據(jù)步進角度設計插銷孔。

圖3 傾斜調(diào)姿裝置結構圖

整個裝置在5個液壓油缸邏輯運動及圓弧導軌、樞軸配合下，以步進的方式實現(xiàn)試驗臺自動傾斜調(diào)姿。

1.1 工作原理

如圖4所示，運動前插銷油缸、定位油缸活塞桿均伸出插入到圓弧導軌插銷孔中。

傾斜調(diào)姿時，首先由兩個頂升油缸將整個加載設備抬高，插銷油缸活塞桿收回脫離圓弧導軌。其次，推移油缸活塞桿伸出，帶動插銷油缸向前移動，到達下一個插銷孔位置時推移油缸停止運動，插銷油缸活塞桿伸出插入到圓弧導軌插銷孔中，定位油缸活塞桿收回脫離圓弧導軌。隨后，推移油缸活塞桿收回，在收回過程中插銷油缸在圓弧導軌插銷孔反作用力下驅(qū)動整個加載設備繞樞軸旋轉至下一個插銷孔位置，推移油缸停止工作，定位油缸活塞桿伸出插入到圓弧導軌插銷孔中，實現(xiàn)一個完整的步進運動過程。

上述運動中，加載設備在單個步進運動過程中調(diào)姿的角度為兩插銷孔間隔角度，且保持不變。如此不斷地循環(huán)步進即可達到所要求的傾斜角度，最后兩個頂升油缸活塞桿收回，加載設備重新落到圓弧導軌表面，即可開始試驗。

圖4 傾斜調(diào)姿運動原理圖

1.2 圓弧導軌設計

圓弧導軌結構如圖5所示，采用“工”字型結構，主要作用是支撐整個加載設備旋轉，同時通過插銷孔為步進機構提供驅(qū)動反作用力。導軌表面依據(jù)單次步進角度確定插銷孔位置，依據(jù)試驗臺傾斜角度確定插銷孔數(shù)量，銷孔間距通過數(shù)控加工保證分度準確。

圖5 圓弧導軌結構圖

1.3 步進機構設計

步進機構結構如圖6所示，由推移油缸、插銷油缸、定位油缸、插銷、底座、滑塊、連接桿、導桿等結構組成，主要作用是驅(qū)動整個加載設備進行旋轉。

其中推移油缸和插銷油缸通過底座與加載設備固定，插銷油缸通過滑塊、連接桿與推移油缸活塞桿連接。工作時，推移油缸活塞桿帶動插銷油缸運動并驅(qū)動整個加載設備旋轉。

圖6 步進機構結構圖

在步進機構的設計中，有如下幾個關鍵點。

(1)插銷結構設計

步進機構在運動過程中，為了保證運動精度，插銷與圓弧導軌插銷孔配合間隙很小。加工制造、安裝、控制信號等因素所造成的誤差都有可能導致插銷無法插入到圓弧導軌插銷孔中，進而導致整個運動過程的中斷。因此，將插銷頂端設計為圓錐面并倒圓角，該部分設計詳見后述內(nèi)容。

(2)作動筒保護設計

步進機構在運動過程中，插銷油缸活塞桿受到插銷孔單點側向載荷作用，在反復的運動過程中會對作動筒造成損害。因此，在插銷油缸和定位油缸插銷處設計滑動軸承，相當于在作動筒活塞桿處增加一個支點，活塞桿雙點承受側向載荷，能夠有效保護作動筒。

1.4 頂升機構設計

頂升機構結構如圖7所示，由外殼、頂升油缸、滾輪、移動托架、限位導軌、調(diào)節(jié)螺母、夾頭等結構組成。主要作用是在傾斜調(diào)姿前將整個加載設備抬高，支撐加載設備旋轉。

其中，外殼與加載設備固連，頂升油缸安裝在外殼頂部，滾輪通過移動托架、調(diào)節(jié)螺母與頂升油缸的活塞桿相連。工作時，頂升油缸活塞桿伸出帶動移動托架沿限位導軌向下滑動，滾輪與圓弧導軌接觸后在反向作用力下將整個加載設備抬高。同時滾輪可在圓弧導軌上滾動，帶動整個加載設備旋轉，降低運動過程中的摩擦阻力。

圖7 頂升機構結構圖

在頂升機構的設計中，有如下幾個關鍵點。

(1)調(diào)節(jié)螺母設計

頂升機構對稱安裝在加載設備兩側，由于制造、安裝誤差等可能會導致兩個頂升機構高度不一致，為保證整個加載設備的水平，需要在設計中預留高度調(diào)節(jié)裝置。

因此，通過在頂升油缸活塞桿上安裝兩個調(diào)節(jié)螺母實現(xiàn)對頂升機構高度的調(diào)節(jié)。

(2)外殼傾斜角度設計

在運動過程中，由于加載設備在滾輪支撐下沿圓弧導軌進行旋轉，滾輪運動軌跡必須與圓弧導軌中心線保持一致。因此，外殼初始設計傾斜一定角度，如圖8所示，保證頂升機構運動時與圓弧導軌中心線切線方向一致。

圖8 頂升機構安裝示意圖

(3)限位導軌設計

在傾斜調(diào)姿過程中，滾輪運動軌跡必須與圓弧導軌始終保持一致。為了防止?jié)L輪在運動過程中方向發(fā)生改變，在頂升機構上設計有限位導軌。在運動過程中，限位導軌通過移動托架將滾輪限制在固定方向，并且支撐移動托架上下滑動，有效的防止?jié)L輪運動方向的改變。

2 運動誤差分析及解決措施

上述傾斜調(diào)姿裝置采用液壓驅(qū)動方式，通過5個液壓油缸邏輯步進運動實現(xiàn)試驗臺傾斜角度。其基本運動原理是以推移油缸活塞桿的直線運動實現(xiàn)加載設備的圓弧旋轉運動，如圖9所示。

圖9 運動原理示意圖

假設圓弧導軌中心半徑為R，單次步進角度分度為α，角度精度要求為β，推移油缸到達下一個插銷孔中心位置活塞桿位移為L。則插銷中心相對插銷孔中心位置會產(chǎn)生偏差δ，有

(1)

(2)

式中，α為單次步進角度；L為推移油缸活塞桿位移；R為圓弧導軌中心半徑；δ為插銷中心相對插銷孔中心位置偏差。

該偏差的產(chǎn)生會導致插銷無法插入圓弧導軌插銷孔中，整個傾斜調(diào)姿過程無法順利進行，為此采取如下解決措施。

2.1 插銷結構設計

首先，依據(jù)試驗臺整體受力工況確定插銷直徑；其次，為保證插銷順利插入，插銷與圓弧導軌插銷孔設計為間隙配合，且將插銷頂端設計為圓錐面并倒圓角。

運動時插銷與插銷孔的間隙及插銷圓錐面設計可保證插銷圓錐面首先順利插入插銷孔中，隨后在插銷油缸的推動力下插銷可沿圓錐面整體插入到插銷孔中，保證單次步進運動完成。插銷孔直徑、圓錐面頂端直徑及圓錐面夾角計算如下。

(3)

(4)

(5)

式中,φ1為圓弧導軌插銷孔直徑；φ2為插銷直徑；φ3為插銷圓錐面頂端直徑；θ為插銷圓錐面夾角；L為圓錐面高度。

2.2 運動誤差校正

上述插銷結構設計，僅能夠保證單次步進運動的順利完成。由于插銷與插銷孔始終存在配合間隙，在下次步進運動時會形成誤差的累積，導致機構不能實現(xiàn)連續(xù)步進運動。因此，采取定位油缸校正運動誤差，如圖10所示。

(a) 推移油缸伸出后誤差產(chǎn)生

(b) 單次步進運動后誤差仍存在

(c) 校正后誤差得到了消除 圖10 運動誤差校正原理示意圖

具體校正方法為：在初始設計時，依據(jù)圓弧導軌插銷孔位置精確設計定位油缸位置，即定位油缸插銷中心位置與圓弧導軌插銷孔中心位置重合，且定位油缸與插銷孔公差配合，間隙很小。將定位油缸插銷同樣設計為圓錐面，當插銷油缸每步進運動一次產(chǎn)生偏差時，定位油缸通過與插銷孔的配合將產(chǎn)生的運動誤差校正，從而保證步進機構連續(xù)運動。

3 應用實例

在國內(nèi)某航空慣性試驗臺設計中，研制上述傾斜調(diào)姿裝置。

在該試驗臺中，整個加載設備總重量為30t，圓弧導軌中心半徑為7510mm，要求試驗臺最大傾斜角度為±10°，角度精度優(yōu)于±0.1°，以單次步進角度為1°進行試驗臺傾斜調(diào)姿。

3.1 誤差校正設計

在實際設計中，首先依據(jù)試驗臺在傾斜加載試驗載荷工況確定插銷油缸插銷直徑為40mm；隨后根據(jù)式(1)～式(5)分別確定圓弧導軌插銷孔直徑為42mm，插銷圓錐面頂端直徑為26.3mm，圓錐面夾角為70°，單次步進運動推移油缸直線位移為131.07mm。

3.2 液壓、電氣控制系統(tǒng)設計

為實現(xiàn)傾斜調(diào)姿的自動控制，試驗臺配套設計了液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，如圖11、圖12所示。通過電氣控制系統(tǒng)、信號開關等設備控制各個液壓閥組動作順序，對5個液壓油缸進行邏輯步進控制，實現(xiàn)試驗臺的自動傾斜調(diào)姿。

圖11 傾斜調(diào)姿裝置液壓系統(tǒng)圖

圖12 傾斜調(diào)姿電氣控制操作界面圖

3.3 現(xiàn)場驗證

如圖13所示為傾斜調(diào)姿裝置在某慣性試驗臺完成10°傾斜調(diào)姿運動現(xiàn)場圖。

圖13 試驗臺完成10°傾斜調(diào)姿現(xiàn)場圖

整個運動過程在液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)邏輯控制下完成，實現(xiàn)了自動化控制。

通過實際測量，試驗臺傾斜調(diào)姿運動精度達到0.01°，較理論精度相差0.008°，分析上述原因，主要由機械裝配誤差、控制誤差等因素導致，但仍滿足實際要求精度(0.1°)。

試驗臺完成10°傾斜調(diào)姿時間約為7min，遠小于現(xiàn)有航空慣性試驗臺傾斜調(diào)姿時間(至少30min)，大大提高了工作效率。

4 結論

步進式傾斜調(diào)姿裝置不僅能夠完成試驗臺傾斜調(diào)姿運動，而且運動精度高，實現(xiàn)了自動化控制，大大提高了工作效率。該裝置的設計不僅為航空慣性試驗臺傾斜調(diào)姿實現(xiàn)提供了一種新的設計方法，而且可借鑒到其他行業(yè)試驗設備中，具備一定的參考價值。