石榮武，白新玉，譚義峰，趙哲

中航電測儀器股份有限公司，西安 710119

飛機加油分為軟式加油和硬式加油［1］，在規(guī)定的0.345±0.034 MPa加油壓力［2］下，硬式加油較軟式加油的燃油流量可從約1 500 L/min 提升至4 540 L/min［3］，能更快速地完成對各型飛機加油任務(wù)，這在戰(zhàn)時極為重要，因此硬式加油技術(shù)成為國內(nèi)主要研究方向之一。加油系統(tǒng)通過定位分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)和作動分系統(tǒng)與多傳感器［4］等實現(xiàn)對加油機與受油機間的相對位置精確導(dǎo)航［5］、受油插座視覺識別、位置檢測［6］、接觸檢測［7］、自動卸荷［8］及斷開［9］，使加油接頭和受油插座的對接機構(gòu)［10］對接與分離完全受控，保證整個加油操作過程的安全。

加油系統(tǒng)工作模態(tài)分為未對接和已對接，當(dāng)加油機和受油機處于已對接工作模態(tài)時，由于加油機尾湍流、受油機質(zhì)量質(zhì)心變化［11］、伸縮管上空氣動力載荷和受油機的相對運動及姿態(tài)等因素影響，導(dǎo)致加油機加油接頭同受油機受油插座間的位置、速度、姿態(tài)不能完全同步，進(jìn)而在伸縮管加油接頭和受油插座間產(chǎn)生沿伸縮管軸線的扭轉(zhuǎn)方向、軸向以及俯仰和滾轉(zhuǎn)方向的復(fù)雜對接矢量應(yīng)力［12-13］。通過在主硬管與可伸縮內(nèi)管間分別設(shè)計抗扭轉(zhuǎn)滾輪和滾道，實現(xiàn)內(nèi)管伸縮并克服扭轉(zhuǎn)力矩影響［14］；在加油接頭正常插入或拔出受油插座的對接和斷開過程中約有444.5 N 的軸向拉壓力，由加油接頭內(nèi)彈簧機構(gòu)吸收，該機構(gòu)最大可吸收約13 335.6 N 軸向壓縮力［15］。俯仰和滾轉(zhuǎn)方向動臂載荷的合力F 垂直伸縮管軸線，也稱徑向力，該對接徑向力會導(dǎo)致伸縮管彎曲，加油接頭和受油插座對接加油時若徑向力過大將減少系統(tǒng)實際使用壽命，甚至導(dǎo)致伸縮管斷裂，分離時若徑向力過大將導(dǎo)致伸縮管瞬間揮舞［16］，這都會引發(fā)重大安全事故。為盡量消除該徑向力［12］，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠工作，一方面可以通過定位系統(tǒng)精確跟蹤受油機姿態(tài)、受油插座位置，在強擾動下使受油插座能相對保持在如±0.5°的較小容許誤差［1］內(nèi)，或通過優(yōu)化伸縮管結(jié)構(gòu)［17］降低氣流產(chǎn)生的徑向力影響；另一方面受加油操縱能見度、人員反應(yīng)能力和負(fù)擔(dān)等限制，需在伸縮內(nèi)管和加油接頭之間安裝加油接頭力傳感器，分別測量加油接頭上所承受的沿俯仰和滾轉(zhuǎn)方向的對接徑向力分量，并將該徑向力矢量信號提給伸縮管自動卸荷系統(tǒng)［13］，構(gòu)成如圖1 所示的力反饋閉環(huán)控制主硬管運動，以將該徑向力盡量消除或卸載為零。圖1中Kθ為俯仰控制增益，KΦ為滾轉(zhuǎn)控制增益，K/s 為力反饋傳遞函數(shù)。

圖1 力反饋自動卸荷系統(tǒng)控制原理框圖Fig.1 Diagram of control principle of force feedback automatic load alleviation system

目前，國內(nèi)針對徑向力傳感器的研究較少，僅有基于環(huán)板式彈性體結(jié)構(gòu)的加油接嘴徑向力測量傳感器［18］，該文獻(xiàn)中雖然提出了對正交的兩徑向分力分別測量，但由于環(huán)板式傳感器存在以下問題，無法實際裝機使用。一方面，在小外廓尺寸前提下環(huán)板式彈性體結(jié)構(gòu)的燃油流管內(nèi)徑遠(yuǎn)小于可伸縮管燃油流管內(nèi)徑，而若使其內(nèi)徑同伸縮管及加油接頭的內(nèi)徑一致則需要較大的外廓尺寸，其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差，不利于加油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計；另一方面，因其對受力邊界敏感、抗偏載能力弱，應(yīng)力集中大、應(yīng)變敏感區(qū)應(yīng)力梯度大、串?dāng)_大，導(dǎo)致測量準(zhǔn)確度低；此外，電路和燃油隔離及電磁屏蔽也難以實現(xiàn)，導(dǎo)致穩(wěn)定性和安全可靠性差等問題存在。

為解決這些問題，本文通過對加油接頭力傳感器進(jìn)行總體研究，將彈性體設(shè)計為管狀結(jié)構(gòu)，確定應(yīng)變計粘貼在管狀結(jié)構(gòu)外表面的合理應(yīng)變敏感位置，解決了俯仰與滾轉(zhuǎn)測量串?dāng)_以及電路和燃油隔離問題，提高了測量精度，同時在小外廓尺寸前提下實現(xiàn)其內(nèi)徑同伸縮管及加油接頭的內(nèi)徑一致，保證加油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計，通過增加外殼密封組件解決了電磁屏蔽問題。

1 總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計要求

加油接頭力傳感器總體設(shè)計要求為：工作電壓10 VDC，最大測量載荷2.25 kN［18］，極限載荷10 kN，串?dāng)_測量精度（簡稱串?dāng)_）優(yōu)于1%FS，以保證加油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及燃油通道最優(yōu)設(shè)計，能在機載復(fù)雜的氣動、振動、沖擊、加速度、電磁、高低溫、濕熱、鹽霧等實際使用環(huán)境中實現(xiàn)對被測力的安全可靠和準(zhǔn)確測量。

1.2 坐標(biāo)系定義

如圖2 所示，飛機機體坐標(biāo)系S1原點O1為飛機重心，X1軸沿設(shè)計軸線指向機頭，Y1軸垂直飛機對稱面指向機翼右弦，Z1軸由右手法則確定；加油接頭力傳感器總體設(shè)計同伸縮管坐標(biāo)系S2定義［13］保持一致，即：坐標(biāo)系S2與伸縮管身固連，原點O2位于伸縮外管俯仰/滾轉(zhuǎn)操縱運動的鉸接點，X2軸沿伸縮管設(shè)計軸線方向由原點指向加油接頭，即以燃油流向為正方向，Y2軸正方向垂直于伸縮管對稱面指向右弦，Z2軸正方向由右手法則確定。規(guī)定加油接頭受到的加油插座對接徑向力的滾轉(zhuǎn)分力Fy與Y2軸正方向一致時為正，反之為負(fù)；對接徑向力的俯仰分力Fz與Z2軸正方向一致時為正，反之為負(fù)。

圖2 坐標(biāo)系定義Fig.2 Coordinate system definition

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證加油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及燃油通道最優(yōu)，加油接頭力傳感器采用管狀結(jié)構(gòu)，在測量徑向力的同時，保證燃油通道內(nèi)徑和外徑比最佳，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計。該力傳感器由彈性體、電路板組件、電阻應(yīng)變計、外殼密封組件、密封圈、電連接器和緊固件等組成。

加油接頭力傳感器總體結(jié)構(gòu)、同伸縮內(nèi)管、加油接頭的安裝及其應(yīng)變計粘貼位置如圖3所示。

圖3 總體結(jié)構(gòu)、安裝及應(yīng)變計粘貼位置簡圖Fig.3 Schematic diagram of overall structure，installation，and strain gage pasting location

該力傳感器的彈性體設(shè)計為圓管式結(jié)構(gòu)，采用測量彎曲應(yīng)力的方式測量加油接頭球形接嘴上的任意方向?qū)訌较蛄Φ母┭龊蜐L轉(zhuǎn)分力。彈性體兩端均通過法蘭及套筒配合結(jié)構(gòu)，采用緊固件連接伸縮內(nèi)管和加油接頭，承載動臂載荷，并通過周向和端面“O”形密封圈密封油路，實現(xiàn)輸油管內(nèi)燃油可靠輸送。圓管式結(jié)構(gòu)彈性體外部安裝外殼密封組件，外殼密封組件上安裝電路板組件、電連接器，由外殼密封組件對該力傳感器的測量電路進(jìn)行屏蔽、密封和防護，物理隔離測量電路與復(fù)雜環(huán)境和燃油通道，實現(xiàn)防火防爆安全要求，為測量電路穩(wěn)定工作提供了可靠條件。

同時，為確保結(jié)構(gòu)安全、減輕重量、滿足防腐蝕等要求，適應(yīng)在實際復(fù)雜使用環(huán)境中工作，還采取了以下措施：彈性體選用高強度優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料，表面鈍化處理，外殼密封組件的外殼選用高強重比鋁合金材料，外露表面陽極化處理后噴漆防護，密封件采用耐油耐溫耐候的阻燃氟橡膠材料；緊固件均采用打保險、涂敷螺紋緊固劑等冗余的可靠防松措施，保證該力傳感器對機械振動、沖擊等機械環(huán)境的適應(yīng)性；屏蔽電纜線外套防波套的雙層屏蔽實現(xiàn)了內(nèi)部測量電路與外部復(fù)雜電磁等環(huán)境隔離和防護。

1.4 測量電路設(shè)計

該力傳感器采用電阻應(yīng)變原理，利用惠斯通電橋進(jìn)行測量。在其圓管式結(jié)構(gòu)彈性體中部外壁表面分別粘貼2 路俯仰通道和2 路滾轉(zhuǎn)通道共4 組電阻應(yīng)變計［19］，構(gòu)成相互獨立的2 路俯仰分力Fz和2 路滾轉(zhuǎn)分力Fy測量惠斯通電橋，實現(xiàn)對加油接頭球形接嘴上對接徑向力F 的滾轉(zhuǎn)分力Fy與俯仰分力Fz的雙余度測量，電阻應(yīng)變計粘貼位置如圖3 所示。單路力測量惠斯通電橋如圖4所示。圖4 中RC為電橋受壓橋臂電阻值，RT為電橋受拉橋臂電阻值，RO為電橋輸出端電阻值。

圖4 單路力測量惠斯通電橋電路Fig.4 Wheatstone bridge in single channel force measurement

當(dāng)加油系統(tǒng)處于已對接工作模態(tài)，自動卸荷系統(tǒng)工作時，根據(jù)胡克定律，該力傳感器彈性體產(chǎn)生微應(yīng)變變形，引起電阻應(yīng)變計阻值變化，進(jìn)而使相應(yīng)力測量惠斯通電橋電路分別輸出同滾轉(zhuǎn)分力Fy和俯仰分力Fz呈線性關(guān)系的電信號，提供給自動卸荷系統(tǒng)用于控制力卸荷執(zhí)行機構(gòu)，控制加油接頭球形接嘴上所受的俯仰分力Fz和滾轉(zhuǎn)分力Fy，使其均被控制到零或較小的允許范圍內(nèi)，以保證加油系統(tǒng)工作安全可靠。

1.5 可靠性設(shè)計

在加油過程中，為避免彎曲、收縮、扭曲等因素導(dǎo)致傳感器失效或無法工作，采取了以下設(shè)計，保證圓管式傳感器工作的可靠性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，首先確定可能存在的最大徑向力、軸向力、加油壓力、扭矩等可能引起傳感器失效或無法工作的因素；其次，在上述因素單獨或復(fù)合作用時，主承載部件彈性體設(shè)計選擇合理的安全系數(shù)，選用高強度不銹鋼彈性體材料，開展彈性體結(jié)構(gòu)強度剛度、疲勞等設(shè)計分析工作，保證該傳感器具有足夠的安全工作裕度；最后，通過試驗驗證其可靠性滿足要求。此外，該力傳感器可靠性設(shè)計繼承成熟技術(shù)，采用簡化設(shè)計，開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，采用連接防松和密封防護措施提高實際工作時的安全可靠性。

在電路設(shè)計方面，采用冗余設(shè)計，并對電子元器件最大額定電流、耐壓、額定功率、最高結(jié)溫等采用Ⅲ級降額設(shè)計，降低元器件所受電、熱應(yīng)力，允許較大容差，具有一定過載能力，可降低失效率，提高基本可靠性。開展電路熱設(shè)計和熱分析，保證元器件在允許的結(jié)溫范圍內(nèi)工作。采用銅或鋁合金電良導(dǎo)體作為高頻電場的屏蔽材料，地線均盡量短并直接接地，進(jìn)行電源地、信號地及屏蔽分開等電磁兼容設(shè)計。可靠性預(yù)計采用相似產(chǎn)品類比論證法，參照以往類比模型［20］，預(yù)計該力傳感器的基本可靠性，失效率如表1所示。該力傳感器基本可靠性串聯(lián)模型和平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的預(yù)計值分別為

表1 失效率Table 1 Failure rate

式中：R 為可靠度，即該力傳感器在工作時間ts內(nèi)不發(fā)生故障的概率；Ri為第i 種元件的可靠度；e 為自然數(shù)；λi為第i 種元件 的失效率；ts為1 h；λ 為失效率。

1.6 穩(wěn)定性設(shè)計

該力傳感器的穩(wěn)定性關(guān)系到其長期的測量性能，是重要的設(shè)計內(nèi)容。在設(shè)計方面，選用高穩(wěn)定高強度的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料彈性體、耐高低溫范圍寬的高質(zhì)量等級的精密箔式電阻應(yīng)變計和電子元器件等，以保證傳感器的內(nèi)在穩(wěn)定性。根據(jù)載荷要求，確定結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)力水平，通過有限元設(shè)計對彈性體結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代優(yōu)化，采用較大圓弧過渡等方法，有效降低應(yīng)力集中水平、減小應(yīng)力梯度和最大應(yīng)力，保證在極限載荷作用下的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于彈性體材料強度極限，最大測量載荷作用下的測量應(yīng)變遠(yuǎn)小于電阻應(yīng)變計應(yīng)變極限，使設(shè)計具有合理的結(jié)構(gòu)強度和使用耐久性冗余度。

在工藝設(shè)計方面，對彈性體進(jìn)行特殊熱冷處理、無應(yīng)力加工、人工時效去除其殘余加工應(yīng)力，對電阻應(yīng)變計、元器件進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，通過組合式成熟密封防護工藝方法消除或大幅降低復(fù)雜環(huán)境條件對性能參數(shù)的影響。生產(chǎn)過程中元器件操作采取防靜電保護措施，安裝使用時有可靠地搭地。最后，采用1.5 倍的最大測量載荷進(jìn)行機械循環(huán)加載、-55～+85 ℃高低溫循環(huán)、24 VDC 通電24 h 老化和隨機振動等嚴(yán)格的力、熱、電循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定過程，使之快速達(dá)到浴盆曲線穩(wěn)定段，確保在實際環(huán)境中傳感器的穩(wěn)定性。

通過該力傳感器總體設(shè)計，能夠保證最佳的燃油通道內(nèi)徑和外徑比，從而實現(xiàn)加油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及燃油通道最優(yōu)設(shè)計，在實際使用環(huán)境中實現(xiàn)對被測對接徑向力的安全可靠測量。

2 彈性體設(shè)計

2.1 強度設(shè)計

該力傳感器彈性體承載了加油接頭球形接嘴上的所有動臂載荷，其結(jié)構(gòu)強度設(shè)計是決定加油安全的重要因素之一，也是測量準(zhǔn)確性、長期穩(wěn)定性和工藝性等的基礎(chǔ)保證，因此極為關(guān)鍵［21］。

為保證彈性體結(jié)構(gòu)強度和耐腐性，選用高強度優(yōu)質(zhì)沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb 材料作為彈性體，該彈性體結(jié)構(gòu)主要尺寸與被測對接徑向力F 如圖5 所示。當(dāng)該力傳感器的圓管式彈性體受任意方向?qū)訌较蛄時，由材料力學(xué)相關(guān)知識可知，圓管式彈性體E-E 截面的A、B、C、D 處的受彎曲應(yīng)力分別為

圖5 結(jié)構(gòu)主要尺寸與徑向力Fig.5 Lateral forces and main dimensions of structure

式中：σA、σB、σC、σD分別為A、B、C、D 處的應(yīng)力；F 為加油接頭球形接嘴上受到的對接徑向力；L 為E-E 截面到 力F 的距離；es為離中 性層的 距離；α 為徑向力F 同Y2軸（滾轉(zhuǎn)分力正方向）的夾角；I 為彈性體E-E 截面抗彎慣性矩。

由于圓管式彈性體為周向?qū)ΨQ性結(jié)構(gòu)，在強度設(shè)計時，假定球形接嘴上沿俯仰方向受10 kN極限載荷，即α=90°，根據(jù)《工程材料實用手冊》［22］可知，彈性體材料硬度大于HRC40 時強度極限σb>1 310 MPa，屈服極限σ0.2>1 180 MPa，彈性模量E 為210 GPa。設(shè)計彈性體E-E 截面處應(yīng)力敏感區(qū)內(nèi)徑d 為?81 mm，外徑D 為?85 mm，L=521 mm，代入式（3）可知，σA為492.777 MPa壓應(yīng)力，遠(yuǎn)小于σb，由《機械設(shè)計手冊》［23］圖35.4-59 中曲線4 的相似結(jié)構(gòu)階梯鋼軸可知，過渡圓角半徑4.5 mm 時彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，可知疲勞強度安全系數(shù)為1.662，結(jié)構(gòu)安全。

需要說明的是，彈性體在承載13 335.6 N 的X2軸向壓力應(yīng)力為25.571 MPa，沿X2軸向承載1 000 N·m 力矩時扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力僅為47.291 MPa，在0.379 MPa 加油壓力上限時周向拉應(yīng)力為7.675 MPa、軸向拉應(yīng)力為11.765 MPa，應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料強度極限，因此，結(jié)構(gòu)足夠安全。

2.2 疲勞壽命設(shè)計

由于圓管式彈性體為周向?qū)ΨQ性結(jié)構(gòu)，假定以球形接嘴上沿俯仰方向受2.25 kN 最大測量載荷，進(jìn)行彈性體結(jié)構(gòu)耐疲勞壽命設(shè)計，代入式（3）并考慮有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.6時，可知交變循環(huán)耐疲勞最大應(yīng)力σ-1為177.397 MPa。

由第6 版《機械設(shè)計手冊》［23］表35.3-1 可知，彈性體相似材料的疲勞極限σ-1為400 MPa，取有效應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，則無限疲勞壽命名義應(yīng)力為250 MPa。圓管式彈性體受2.25 kN 最大測量載荷時，交變循環(huán)耐疲勞最大應(yīng)力177.397 MPa小于250 MPa 無限疲勞壽命名義應(yīng)力，耐疲勞安全系數(shù)為1.409。實際使用中，圓管式彈性體受2.25 kN 最大測量載荷的作用頻次極少，圓管式彈性體設(shè)計時，彈性體圓管和兩端法蘭采用大圓角光滑過渡，嚴(yán)格控制表面粗糙度等加工質(zhì)量。因此，該彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計耐疲勞壽命為無限。

2.3 輸出靈敏度

如圖3和圖5 所示，在E-E 截面處，彈性體圓管外表面同Z2O2X2平面相交的A、C 位置分別粘貼電阻應(yīng)變計R1、R2、R3、R4和R1′、R2′、R3′、R4′構(gòu)成第1 路和第2 路俯仰分力Fz測量橋路，同Y2O2X2平面相交的B、D 位置處分別粘貼電阻應(yīng)變計R5、R6、R7、R8和R5′、R6′、R7′、R8′構(gòu)成第1路和第2 路滾轉(zhuǎn)分力Fy測量橋路，實現(xiàn)加油接頭球形接嘴上滾轉(zhuǎn)分力Fy與俯仰分力Fz的雙余度測量。

根據(jù)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的胡克定律、電阻應(yīng)變效應(yīng)、惠斯通電橋電學(xué)原理和電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度S 定義［24］，可知滾轉(zhuǎn)和俯仰分力測量橋路輸出靈敏度分別為

式中：Sy、Sz分別為滾轉(zhuǎn)分力Fy和俯仰分力Fz測量電橋的輸出靈敏度；k1為輸出靈敏度修正系數(shù)；K 為電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；E 為彈性體材料的彈性模量。

若修正系數(shù)k1=1，電阻應(yīng)變計靈敏系數(shù)K=2.08，當(dāng)對接徑向力F 分別沿滾轉(zhuǎn)和俯仰方向，受2.25 kN 載荷時，即將α=0°代入式（5）、α=90°代入式（6）可知，滾轉(zhuǎn)和俯仰分力測量橋路輸出靈敏度Sy、Sz均為1.098 mV/V。

對于彈性體所受加油接頭球形接嘴上任意方向的對接徑向力F，由式（7）和式（8）可知其大小及方向角α 分別為

綜上，該力傳感器的圓管式彈性體能夠?qū)崿F(xiàn)對所受任意方向的對接徑向力F 大小及方向角α的測量。

2.4 串?dāng)_性能設(shè)計

由于多維測力傳感器的彈性體承載結(jié)構(gòu)及其尺寸加工偏差、應(yīng)變計粘貼位置誤差等因素，導(dǎo)致測量串?dāng)_大，極大地影響了測量精度。串?dāng)_作為多維測力傳感器的重要指標(biāo)，如何提高測力傳感器各維力間的測量串?dāng)_一直是國內(nèi)外多維測力傳感器研究的重點。提高多維測力傳感器串?dāng)_的方法主要為結(jié)構(gòu)直接解耦設(shè)計和標(biāo)定解耦矩陣軟件解耦。目前HBM 公司相關(guān)多維測力傳感器串?dāng)_為0.5%FS～3%FS。

該力傳感器串?dāng)_設(shè)計主要通過結(jié)構(gòu)直接解耦實現(xiàn)。由圖3和圖5 可知，彈性體應(yīng)力敏感部位圓管式結(jié)構(gòu)具有繞X2軸的圓周對稱性，俯仰應(yīng)力敏感部位A、C 處均位于彈性體受滾轉(zhuǎn)分力Fy產(chǎn)生彎曲的中性層處，滾轉(zhuǎn)應(yīng)力敏感部位B、D 處位于彈性體受俯仰分力Fz產(chǎn)生彎曲的中性層處，由中性層彎曲應(yīng)變?yōu)榱憧芍?，串?dāng)_理論值為零，實現(xiàn)了串?dāng)_的結(jié)構(gòu)直接解耦。

由于實際中電阻應(yīng)變計粘貼方位偏離中性層不可避免，設(shè)計要求該距離不大于0.2 mm，所選用電阻應(yīng)變計敏感柵寬度為3 mm。將設(shè)計要求的最大偏離距離0.2 mm 作為es值代入式（5）或式（6）可知，當(dāng)電阻應(yīng)變計粘貼方位偏離實際中性層0.2 mm時，串?dāng)_輸出靈敏度最大為0.005 17 mV/V。某一非敏感維力對敏感維力的串?dāng)_定義為非敏感維額定力對該敏感維的測量輸出影響值與該敏感維的額定測量輸出值之比，因此串?dāng)_為串?dāng)_輸出靈敏度0.005 17 mV/V與相應(yīng)測量通道的額定輸出靈敏度1.098 mV/V之比，即電阻應(yīng)變計粘貼方位偏離最大0.2 mm時串?dāng)_為0.471%FS。

圓管式彈性體尺寸形狀位置公差設(shè)計要求控制在0.02 mm 以內(nèi)，可采用高精度數(shù)控加工中心加工保證。加工尺寸形狀位置偏差帶來的串?dāng)_主要表現(xiàn)為：實際中性層同理論中性層的偏離誤差，且該誤差不大于要求的0.02 mm。同理，以實際加工尺寸D和d 的最大偏離0.02 mm，求得抗彎慣性矩I 并代入式（5）或式（6），可知彈性體實際加工尺寸形狀位置最大誤差引起的串?dāng)_為0.047 1%FS。

此外，測試或使用時的安裝方位角度誤差，也會帶來測量的串?dāng)_，該影響實際是被測力在沿非敏感方向的分力導(dǎo)致敏感方向測量電路的輸出值。設(shè)計時，通過配合安裝尺寸保證方位角度誤差不大于0.275°，同理α 考慮該安裝方位角度誤差，并代入式（5）或式（6），可知其帶來的實際測量串?dāng)_輸出靈敏度最大為0.005 27 mV/V，串?dāng)_為0.48%FS。

需要指出的是，該彈性體承載結(jié)構(gòu)設(shè)計具有足夠的剛度，變形小，因變形引起的實際力臂L 減小和實際被測對接力F 方向變化帶來的測量線性誤差不超過0.02%FS；同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)變計粘貼方位布置使4 路測量惠斯通電橋?qū)S向力、扭轉(zhuǎn)力矩和燃油壓力等非被測力引起的應(yīng)變不敏感，且通過惠斯通電橋全橋?qū)崿F(xiàn)相互自補償，提高了測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

通過結(jié)構(gòu)直接解耦設(shè)計，依據(jù)疊加原理可知，最大串?dāng)_為上述各因素影響之和，即0.998%FS，滿足1%FS 精度要求。此外，當(dāng)以上影響因素確定時，測量串?dāng)_與被測力呈線性關(guān)系，且為正相關(guān)。

3 分析與測試

3.1 強度剛度仿真分析

該力傳感器彈性體兩端與伸縮管和加油接頭均采用軸孔配合及法蘭結(jié)構(gòu)連接，安全可靠，該連接強度本文不予分析。由于彈性體承載全部動臂載荷，以及其結(jié)構(gòu)的對稱性，故僅分析其受10 kN 極限徑向力載荷的強度情況。沿俯仰方向施加10 kN 載荷于加油接頭球形部位，彈性體結(jié)構(gòu)連接伸縮管端法蘭固定，采用ANSYS 有限元軟件對該力傳感器彈性體進(jìn)行強度分析，如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)強度分析圖Fig.6 Structural strength analysis diagram

彈性體中部粘貼應(yīng)變計的E-E 截面的A 處平均應(yīng)力為-495.2 MPa，與設(shè)計計算的-492.777 MPa 相近，差異是由于仿真分析時有限元單元體細(xì)化程度造成的。最大壓應(yīng)力為-678.9 MPa，在彈性體法蘭同圓管式敏感結(jié)構(gòu)過渡圓角處，該應(yīng)力遠(yuǎn)小于彈性體材料強度極限，強度安全系數(shù)約為1.93，結(jié)構(gòu)安全可靠。該系數(shù)同彈性體設(shè)計時的強度安全系數(shù)1.662 相近，存在差異是由于設(shè)計時選取應(yīng)力集中系數(shù)考慮了表面加工質(zhì)量缺陷等影響，而仿真是在理想條件下進(jìn)行的。

采用ANSYS 有限元軟件對該力傳感器彈性體加載2.25 kN 最大測量載荷進(jìn)行剛度分析，受力方位和約束邊界條件同強度分析，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)剛度分析圖Fig.7 Structural stiffness analysis diagram

若忽略加油接頭的變形，該力傳感器彈性體變形引起加油接頭球形接嘴處變形約為1.5 mm，即該力傳感器結(jié)構(gòu)剛度為0.667 mm/kN，該變形相對伸縮管變形、加油插座跟蹤精度和力測量精度的影響均可忽略，因此剛度滿足實際使用要求。

3.2 輸出靈敏度仿真分析

為分析驗證該力傳感器的輸出靈敏度，采用ANSYS 有限元仿真軟件對彈性體結(jié)構(gòu)加載2.25 kN 最大測量載荷進(jìn)行分析［25-26］。由于彈性體結(jié)構(gòu)的圓周對稱性，滾轉(zhuǎn)與俯仰分力作用點位置和最大測量載荷均相同，由式（5）和式（6）可知滾轉(zhuǎn)與俯仰分力輸出敏感度的數(shù)值一致，因此，僅選擇俯仰分力Fz進(jìn)行分析。受力邊界約束條件同強度分析如圖8（a）所示，分析結(jié)果見圖8（b）和圖8（c）。

圖8 受額定徑向力的應(yīng)力分析Fig.8 Analysis of stress subject to rated lateral force

彈性體中部粘貼應(yīng)變計的E-E 截面的A 處平均拉應(yīng)力為+110.97 MPa，C 處平均壓應(yīng)力為-110.99 MPa，平均有效應(yīng)力為110.98 MPa，由式（3）～式（6）可知，滾轉(zhuǎn)和俯仰分力測量橋路輸出靈敏度Sy、Sz均為1.099 mV/V，仿真分析與理論計算的滾轉(zhuǎn)和俯仰分力測量橋路輸出靈敏度值1.098 mV/V 基本一致。

3.3 測試驗證

測試環(huán)境條件：溫度15～25 ℃，濕度45%RH～55%RH，氣壓101.3 kPa。

測試儀器及設(shè)備：Agilent34401 數(shù)字電壓表，JWJH-Ⅱ型精密直流穩(wěn)壓電源10 VDC，靜重式測力機。

按照《力傳感器檢定規(guī)程》［27］測試該力傳感器3 次取平均值，采用最小二乘法擬合理論值［28］計算輸出靈敏度、串?dāng)_、直線度等主要性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 力傳感器主要性能測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of main performance of force sensor

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知：該力傳感器俯仰通道輸出靈敏度為1.115 mV/V、串?dāng)_為0.38%FS、直線度為0.397%FS、滯后為0.027%FS；滾轉(zhuǎn)通道輸出靈敏度為1.110 mV/V、串?dāng)_為0.56% FS、直線度為0.083%FS、滯后為0.036%FS；實際滾轉(zhuǎn)輸出靈敏度和俯仰輸出靈敏度同1.098 mV/V 的設(shè)計值最大偏差1.55%FS 基本一致。其差異主要來源于電阻應(yīng)變計靈敏系數(shù)實際值同標(biāo)稱值及其粘貼方位的偏差、彈性體加工尺寸偏差、測試安裝方位偏差等，輸出靈敏度能夠滿足測量精度要求。

由于實際電阻應(yīng)變計粘貼位置、彈性體加工尺寸、測試安裝方位的偏差均控制在規(guī)定范圍內(nèi)，串?dāng)_性能測試值為0.56%FS，小于0.998%FS 最大串?dāng)_設(shè)計值，因此符合設(shè)計，已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。需要說明的是，實際工程中首先采用結(jié)構(gòu)直接解耦設(shè)計，通過精密的電阻應(yīng)變計粘貼定位與合理的惠斯通測量電橋設(shè)計，嚴(yán)格控制安裝方位角度誤差，從理論上降低或消除滾轉(zhuǎn)與俯仰分力測量維間結(jié)構(gòu)耦合，實現(xiàn)理論上結(jié)構(gòu)設(shè)計直接解耦后串?dāng)_為零；再通過標(biāo)定串?dāng)_的實際值大小，根據(jù)串?dāng)_標(biāo)定矩陣由系統(tǒng)軟件進(jìn)行線性插值修正處理后，最大限度減少維間耦合［28-30］串?dāng)_對測量準(zhǔn)確度的影響，即標(biāo)定解耦矩陣解耦。

直線度測試值為0.397%FS，產(chǎn)生的原因主要是測試固定安裝工裝剛度較低、變形大，使得測試加載力的作用點和相對方向產(chǎn)生微小變化，導(dǎo)致有效力臂隨著加載載荷增加而稍微減少。后續(xù)可通過提高測試工裝剛度改善直線度。

3.4 對比分析

將該圓管式結(jié)構(gòu)加油接頭力傳感器同環(huán)板式結(jié)構(gòu)加油接嘴徑向力測量傳感器的主要設(shè)計性能指標(biāo)進(jìn)行對比，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 對比分析Table 3 Comparative analysis

4 結(jié)論

本文通過對圓管式結(jié)構(gòu)加油接頭力傳感器實際裝機使用情況和環(huán)板式結(jié)構(gòu)加油接嘴徑向力測量傳感器問題的研究，簡明闡述了該圓管式力傳感器的總體結(jié)構(gòu)等設(shè)計，開展了彈性體的強度、輸出靈敏度、串?dāng)_等的設(shè)計，最后通過分析、測試和對比可知：該圓管式結(jié)構(gòu)力傳感器強度安全系數(shù)高，結(jié)構(gòu)設(shè)計直接解耦后串?dāng)_小并已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，性能指標(biāo)能夠滿足1%FS 的精度要求。

該加油接頭力傳感器設(shè)計具有尺寸小、結(jié)構(gòu)最優(yōu)、安全可靠、準(zhǔn)確、靈敏、響應(yīng)快、重量輕、適應(yīng)性好等特點，實現(xiàn)了電路同燃油通道的絕對隔離與良好的電磁屏蔽，便于加油系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計。經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)試驗證，完全能夠滿足自動卸荷系統(tǒng)消除加油接頭對接徑向力的功能和各項性能需求，可為實際裝機使用保證加油安全提供安全可靠的硬件支撐，對提高加油裝置的使用壽命和在整個對接過程中保證加油操作安全具有重要意義。

需要說明的是，目前該力傳感器還未經(jīng)加油試飛試驗和使用驗證，需進(jìn)步減小Ⅰ、Ⅱ類測量誤差［31］，提高實際測量精度。今后將根據(jù)實際工程裝機情況，開展相關(guān)工作。

致謝

感謝高亞奎、李明波、王貴、趙曉峰等同志給予的細(xì)心指導(dǎo)和幫助。