基于電液比例控制的襟翼驅(qū)動(dòng)器液壓加載系統(tǒng)

于之靖，郭威

(中國(guó)民航大學(xué)航空地面特種設(shè)備研究基地，天津300300)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，民航運(yùn)輸業(yè)也進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。隨著機(jī)隊(duì)規(guī)模的快速發(fā)展，飛機(jī)故障頻次逐漸加大，對(duì)維修時(shí)間要求越來(lái)越嚴(yán)。在飛機(jī)起飛以及著陸等低速階段，安裝在機(jī)翼前緣和后緣的襟翼是飛機(jī)的重要的增升裝置。襟翼的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，所以由于襟翼系統(tǒng)故障造成的飛行安全事故時(shí)有發(fā)生。例如2007年6月22日北京飛往英國(guó)希思羅機(jī)場(chǎng)的A340 飛機(jī)就因襟翼卡阻故障而兩度放油返航。襟翼內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中襟翼驅(qū)動(dòng)器起到類似減速箱的作用，是實(shí)現(xiàn)襟翼收放動(dòng)作的核心部件。通過(guò)315∶1的傳動(dòng)比，將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的襟翼驅(qū)動(dòng)軸的小扭矩轉(zhuǎn)換成為襟翼驅(qū)動(dòng)搖桿的大扭矩，從而控制襟翼的展開(kāi)和收回，起到改變翼型彎度、增加機(jī)翼面積和保持層流流動(dòng)的作用，使飛機(jī)可以在機(jī)翼面積有限的情況下，產(chǎn)生足夠的升力。因此，襟翼驅(qū)動(dòng)器是襟翼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)、故障檢修以及性能測(cè)試就顯得尤為重要。

在國(guó)外，只有豪富(Goodrich)針對(duì)其本身生產(chǎn)的襟翼驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)和Emprise 公司與相關(guān)大學(xué)為Curtiss-Wright Flight Systems 開(kāi)發(fā)的針對(duì)Boeing 747/767 等系列機(jī)型的襟翼驅(qū)動(dòng)器測(cè)試臺(tái)。由于技術(shù)封鎖，上述襟翼驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)外發(fā)售和展示，因此極大地影響到國(guó)內(nèi)的維修與測(cè)試能力。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)襟翼驅(qū)動(dòng)器及其傳動(dòng)系統(tǒng)的深度維修和測(cè)試工作在國(guó)內(nèi)尚屬空白，在適航規(guī)定周期(每300 飛行小時(shí))的檢修和測(cè)試工作一般要返回國(guó)外進(jìn)行，維修周期較長(zhǎng)，這就需要相應(yīng)航空公司增加航材的備件種類和數(shù)量。如對(duì)應(yīng)空客A319/A320 系列，就有791、792、793、794 等系列多個(gè)型號(hào)襟翼驅(qū)動(dòng)器，單臺(tái)價(jià)格在100 ～200 萬(wàn)元人民幣，極大地增加了維修成本，同時(shí)嚴(yán)重地影響到飛機(jī)的維修效率，不利于我國(guó)大力發(fā)展大飛機(jī)項(xiàng)目的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。為此，針對(duì)空客A319/A320 飛機(jī)研制了一套襟翼驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)襟翼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行性能、故障測(cè)試，減小飛機(jī)飛行事故的概率，提高國(guó)內(nèi)襟翼驅(qū)動(dòng)器的深度維修能力。

文中介紹的襟翼驅(qū)動(dòng)器液壓加載系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的液壓加載部分。襟翼驅(qū)動(dòng)器在工作過(guò)程中，其輸出軸端最大扭矩將達(dá)到5 000 N·m 的動(dòng)態(tài)載荷，并且在扭矩限制器失效時(shí)，為了避免襟翼驅(qū)動(dòng)器損壞，還要實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。故需要對(duì)襟翼驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際工作中的輸出軸端工況進(jìn)行模擬，檢測(cè)其是否達(dá)到適航要求，必須采取穩(wěn)定可靠的加載方式。如果采用常規(guī)的機(jī)械加載或電加載模式，將極大地增加測(cè)試系統(tǒng)的體積或造價(jià)，并且安全防護(hù)措施難于實(shí)現(xiàn)，造成可能的被測(cè)襟翼驅(qū)動(dòng)器二次損壞。為此研究采用電液比例控制的液壓馬達(dá)加載方式，減小系統(tǒng)的體積，增加系統(tǒng)測(cè)試的靈活性和可靠性。以S-300PLC 為核心，通過(guò)模擬量輸出模塊按照一定的邏輯順序通過(guò)輸出電壓信號(hào)連續(xù)、按比例地對(duì)液壓回路壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制液壓馬達(dá)對(duì)被測(cè)襟翼驅(qū)動(dòng)器的扭矩加載。

1 系統(tǒng)電氣組成

被測(cè)襟翼驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)上為不規(guī)則小型齒輪箱，安裝在特殊設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)上。平臺(tái)采用導(dǎo)軌和微調(diào)機(jī)構(gòu)，便于被試件的拆裝和測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)校;輸入軸端輸入扭矩由伺服電機(jī)給出，在此不作詳細(xì)介紹;輸出軸端連接扭矩傳感器和液壓馬達(dá)。電氣控制系統(tǒng)安裝在電氣控制柜中，采用西門(mén)子面板式工控機(jī)PC670作為上位機(jī)，通過(guò)組態(tài)軟件WinCC 與下位機(jī)PLC 實(shí)現(xiàn)通訊和監(jiān)控。

S7-300PLC 是西門(mén)子公司出品的一種經(jīng)典的工業(yè)控制單元，其良好的性能、豐富的擴(kuò)展模塊和人性化的人機(jī)交互方式使其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。采用S7-300PLC 作為下位機(jī)，控制液壓回路主要元件并采集傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)反饋;傳感器負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)的采集。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及液壓加載系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)及液壓站

2 液壓加載回路原理

液壓加載回路如圖2所示。測(cè)試項(xiàng)目要求加載馬達(dá)能夠提供0 ～5 000 N·m 的雙向轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)中，加載電機(jī)和泵源為系統(tǒng)提供壓力;溢流閥控制系統(tǒng)壓力上限從而保證測(cè)試安全性;PLC 通過(guò)數(shù)字開(kāi)關(guān)量控制中間繼電器，控制電磁換向閥閥芯位置改變油液流向，從而改變加載馬達(dá)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)正反向測(cè)試;PLC 通過(guò)模擬量輸出模塊向比例溢流閥輸出電壓信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)壓力在0 ～5 000 N·m 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)馬達(dá)輸出扭矩。

圖2 加載系統(tǒng)液壓回路

3 系統(tǒng)選型和軟件程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 系統(tǒng)元件選擇

對(duì)加載馬達(dá)的要求是實(shí)現(xiàn)0 ～5 000 N·m 的扭矩加載。測(cè)試時(shí)被測(cè)件驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速維持在0 ～392 r/min，根據(jù)傳動(dòng)比得出馬達(dá)轉(zhuǎn)速應(yīng)在0 ～1.25 r/min。故選擇低速大轉(zhuǎn)矩徑向柱塞式馬達(dá)INM5-2000。該馬達(dá)活塞與擺缸不存在側(cè)向力，活塞底部設(shè)計(jì)成靜壓平衡，活塞與曲軸之間通過(guò)滾動(dòng)軸承傳遞扭力，這些均減少了傳力過(guò)程中的摩擦損失，具有高的機(jī)械效率、啟動(dòng)扭矩(啟動(dòng)時(shí)機(jī)械效率0.92以上)等特點(diǎn);液壓泵源選擇CBN-F308 型齒輪泵，該型泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、使用可靠，額定輸出壓力為20 MPa，最高可達(dá)到25 MPa，滿足回路控制壓力要求;比例溢流閥選擇ATOS 的RZMO 型直動(dòng)溢流閥。PLC 輸出的模擬電壓信號(hào)不能直接控制比例閥，必須經(jīng)過(guò)放大器的轉(zhuǎn)換。選用ATOS 的E-MI-AC 型電子放大器，將輸入(電壓)信號(hào)轉(zhuǎn)化成比例閥所需適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流以校準(zhǔn)閥的調(diào)整量，使之與輸入(電壓)信號(hào)相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖3所示。

圖3 比例閥控制方式示意圖

為了穩(wěn)定地控制系統(tǒng)壓力，必須確定比例溢流閥的死區(qū)。比例閥的輸入電壓U 與壓力輸出信號(hào)p 關(guān)系如圖4所示。圖中曲線表明:電壓高于0.1 V 時(shí)，比例閥打開(kāi)，故為保證比例閥連續(xù)可調(diào)，PLC 程序設(shè)計(jì)中輸入放大器的模擬電壓必須大于0.1 V。

圖4 比例閥U(V)－p(MPa)特性曲線

3.2 PLC 控制程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

選用314C-2DP 型PLC。電源模塊提供24 V 直流電，自帶24 入/16 出數(shù)字量單元和5 入/2 出模擬量單元。CPU 主要負(fù)責(zé)程序的設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等功能;數(shù)字量單元主要負(fù)責(zé)接受現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離與濾波，把信號(hào)輸送到輸入緩沖區(qū)等待采樣，并通過(guò)背部總線把開(kāi)關(guān)信號(hào)以二進(jìn)制方式寫(xiě)入輸入過(guò)程映像表;模擬量單元通過(guò)A/D 或D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入或輸出。輸入模擬量包括:扭矩(0 ～10 V)、系統(tǒng)壓力(0 ～10 V)、油溫(Pt100)，反饋模擬量經(jīng)由PLC 的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為信號(hào)的實(shí)際值，顯示在監(jiān)控界面上。監(jiān)控程序設(shè)有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)油溫或壓力超過(guò)一定值時(shí)，監(jiān)控界面點(diǎn)亮紅燈報(bào)警。輸出為比例閥進(jìn)口壓力控制信號(hào)(0 ～10 V)。

加載程序根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)為兩種加載方式:定值加載模式和曲線加載模式。定值加載模式下，通過(guò)模擬量輸出直接控制輸出電壓調(diào)整系統(tǒng)壓力，快速對(duì)被測(cè)件實(shí)現(xiàn)1 000 N·m/2 300 N·m 的加載并維持;當(dāng)設(shè)為曲線加載模式時(shí)，由0 線性加載到5 000 N·m，通過(guò)用戶給定加載時(shí)間t(ms)，通過(guò)OB35的循環(huán)掃描實(shí)現(xiàn)每次掃描增加 ［(5 000 t)/20］N·m。模擬量輸出對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系為10 V，對(duì)應(yīng)馬達(dá)扭矩上限6 573 N·m，加載扭矩輸入通過(guò)操作數(shù)MD50 加以控制，故:

Vout=(nMD50/6 573)×10 +0.1

最后加0.1 是為了防止比例閥關(guān)死。加載程序框圖如圖5所示。

圖5 PLC 扭矩控制流程圖

3.3 加載試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

(1)定值加載實(shí)驗(yàn)。襟翼驅(qū)動(dòng)器輸出端扭矩(加載扭矩)保持在1 000 N·m/2 300 N·m，輸入端由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度從0 直至120 r/min 并保持，此時(shí)的輸入端力矩若小于6.74/13.04 N·m，表明被測(cè)件運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

(2)曲線加載實(shí)驗(yàn):輸入端速度維持在392 r/min，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)輸出端扭矩從0 線性加載到5 000 N·m，當(dāng)加載到3 400 ～3 900 N·m 時(shí)，襟翼驅(qū)動(dòng)器上的力矩限制器起作用，扭矩不再增加，此時(shí)輸入端扭矩應(yīng)小于70 N·m。反向測(cè)試方式同上。監(jiān)控程序中加載扭矩和加載電壓隨加載時(shí)間t 的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 扭矩、電壓隨時(shí)間t 變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電液比例技術(shù)在襟翼驅(qū)動(dòng)器液壓測(cè)試系統(tǒng)中的使用，能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍廣，精度高，響應(yīng)快;通過(guò)S7-300PLC模擬量模塊直接控制比例閥，并通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)比例閥死區(qū)的補(bǔ)償，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確度;操作簡(jiǎn)單，WinCC 監(jiān)控界面能夠直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了襟翼驅(qū)動(dòng)器的扭矩測(cè)試，解決了結(jié)構(gòu)上的難題，填補(bǔ)了飛機(jī)襟翼關(guān)鍵部件適航審定測(cè)試在機(jī)務(wù)維修領(lǐng)域的空白。能夠應(yīng)用到相關(guān)維修公司/維修基地等單位，一方面能夠打破國(guó)外公司的技術(shù)封鎖和維修測(cè)試壟斷，提高國(guó)內(nèi)對(duì)襟翼驅(qū)動(dòng)器的深度維修測(cè)試能力，降低維修測(cè)試成本;同時(shí)也可以減少備件庫(kù)存、縮短維修時(shí)間、提高維修效率。

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