飛機前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)壽命試驗測控系統(tǒng)設(shè)計

， ， ， ， 　(. 北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院， 北京　009； 2. 蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州　730050)

引言

同飛機主起落架相比，前起落架除了完成收放動作外，在起飛和降落時的滑行階段其前輪還需要完成轉(zhuǎn)彎動作。對于大中型飛機，前輪轉(zhuǎn)彎動作通常都采用液壓作動方式實現(xiàn)，首先由伺服閥控制轉(zhuǎn)彎作動器作動，然后再通過齒輪齒條等機械裝置將作動器的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，從而驅(qū)動前輪完成轉(zhuǎn)彎動作，轉(zhuǎn)彎作動器和齒輪齒條這一整套機構(gòu)稱為轉(zhuǎn)彎機構(gòu)。前起落架在被正式投入使用前， 需要對轉(zhuǎn)彎機構(gòu)進行重復(fù)性的帶載轉(zhuǎn)彎試驗以測試其性能和壽命，從而為產(chǎn)品的后續(xù)設(shè)計優(yōu)化提供相應(yīng)測試數(shù)據(jù)和依據(jù)。因此設(shè)計功能豐富、測試準確、可靠穩(wěn)定的專用壽命性能測試系統(tǒng)是十分必要和有意義的。本研究主要從液壓系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測控系統(tǒng)設(shè)計等方面介紹了整個試驗測試系統(tǒng)設(shè)計過程。

1　試驗要求

為了能夠準確測試轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的壽命和性能，試驗中需要滿足以下要求：

(1) 轉(zhuǎn)彎角度控制精度 在試驗中需要模擬75°、40°、10°三種轉(zhuǎn)彎極限角情況下的受載轉(zhuǎn)彎情形，因此對轉(zhuǎn)彎角度有一定的控制精度要求，本試驗角度控制精度為±1°；

(2) 轉(zhuǎn)彎速度 要求轉(zhuǎn)彎速度可調(diào)，平均轉(zhuǎn)彎速度不超過15°/s；

(3) 加載精度 為了模擬實際當(dāng)中轉(zhuǎn)彎機構(gòu)轉(zhuǎn)軸以及機輪與地面的摩擦力，在機輪轉(zhuǎn)彎過程中要求能夠?qū)D(zhuǎn)彎作動機構(gòu)施加一定精度的負載。在75°、40°、10°三種轉(zhuǎn)彎角度下，對應(yīng)的加載扭矩分別為6000 N·m、3000 N·m和1500 N·m，加載精度為±5%；

(4) 油液溫度 為了模擬飛機在正常和極端惡劣環(huán)境下的轉(zhuǎn)彎情形，對進入轉(zhuǎn)彎作動機構(gòu)的液壓油液溫度有常溫、高溫和低溫三種工況要求，常溫(35±10)℃，高溫(90±10)℃，低溫(-50±10)℃；

(5) 數(shù)據(jù)曲線記錄與保存 要求對試驗中的關(guān)鍵參數(shù)進行保存，如油液的溫度、加載扭矩、轉(zhuǎn)彎速度、轉(zhuǎn)彎角度等；對被測產(chǎn)品新能夠進行存儲管理；能夠?qū)嵌?加載扭矩、角度-轉(zhuǎn)彎壓差等曲線實時顯示和保存。

2　液壓原理設(shè)計

根據(jù)試驗要求，整個系統(tǒng)的液壓部分主要包括常高溫試驗油源、低溫試驗油源和加載系統(tǒng)三部分。

2.1　油源系統(tǒng)

常溫和高溫試驗共用一個油源，低溫試驗單獨使用一個油源，其液壓原理圖如圖1所示。常、高溫油源由排量為16 mL/r的柱塞泵60和61為系統(tǒng)供油，兩者互為備用，其中柱塞泵60由功率為18 kW的變頻電機66驅(qū)動，通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)泵60的輸出流量，而泵61由電動機67驅(qū)動，電動機67為功率為18 kW 的定轉(zhuǎn)速普通三相交流異步電機，考慮到其功率較大，因此為其配備了一臺軟啟動器。兩臺泵的輸出壓力分別由溢流閥17和18調(diào)節(jié)，壓力傳感器13用來采集系統(tǒng)壓力。為了穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，在兩臺泵的出口均設(shè)置了蓄能器7和8。高壓油路和回油路分別設(shè)置了過濾器46、47和48，80為加熱器保證高溫試驗時的油液溫度滿足試驗要求。

1～3.比例換向閥　4～6.壓力補償器　7、8.蓄能器　9～12.壓力表　13～16.壓力傳感器　17～20.溢流閥　21～45.手動球閥 46～51.過濾器　52～59.單向閥　60～63.柱塞泵　64、65.齒輪泵　66、67.變頻電機　68～71.三相交流異步電機　72、73.溫度計 74、75.液位發(fā)訊器　76、77.排污閥　78、79.液位計　80.加熱裝置　81.冷卻裝置　82、83.溫度傳感器　84、85.油箱　86.單向過濾器

比例換向閥1、2用來控制轉(zhuǎn)彎作動器的轉(zhuǎn)彎方向和轉(zhuǎn)彎速度，每1個換向閥各自配備了1個壓力補償器4、5，該壓力補償器由1個減壓閥和梭閥組成，用來保證比例換向閥的進出口壓差為恒值，從而增加轉(zhuǎn)彎速度調(diào)節(jié)剛度。壓力傳感器15和16用來采集轉(zhuǎn)彎作動器的兩腔壓力，溫度傳感器82和83采集轉(zhuǎn)彎作動器進出油路的溫度，單向過濾器86保證進入轉(zhuǎn)彎作動器的油液清潔度。低溫油源原理同常、高溫油源基本相同，唯一不同的是由于低溫時油液黏度較大，造成柱塞泵62、63吸油不足，為此增加了2臺排量為25 mL/r的齒輪泵64和65以增強吸油能力，67和70為2臺柱塞泵的驅(qū)動電機，其中67為18 kW變頻電機，70為18 kW 定轉(zhuǎn)速異步電機，69和71為兩臺齒輪泵的驅(qū)動電機，功率為7.5 kW，需要注意的是四臺泵的驅(qū)動電機在啟停時有相應(yīng)的順序要求。

2.2　加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)使整個試驗的關(guān)鍵，包括加載方式的設(shè)計和加載精度的保證。目前就加載方式來說，根據(jù)加載動力源的不同，可分為電液式加載和電動式加載兩種方式，電液加載適合于大載荷的場合，而電動加載則適合于小載荷的情形[1]。而根據(jù)加載原理的不同，通?？煞譃楸粍蛹虞d和主動加載，被動加載需要加載裝置在跟隨被加載件運動的同時施加載荷，雖然這種方式加載精度高，但往往需要高成本的伺服閥，且控制策略復(fù)雜，在加載過程中如果控制不當(dāng)會產(chǎn)生較大的多余力[2]。而對于主動式加載，加載裝置無需被動的跟隨被加載件運動，被加載件驅(qū)動加載裝置運動時，可以利用摩擦阻尼原理主動產(chǎn)生阻性負載，非常適合于模擬阻性負載的場合。本試驗中要求在轉(zhuǎn)彎過程中需要施加一定大小的阻性摩擦扭矩，用來模擬轉(zhuǎn)軸以及機輪與地面的摩擦，所以非常適合使用主動式加載方式，在下文中詳細介紹了一種通過調(diào)節(jié)背壓實現(xiàn)主動式加載方法。

加載系統(tǒng)的液壓原理圖如圖2所示，轉(zhuǎn)彎作動器1為1個三腔液壓缸，無桿腔1.1和1.2分別為進油和回油腔，中間腔1.3為有桿腔，活塞桿為一齒條， 當(dāng)作動器作動時通過齒條與轉(zhuǎn)軸上的齒輪嚙合將直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器和用于加載的雙向齒輪齒條4連接，雙向齒條同2個單出桿加載缸5和6的活塞桿剛性連接。整個加載過程如下：首先通過圖1中的比例換向閥控制轉(zhuǎn)彎作動器的作動速度和方向，轉(zhuǎn)彎作動器通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動雙向齒輪齒條旋轉(zhuǎn)，其中轉(zhuǎn)彎角度通過拉線傳感器2檢測。當(dāng)雙向齒條齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)時，加載缸5和6的腔5.1和6.2連通且均受壓，壓力由比例溢流閥14設(shè)定，腔5.2和6.1連通且體積均增大，此時通過單向閥29由加載補油柱塞泵40進行補油。順時針時，腔5.2和6.1受壓，壓力由比例溢流閥13設(shè)定，腔5.1和6.2通過單向閥28補油。因此通過調(diào)節(jié)比例溢流閥13和14就可以控制腔5.1、6.2與腔5.2、6.1的壓力，進而也就控制了轉(zhuǎn)彎作動器的兩腔壓差，最終使轉(zhuǎn)彎作動器的所承受的負載扭矩滿足試驗的加載要求。

1.轉(zhuǎn)彎作動器　2.拉線傳感器　3.轉(zhuǎn)軸　4.雙向齒輪齒條　5、6.加載缸　7～9.壓力傳感器　10～12.壓力表　13、14.比例溢流閥15～17.溢流閥　18.蓄能器　19～27.手動球閥　28～31.單向閥　32、33.過濾器　34．先導(dǎo)式溢流閥　35.電磁卸荷閥 36.液位計　37.油冷器　38.液位發(fā)訊器　39.溫度計　40.變頻電機　41.柱塞泵　42.排污閥　43.油箱

3　測控系統(tǒng)設(shè)計

3.1　控制要求

測控系統(tǒng)的任務(wù)主要包括：

(1) 調(diào)節(jié)3個比例換向閥完成對轉(zhuǎn)彎作動器的速度控制，由于試驗對轉(zhuǎn)彎速度的控制精度要求不高，因此采用開環(huán)控制；

(2) 通過拉線傳感器檢測轉(zhuǎn)彎角度，然后和給定的極限轉(zhuǎn)彎角度比較產(chǎn)生換向信號，再由比例換向閥完成轉(zhuǎn)彎換向和角度控制；

(3) 由于試驗對加載扭矩有一定的精度要求，為了方便試驗人員調(diào)節(jié)，加載采用開、閉環(huán)兩種方式控制，試驗人員可根據(jù)情況靈活選擇，其中閉環(huán)方式通過壓力傳感器檢測兩個加載缸壓力，與給定的加載扭矩比較，采用PID控制器產(chǎn)生控制信號調(diào)節(jié)兩個比例溢流閥完成加載扭矩的控制，控制原理框圖如圖3所示；

圖3　系統(tǒng)控制原理框圖

(4) 被測產(chǎn)品信息、關(guān)鍵性試驗參數(shù)和曲線的繪制和存儲。

3.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)控制要求整個測控系統(tǒng)的硬件配置框圖如圖4所示，主要包括以下幾部分：

(1) 控制器選用S7-300 PLC，其中CPU選用315-2DP/PN，該CPU配備1個DP口，2個以太網(wǎng)口；擴展2塊DI模塊主要用液壓泵的啟停、故障報警等邏輯控制；擴展2塊AI模塊主要負責(zé)采集現(xiàn)場壓力、溫度、液位等過程量；擴展1塊AO模塊，用來輸出模擬量信號控制3個比例換向閥和2個比例溢流閥；

(2) 變頻器選用三臺變頻器，實現(xiàn)常高溫油源、低溫油源主泵和加載補油泵驅(qū)動電機的變頻調(diào)速，變頻器通過PROFIBUS-DP總線同PLC通訊；

(3) 軟啟動器選用兩臺軟啟動器，保證常高溫油源、低溫油源的備用主泵安全可靠啟動；

(4) 信號調(diào)理模塊 將現(xiàn)場傳感器信號轉(zhuǎn)換為兩路信號，一路送PLC的AI模塊通過上位機顯示，另一路送二次儀表顯示；

(5) 工控機本系統(tǒng)選用兩臺工控機，1#工控機通過操作界面完成對被測產(chǎn)品信息、關(guān)鍵參數(shù)和曲線顯示與存儲，2#工控機操作界面用來進行加載控制參數(shù)的在線設(shè)置以及前期的手動調(diào)試，兩臺工控機均通過以太網(wǎng)與下位PLC通訊；

(6) 傳感器傳感器主要包括7個壓力傳感器、5個溫度傳感器、3個液位傳感器、1個拉線傳感器，該型傳感器可同時測量位移和速度，并配備DP總線接口；

(7) 控制閥主要包括3個比例換向閥和2個比例溢流閥。

3.3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三部分：PLC程序設(shè)計和數(shù)據(jù)曲線管理界面和控制參數(shù)調(diào)整界面的設(shè)計。

1) PLC程序設(shè)計

PLC程序除了完成現(xiàn)場7臺泵的啟?？刂啤缶?、各種傳感器的信號采集等功能外，還需要完成轉(zhuǎn)彎速度、角度和加載扭矩的控制，其中加載扭矩的閉環(huán)PID控制程序編寫在循環(huán)中斷組織塊OB35內(nèi)以保證控制的實時性。另外需要說明的是轉(zhuǎn)彎角度θ從中位(角度θ=0°)→正向極限角(θ=+θlim)→中位→負向極限角(θ=-θlim)→中位稱為一個轉(zhuǎn)彎循環(huán)，而1000次循環(huán)稱為一個大循環(huán)，其中包括100次75°加載，400次40°加載和500次10°加載，某一型號的被試產(chǎn)品往往需要進行上百萬次循環(huán)試驗， 每個大循環(huán)中角度、加載扭矩的自動切換以及加載次數(shù)的記錄都需要在PLC中完成，因此PLC的程序設(shè)計量是比較大的，限于篇幅這里就不給出詳細的程序了。

圖4　測控系統(tǒng)硬件配置框圖

2) 數(shù)據(jù)曲線管理界面設(shè)計

上位機監(jiān)控界面主要包括兩部分：1#工控機操作界面主要完成被測產(chǎn)品信息、關(guān)鍵試驗參數(shù)以及相關(guān)曲線的存儲與管理，2#工控機操作界面主要完成各種控制參數(shù)的在線整定功能。

通常上位監(jiān)控界面選用專門的組態(tài)軟件開發(fā)，但是傳統(tǒng)的組態(tài)軟件往往有兩個突出的問題，一個問題是其數(shù)據(jù)庫操作功能有限，往往只提供一些簡單的功能，不能滿足實際用戶的要求，要實現(xiàn)復(fù)雜的功能需要用腳本語言進行二次開發(fā)，這樣對于開發(fā)者來說入門困難、開發(fā)周期長[3]。另一個是通訊問題，一般的組態(tài)軟件支持的下位設(shè)備較少，往往都是只支持自家的設(shè)備。基于上述原因，上位監(jiān)控界面采用Visual Basic 6.0+PRODAVE的開發(fā)方式。

Visual Basic是一種結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計語言，雖然6.0版本較舊，但是由于其操作簡單實用，任然擁有大量的用戶。用Visual Basic開發(fā)數(shù)據(jù)庫方便、靈活，易于實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫管理功能，其中數(shù)據(jù)庫選用Microsoft Access。采用Visual Basic 6.0開發(fā)界面，如何同下位的S7-300 PLC通訊是一個棘手的問題，PRODAVE MPI/IE 6.0是針對S7-200、300PLC與上位PC通訊的軟件包，PRODAVE通過動態(tài)鏈接庫向Windows高級語言如VB、VC等提供接口函數(shù)，支持MPI和以太網(wǎng)兩種通訊方式[4，5]。一般先通過函數(shù)LoadConnection_ex6和UnloadConnection_ex6實現(xiàn)上位與PLC的通訊連接與斷開，利用函數(shù)db_read_ex6、db_write_ex6或field_read_ex6、field_write_ex6實現(xiàn)對PLC的DB區(qū)及其他存儲區(qū)的讀寫訪問，需要注意的是PLC的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)是高地址存放低字節(jié)數(shù)據(jù)而低地址存放高字節(jié)數(shù)據(jù)，這剛好和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)相反，因此在對PLC存儲器進行讀寫訪問時，應(yīng)該進行高低字節(jié)的交換操作。

另外，在試驗中需要對關(guān)注的幾條曲線實時顯示和存儲，而VB并沒有自帶曲線繪圖控件，因此需選用第三方控件，其中曲線繪制控件iplot控件可同時顯示多條曲線，具有曲線顏色設(shè)置、曲線放大、縮小、打印、保存等豐富的功能[6]，編程時僅需使用一個函數(shù)iplotx.Channel.AddXY即可完成曲線的繪制，使用非常方便。最終根據(jù)試驗要求，開發(fā)的監(jiān)控界面如圖5所示。

3) 控制參數(shù)調(diào)整界面設(shè)計

由于VB不支持多線程操作，當(dāng)對PLC需要進行大量的數(shù)據(jù)讀寫操作時，實時性很難保證，而本試驗中對加載扭矩進行開、閉環(huán)控制時，有大量的控制參數(shù)需要在線整定，為此在另一臺工控機上單獨設(shè)計參數(shù)調(diào)整界面，界面開發(fā)軟件選用組態(tài)王6.53。組態(tài)王6.53提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能[7，8]。組態(tài)王一般的開發(fā)過程通常遵循以下步驟：創(chuàng)建設(shè)備、建立變量、畫面設(shè)計、變量連接、調(diào)試。在本試驗中需要針對不同的轉(zhuǎn)彎角度施加相應(yīng)加載扭矩，加載精度為±5%。對于開環(huán)方式，通過前期實際轉(zhuǎn)彎試驗發(fā)現(xiàn)加載扭矩同轉(zhuǎn)彎角度關(guān)系之間近似一條直線，可用下式表示：

圖5　數(shù)據(jù)曲線管理界面

T=K1θ+K2T0

其中，T為轉(zhuǎn)彎作動筒實際的加載扭矩(N·m)；θ為轉(zhuǎn)彎角度 (°)；Td為理想的加載扭矩 (N·m)；K1為斜率修正系數(shù)；K2為截距修正系數(shù)。通過前期調(diào)試可以為K1和K2預(yù)置兩個值，使T處于±5%的公差帶內(nèi)，但是試驗中受轉(zhuǎn)彎次數(shù)、油液溫度和摩擦扭矩特性多變等因素的影響，T可能會超出±5%的公差帶，此時就需由試驗人員在線整定參數(shù)K1和K2。為了便于加載曲線的調(diào)節(jié)，對T和θ的曲線采用分段整定的方法， 如圖6所示，T和θ的曲線軌跡在一個循環(huán)中可以被分為4個區(qū)域，這樣75°、40°和10°三種轉(zhuǎn)彎角度共對應(yīng)3組24個參數(shù)。而對于閉環(huán)方式，由于加載扭矩允許 ±5%的誤差，因此閉環(huán)控制時采用比例調(diào)節(jié)器P即可，同開環(huán)一樣閉環(huán)也采用分段整定的辦法，每種轉(zhuǎn)彎角度4個區(qū)域?qū)?yīng)4個比例系數(shù)，這樣75°、40°和10°三種轉(zhuǎn)彎角度共對應(yīng)3組12個參數(shù)。這么多組參數(shù)管理起來是比較麻煩的，利用組態(tài)王的配方功能可以很好的解決這一問題，針對開環(huán)和閉環(huán)的6組參數(shù)創(chuàng)建6種配方即可。圖7為轉(zhuǎn)彎角度為10°時所設(shè)計的開環(huán)控制參數(shù)調(diào)整界面。

4　結(jié)論

設(shè)計的前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)壽命試驗測控系統(tǒng)采用通過調(diào)節(jié)比例溢流閥調(diào)節(jié)背壓方式實現(xiàn)加載，避免了使用昂貴的伺服閥進行被動加載的方式，是一種值得推薦的模擬大阻尼負載的加載方式。加載采用開、閉環(huán)兩種控制調(diào)節(jié)方式，控制參數(shù)采用分段式曲線擬合的方法整定，具有調(diào)節(jié)靈活、方便的特點。同時，整個測控系統(tǒng)具有可靠性高、功能全面、上位界面人機交互性好等特點。該系統(tǒng)已經(jīng)交付使用，通過多次轉(zhuǎn)彎加載試驗證明完全滿足試驗要求。

圖6　T與θ關(guān)系曲線示意圖

圖7　控制參數(shù)調(diào)整界面

參考文獻：

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