黃玥蕾,劉慶杰,許 飛

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都 610092)

1 引 言

鋼索是工程中應(yīng)用比較廣泛的一種撓性構(gòu)件,具有強(qiáng)度高、自重輕、彈性好、工作平穩(wěn)可靠、承受動(dòng)載和過載能力強(qiáng)以及在高速工作條件下運(yùn)行和卷繞無噪聲等優(yōu)點(diǎn),在航空、建筑、交通、旅游等國民經(jīng)濟(jì)主要領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面試車試驗(yàn)時(shí),尾噴口具有偏轉(zhuǎn)特性。當(dāng)尾噴管發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),飛機(jī)會(huì)承受其產(chǎn)生的側(cè)向力、軸向力和偏轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)這些力及力矩超過飛機(jī)起落架能夠承受的最大值時(shí),飛機(jī)就會(huì)發(fā)生俯仰、滾轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。為避免產(chǎn)生這些現(xiàn)象時(shí)危及飛機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員,需要在試驗(yàn)中配備安全保障措施,用未進(jìn)行預(yù)緊鋼索的一端連接在地面的系留樁上,另一端與飛機(jī)的作用點(diǎn)連接,將飛機(jī)與地面進(jìn)行連接并固定,防止飛機(jī)試車時(shí)發(fā)生抬頭、偏轉(zhuǎn)和側(cè)向位移等現(xiàn)象。

鋼索在使用過程中會(huì)發(fā)生疲勞、腐蝕、磨損甚至斷裂等現(xiàn)象[5-7],可能帶來嚴(yán)重的后果,因此,使鋼索的抗拉強(qiáng)度符合使用要求變得尤為重要。在使用前對(duì)鋼索進(jìn)行拉伸試驗(yàn),能夠判斷鋼索的抗拉強(qiáng)度是否滿足要求,從而避免事故發(fā)生。鋼索在使用一定時(shí)間后,因承受多次拉向載荷,可能導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度降低。同時(shí),由于儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng),在空氣濕度較高的情況下鋼索可能會(huì)產(chǎn)生銹蝕[8-10],需要再次對(duì)鋼索進(jìn)行拉伸試驗(yàn),對(duì)其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

2 影響試驗(yàn)件安全的控制參數(shù)

進(jìn)行鋼索拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置主要由協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)及載荷傳力裝置、反饋裝置構(gòu)成,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意見圖1。試驗(yàn)件受力情況形成一個(gè)負(fù)反饋來保證加載的精度,從而對(duì)試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行控制。鋼索拉伸試驗(yàn)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖2 鋼索拉伸試驗(yàn)控制系統(tǒng)框圖

鋼索拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟主要包括硬件連接、系統(tǒng)資源配置、控制通道配置、試驗(yàn)參數(shù)配置以及試驗(yàn)調(diào)試,上述步驟正確無誤后可進(jìn)行正式試驗(yàn)。鋼索拉伸試驗(yàn)的流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)流程圖

在鋼索拉伸試驗(yàn)中,需要考慮兩個(gè)因素,即載荷大小及載荷施加方向。試驗(yàn)開始前會(huì)由設(shè)計(jì)人員依據(jù)設(shè)計(jì)要求給出具體的加載任務(wù)。在加載控制環(huán)節(jié)中,試驗(yàn)人員需依據(jù)加載任務(wù)書編制對(duì)應(yīng)的載荷譜,并配置相應(yīng)的控制參數(shù),以保證試驗(yàn)的正常開展。試驗(yàn)配置過程流程圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)配置過程流程圖

2.1 力傳感器

力傳感器作為試驗(yàn)過程中的力感知元件,負(fù)責(zé)將鋼索受力大小反饋給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)判斷鋼索的實(shí)際受力是否達(dá)到目標(biāo)值。如果力不夠,繼續(xù)施加加載命令;如果力超過目標(biāo)值,施加減載命令;如果結(jié)果相等,則停止繼續(xù)施加命令。

力傳感器的轉(zhuǎn)換公式為:

(1)

式中,V實(shí)時(shí)為實(shí)時(shí)電壓值;V滿量程為滿量程電壓值;F實(shí)時(shí)為實(shí)時(shí)力值;F滿量程為滿量程力值。

V滿量程=SE

(2)

式中,S為靈敏度;E為激勵(lì)電壓。

由式(1)、式(2)可推導(dǎo)出:

(3)

由以上公式可見,力傳感器影響試驗(yàn)件安全的因素有靈敏度系數(shù)、量程及極性。靈敏度系數(shù)決定受力值大小的準(zhǔn)確,力傳感器極性則決定試驗(yàn)件受力的方向,力傳感器的量程影響反饋數(shù)據(jù)的精度。在控制系統(tǒng)中,力傳感器的量程輸入錯(cuò)誤則可能導(dǎo)致載荷輸出錯(cuò)誤,且產(chǎn)生的誤差值可能極大,導(dǎo)致試驗(yàn)件破壞。試驗(yàn)配置過程中力傳感器的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 力傳感器參數(shù)設(shè)置界面

2.2 電液伺服閥

電液伺服閥具有響應(yīng)速度快、輸出功率大以及控制精確度高的優(yōu)點(diǎn),用于電液伺服系統(tǒng)的位置、速度、加速度和力的控制,能將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓輸出,通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)即液壓作動(dòng)筒來實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制,是電液伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

電液伺服閥接收來自控制系統(tǒng)的指令信號(hào),按一定比例將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成液壓作動(dòng)筒油缸量,推動(dòng)作動(dòng)筒油缸運(yùn)動(dòng)。電液伺服閥的極性決定閥接受指令后的開合方向,即液壓作動(dòng)筒油缸的運(yùn)動(dòng)方向,從而決定施加在試驗(yàn)件上力的方向。改變閥的極性,即改變了試驗(yàn)件的受力方向。液壓回路原理如圖6所示。

圖6 液壓回路原理圖

拉伸試驗(yàn)的兩個(gè)關(guān)鍵因素為載荷大小及載荷方向。為保證試驗(yàn)的安全進(jìn)行,需要保證液壓作動(dòng)筒施加載荷的大小和方向滿足試驗(yàn)的要求。若電液伺服閥的極性設(shè)置不當(dāng),將直接造成實(shí)際載荷施加的方向與預(yù)期載荷方向相反,導(dǎo)致試驗(yàn)件損傷,嚴(yán)重時(shí)可能造成試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的人員傷亡。試驗(yàn)配置過程中電液伺服閥的極性配置界面見圖7。

圖7 電液伺服閥極性配置界面

2.3 載荷譜的編制

載荷譜的編制包括創(chuàng)建試驗(yàn)控制加載載荷表Load Tables、選取Load Tables表、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)、創(chuàng)建試驗(yàn)載荷譜段Profiles、選取不同的Profiles組合、創(chuàng)建試驗(yàn)過程Procedure。載荷譜的編制,需要在加載載荷表Load Tables的100% lever中輸入正確的載荷,保證加載值與目標(biāo)一致;且需要在載荷譜段Profiles中設(shè)置合適的加載時(shí)間和保載時(shí)間,因加載過快或過慢都可能導(dǎo)致試驗(yàn)件的損傷。

3 參量正確設(shè)置的保證策略

3.1 極限載荷的設(shè)置及載荷譜的檢查校對(duì)

完成載荷譜的編制后,需反復(fù)檢查載荷輸入是否正確,嚴(yán)格執(zhí)行雙人雙崗檢查機(jī)制,確保輸入?yún)?shù)無誤。完成載荷譜編制后,在確保油源關(guān)閉的情況下進(jìn)行載荷譜的空跑,對(duì)試驗(yàn)加載時(shí)間和保載時(shí)間進(jìn)行確認(rèn)。

3.2 力傳感器量程及極性的檢查方法

傳感器參數(shù)設(shè)置完畢后,除進(jìn)行常規(guī)的雙人雙崗檢查外,還應(yīng)采用人員拉或壓傳感器,觀察傳感器信號(hào)極性。如果條件允許,可選擇已知重量的物體施加于傳感器上,檢查傳感器靈敏度設(shè)置是否正確。

3.3 電液伺服閥極性的檢查方法

電液伺服閥的極性表現(xiàn)為協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)輸出信號(hào)后液壓作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)的方向,通常規(guī)定輸出正值液壓作動(dòng)筒收縮,輸出負(fù)值液壓作動(dòng)筒打出。由于使用場(chǎng)景不同,可以對(duì)電液伺服閥的極性做出修改,因此在試驗(yàn)前需要對(duì)電液伺服閥的極性進(jìn)行檢查。未連接試驗(yàn)件的情況下,在協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中輸出一定值,當(dāng)液壓作動(dòng)筒按照目標(biāo)方向移動(dòng),則證明電液伺服閥的極性正確。

3.4 PID參數(shù)的設(shè)置方法

力傳感器信號(hào)和伺服閥輸出信號(hào)形成閉環(huán),通過控制回路的PIDF參數(shù)進(jìn)行控制。PID控制回路如圖8所示。

圖8 PID控制回路

比例增益(P Gain):比例增益能夠直接影響伺服閥開度的系數(shù),其大小直接影響系統(tǒng)控制的精度。提高比例增益能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,但比例增益過高會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,比例增益過低則可能導(dǎo)致反饋的滯后,故一般在任何情況下都不為0。比例增益設(shè)置值的影響如圖9所示。

圖9 比例增益設(shè)置值的影響

積分增益(I Gain):對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行積分逐漸地影響系統(tǒng)的低頻響應(yīng)。積分增益的大小可以決定達(dá)到控制精度要求所需時(shí)間的長(zhǎng)短,提高積分增益可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但是積分增益過高會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,積分增益過低則可能出現(xiàn)反饋無法跟上命令導(dǎo)致誤差較大的情況。通常在力傳感器開始受力之后再添加積分增益。積分增益值的影響如圖10所示。

圖10 積分增益值的影響

鋼索拉伸試驗(yàn)為單通道加載,通常只需要進(jìn)行比例增益和積分增益的設(shè)置,保證反饋信號(hào)與命令跟隨性良好,實(shí)現(xiàn)平滑、穩(wěn)定加載,避免出現(xiàn)反饋過沖導(dǎo)致試驗(yàn)件損傷。

PID控制參數(shù)整定有很多種方法,比如試湊法、極點(diǎn)配置法、響應(yīng)曲線法,試驗(yàn)中一般采用試湊法。在參數(shù)調(diào)定過程中,先確定P參數(shù),當(dāng)參數(shù)P調(diào)節(jié)到可以使系統(tǒng)比較穩(wěn)定,且能夠在一定程度上達(dá)到控制要求時(shí),可以將P在20%的范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng),調(diào)節(jié)參數(shù)I,參數(shù)調(diào)節(jié)可以由小變大進(jìn)行調(diào)節(jié),最終達(dá)到比較好的控制效果。參數(shù)調(diào)試界面如圖11所示。

圖11 PID參數(shù)調(diào)試界面

3.5 誤差控制策略

踏步誤差:踏步是一種針對(duì)單個(gè)通道的多通道試驗(yàn)補(bǔ)償技術(shù),可以調(diào)節(jié)試驗(yàn)的整體進(jìn)程,確保所有通道在統(tǒng)一的速率下實(shí)現(xiàn)加載操作。單通道加載時(shí),不需要進(jìn)行踏步誤差的設(shè)置。

LIMIT誤差帶限位:LIMIT設(shè)置系統(tǒng)各加載點(diǎn)的限位值,這組數(shù)據(jù)在系統(tǒng)加載過程中起保護(hù)作用。在加載過程中,系統(tǒng)一旦檢測(cè)到載荷超出此限位,則作為超限故障判斷。各加載點(diǎn)的限位值=(各點(diǎn)的最大載荷+扣重值)×110%。為避免出現(xiàn)反向加載的問題,也需要在LIMIT誤差帶限位界面中設(shè)置反向限位,避免因?yàn)殡娨核欧y或力傳感器極性設(shè)置錯(cuò)誤出現(xiàn)反向加載的情況,導(dǎo)致鋼索的斷裂;初始加載時(shí)反饋值波動(dòng)較大,可能超過反向限位值,故反向限位值不宜設(shè)置得過小。LIMIT誤差帶限位如圖12所示。

圖12 LIMIT誤差帶限位圖

內(nèi)外誤差控制:對(duì)控制通道設(shè)置內(nèi)外誤差兩級(jí)誤差控制模式,超限觸發(fā)保持或卸載指令等保護(hù)動(dòng)作。通常情況下,內(nèi)誤差設(shè)置為傳感器量程的1%,保護(hù)動(dòng)作設(shè)置為保持;外誤差設(shè)置為傳感器量程的3%,保護(hù)動(dòng)作設(shè)置為卸載。誤差控制如圖13所示。

圖13 誤差控制圖

4 結(jié)束語

鋼索拉伸試驗(yàn)通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)載荷的施加,通過試驗(yàn)參數(shù)的輸入來確定載荷執(zhí)行機(jī)構(gòu)即液壓作動(dòng)筒的運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)過程中,存在諸多影響試驗(yàn)安全的因素,因此需要特別注意液壓伺服閥的極性、力傳感器的量程和極性、PID參數(shù)及誤差和限位保護(hù)的設(shè)置。在完成參數(shù)設(shè)置后,需要再對(duì)參數(shù)設(shè)置保護(hù),并執(zhí)行雙人雙崗檢查機(jī)制,通過與現(xiàn)場(chǎng)配合進(jìn)行調(diào)試,保證參數(shù)的正確。試驗(yàn)時(shí),鋼索能夠平穩(wěn)地加載至規(guī)定的試驗(yàn)載荷,保持到規(guī)定的時(shí)間,再平穩(wěn)地卸載到0,期間無異響產(chǎn)生。以上方法能夠保證鋼索拉伸試驗(yàn)的安全實(shí)施,并可推廣應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。