陳華偉 ,王 辰 ,周天送 ,郭 嘉 ,楊舜博 ,張宏劍 ,蓋玉先

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)機械工程系,威海 264209)

1 引言

空氣舵廣泛應(yīng)用于各類飛行器,通過舵面產(chǎn)生的氣動力形成控制力和力矩,來保證飛行器對俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航這三軸的平衡與操縱[1-4]。舵類傳動機構(gòu)是一種將舵機和舵面聯(lián)系起來的連接機構(gòu),其作用一方面是將舵機的直線運動轉(zhuǎn)化為舵面的偏轉(zhuǎn),實現(xiàn)對飛行器的操縱,另一方面是傳遞驅(qū)動力矩或承載阻力矩。傳動機構(gòu)既是飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

伺服作動器和傳動機構(gòu)組成了一個隨動系統(tǒng),理想隨動系統(tǒng)的輸出位移相對于輸入位移應(yīng)該在幅值和時域上沒有誤差,即輸出位移的幅值按照傳動比沒有增減,更沒有時域滯后。但實際上,由于伺服作動器和傳動機構(gòu)中輸出速度、慣性載荷、間隙和摩擦等因素的影響,執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號與輸入信號之間存在幅值與時間上的誤差。幅值誤差體現(xiàn)了執(zhí)行機構(gòu)的位置準確度,而時間誤差體現(xiàn)了執(zhí)行機構(gòu)的跟隨性[5]。

為了在產(chǎn)品生產(chǎn)前即可方便驗證并改進傳動機構(gòu)在幅值和時域上對整個系統(tǒng)帶來的影響,提出一種試驗系統(tǒng),方便對舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能進行摸底,驗證設(shè)計方案的可行性。

2 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗方法

2.1 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗基本原理

試驗系統(tǒng)主要包括四大部分,一是由軸承座、軸承、舵軸、剪切銷和擺臂組成的舵類傳動機構(gòu),二是由球鉸、安裝座和直線伺服作動器組成的驅(qū)動部件,三是由慣量調(diào)節(jié)板、板簧和板簧調(diào)整座組成的載荷施加部件,四是由輸入角位移傳感器、輸出角位移傳感器、力傳感器等組成的測量部件,如圖1 所示。

圖1 試驗系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

其中,驅(qū)動部件作為動力輸入,驅(qū)動傳動機構(gòu)的運動。載荷施加部件中的板簧可以提供扭矩,來模擬傳動機構(gòu)工作時受到的阻力矩,慣量調(diào)節(jié)板可以提供不同的轉(zhuǎn)動慣量,來模擬不同類型空氣舵的慣量負載。試驗時,在舵軸的兩端分別布置輸入角位移傳感器和輸出角位移傳感器,可分別測得傳動機構(gòu)輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速等運動參數(shù),并與直線伺服作動器的運動參數(shù)進行比較分析,便可得到傳動機構(gòu)在傳動過程中的動態(tài)性能。板簧固定端通過布置力傳感器,可以測得并計算板簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的實時扭矩。

2.2 傳動機構(gòu)運動學(xué)分析

驅(qū)動部件通過傳動部件將直線運動轉(zhuǎn)換為舵軸的轉(zhuǎn)動,如圖2 所示。

圖2 舵軸傳動簡圖Fig.2 Schematic diagram of rudder shaft transmission

圖中,A點為舵軸旋轉(zhuǎn)中心,B點為直線伺服作動器與舵軸擺臂鉸接中心,C點為舵軸擺動的極限位置(直線作動器伸出),D點為舵軸擺動的另一極限位置(直線作動器縮回),O點為直線伺服作動器鉸鏈座中心位置,R為舵軸擺臂半徑,e為O點與A點的垂直距離,S0為O點與A點的水平距離,θ為舵軸擺角,初始狀態(tài)(圖示B點位置)為0,伸出時為正,ω為舵軸的轉(zhuǎn)動角度范圍,v為直線伺服作動器的伸出速度,s為電缸的伸縮量。

由直線伺服作動器與舵軸之間的幾何關(guān)系,可得

對公式(2)兩側(cè)求導(dǎo)可得ω與v的關(guān)系為

2.3 板簧與慣量調(diào)節(jié)板計算

如圖3 所示,載荷施加部件可以通過調(diào)節(jié)慣量調(diào)節(jié)板施加不同的轉(zhuǎn)動慣量,模擬不同舵面的質(zhì)量特性,同時可以調(diào)節(jié)板簧調(diào)整座或者更換不同的板簧來提供不同的阻力矩,模擬傳動機構(gòu)工作過程中受到的負載力矩。試驗前應(yīng)依據(jù)空氣舵的工況要求確定施加在傳動機構(gòu)上的試驗扭矩和慣量載荷,并以此作為輸入計算板簧和慣量調(diào)節(jié)板的相關(guān)參數(shù)。

圖3 載荷施加部件示意圖Fig.3 Schematic diagram of load application components

為了模擬舵軸上的負載慣量,試驗臺在舵軸末端安裝了慣量調(diào)節(jié)裝置,整體為圓盤狀,底層為安裝底板,在安裝底板外側(cè)設(shè)置了多層慣量調(diào)節(jié)板,慣量調(diào)節(jié)板為圓環(huán)形,通過螺栓與安裝底板連接,改變慣量調(diào)節(jié)板層數(shù),就可以方便的調(diào)節(jié)整個慣量調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)動慣量。也可以依據(jù)實際需求定制不同外形尺寸與質(zhì)量的慣量調(diào)節(jié)板,來適應(yīng)更多不同的慣量需求。

板簧的主要作用是為舵軸提供負載力矩,模擬舵軸實際工況下的載荷。板簧結(jié)構(gòu)為長方形薄板,長度、寬度和厚度分別為L、h和b。

板簧的幾何參數(shù)可由扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)所需產(chǎn)生的扭矩來確定。板簧一端固定,一端扭轉(zhuǎn)時,扭矩與扭轉(zhuǎn)角度滿足

式中:n——板簧數(shù)量;β——與h/b比值有關(guān)的系數(shù);G——材料的剪切模量,Pa;TS——板簧產(chǎn)生的扭矩,N·m;φ——板簧扭轉(zhuǎn)角度。

產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時,板簧的最大應(yīng)力τmax可由公式(6)計算確定,依據(jù)最大應(yīng)力可以選擇板簧所使用的材料。

式中:α——與h/b的比值有關(guān)的系數(shù)。

2.4 傳動機構(gòu)運動性能與負載扭矩測量方法

試驗過程中,舵軸的一端與負載扭矩和慣量載荷相連接,可視為舵軸的輸出端;另一端不與任何負載相連,與擺臂的相對位置保持恒定,可視為舵軸的輸入端。兩端分別布置了角位移傳感器,可以分別測得傳動機構(gòu)輸入端與輸出端的角位移、角速度和角加速度,由于傳動機構(gòu)中存在配合間隙、材料變形等因素,會導(dǎo)致輸出端和輸入端的位置與速度偏差,在數(shù)據(jù)上則表現(xiàn)為幅值與時間上的誤差[6-9]。同時在直線伺服作動器上布置了直線位移傳感器,可以測得直線伺服作動器的實際運動參數(shù)。將該參數(shù)和輸入、輸出端測得的參數(shù)比較分析,便可以得到整個傳動機構(gòu)在傳動過程中的動態(tài)性能,以確定傳動機構(gòu)的響應(yīng)速度和舵面操控準確度。

在傳動機構(gòu)運動期間實時獲得傳動機構(gòu)的負載扭矩(板簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩),對于傳動機構(gòu)動態(tài)特性的分析也非常重要。由于板簧幾何尺寸較大,且為薄板結(jié)構(gòu),使用常見的軸向安裝的力矩傳感器難以固定和安裝,因此采用如圖4 所示的力矩測量方法,在板簧固定端使用壓板固定板簧,壓板一端鉸接,另一端與力傳感器連接。

圖4 力矩測量方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of torque measurement method

當板簧扭轉(zhuǎn)時,通過力傳感器測得的拉力或壓力便可以解算出板簧產(chǎn)生的扭矩為

3 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗系統(tǒng)設(shè)計

3.1 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)包括操作顯示器、透明防護罩、直線伺服作動器、底座(控制柜)、直線位移傳感器、角位移傳感器、傳動機構(gòu)、舵軸工裝、慣量調(diào)節(jié)盤、板簧、板簧調(diào)整座等,如圖5 所示。

圖5 試驗系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of test system composition

3.2 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗系統(tǒng)試驗步驟

舵類傳動機構(gòu)的動態(tài)性能試驗步驟如圖6 所示。依據(jù)試驗?zāi)康牟煌?可以進行三種不同的試驗:一是位置特性測試,即考核傳動機構(gòu)傳動過程的傳動準確度,當給定一個輸入時,可以同時獲得輸入和輸出端的轉(zhuǎn)角,通過比較分析便可以判斷其是否滿足操控準確度要求;二是頻率特性測試,即判斷傳動機構(gòu)在高頻往復(fù)運動下的動態(tài)跟隨性能,得到其輸入、輸出數(shù)據(jù)在幅值和時間上的誤差;三是暫態(tài)(瞬態(tài))特性測試,即測試傳動機構(gòu)在高速啟動瞬間的跟隨與位置特性。通過這幾種試驗?zāi)Ｊ?便可以對舵類傳動機構(gòu)的動態(tài)性能進行研究和測試。

圖6 動態(tài)性能試驗步驟Fig.6 Test steps of dynamic characteristics

4 舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗系統(tǒng)測試試驗

為了驗證試驗系統(tǒng)的功能和測試數(shù)據(jù)準確性,基于舵軸試驗樣品對試驗系統(tǒng)進行了測試試驗。分別開展了位置特性測試、暫態(tài)特性測試和頻率特性測試。

4.1 位置特性測試試驗

位置特性測試可以驗證舵軸傳動機構(gòu)的位置準確性。在測試中,將直線伺服作動器的目標位移值設(shè)置為±24 mm,根據(jù)舵軸試驗樣品的幾何關(guān)系,通過計算得出此時舵軸的最大擺角為±20°。試驗中舵軸上安裝了兩個角度傳感器,分別為輸入角度傳感器和輸出角度傳感器,如圖7 所示。

圖7 角位移傳感器位置示意Fig.7 Position diagram of angular displacement sensors

通過試驗得到舵軸試驗樣品的位置數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)如表1 所示。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)可看出,試驗結(jié)果與理論值接近,誤差在允許范圍之內(nèi)。

表1 位置特性測試試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Position characteristic test data

4.2 暫態(tài)特性測試試驗

暫態(tài)試驗中,直線伺服作動器的最大位移值設(shè)置為±24 mm,直線伺服作動器的速度設(shè)置為150 mm/s,進行測試試驗,得到試驗系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。如表2所示,依據(jù)試驗數(shù)據(jù)可看出,試驗結(jié)果與理論值接近,誤差在允許范圍之內(nèi)。

表2 暫態(tài)特性測試試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Transient characteristic test data

4.3 頻率特性測試試驗

頻率特性試驗是測量舵軸在小幅往復(fù)擺動條件下的動態(tài)性能。試驗中,使直線伺服作動器做掃頻正弦運動。舵軸擺角為±1°,對應(yīng)直線伺服作動器位移伸縮值為±1.3 mm,直線伺服作動器掃頻正弦運動起始頻率為1 Hz,終止頻率為20 Hz,掃頻頻率個數(shù)為10 個(1～20 Hz 均分成10 種頻率)。每種頻率下運動5 個周期,分析舵軸在不同頻率的擺動下的幅值以及相位特性。

以不同銷軸連接間隙的對比試驗對系統(tǒng)進行測試。得到試驗數(shù)據(jù)如圖8 和圖9 所示。由試驗結(jié)果可知,連接銷軸間隙越大,其幅值超調(diào)越大,但對相位的影響不大。與實際特性吻合,證明了試驗系統(tǒng)的準確性。

圖8 不同配合間隙下的幅值Fig.8 Amplitude of different fit clearance

圖9 不同配合間隙下的相位Fig.9 Phase of different fit clearance

通過測試試驗,可以看出測量結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi),測試得到的相關(guān)特性與實際情況一致,證明了試驗系統(tǒng)的設(shè)計合理可行,測試準確度能滿足實際使用需求。

5 結(jié)束語

分析了舵類傳動機構(gòu)的應(yīng)用和動態(tài)性能對于空氣舵的影響,提出了一種動態(tài)性能試驗方法,介紹了試驗方法的基本原理和相關(guān)計算,最后設(shè)計了舵類傳動機構(gòu)動態(tài)性能試驗系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的組成以及試驗的操作方法與步驟,并通過測試試驗對試驗系統(tǒng)進行了驗證。