折疊翼展開機構(gòu)測試裝置設(shè)計與試驗驗證

胡　明　章　斌　陳文華　田芳菲　張　虹　周小紅

1.浙江理工大學(xué)機電產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究浙江省重點實驗室,杭州,3100182.北京機電工程研究所,北京,100074

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折疊翼展開機構(gòu)測試裝置設(shè)計與試驗驗證

胡明1章斌1陳文華1田芳菲1張虹2周小紅2

1.浙江理工大學(xué)機電產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究浙江省重點實驗室,杭州,3100182.北京機電工程研究所,北京,100074

基于折疊翼展開機構(gòu)的工作原理和功能需求，確定了折疊翼展開機構(gòu)性能參數(shù)測試方法，完成了其測試裝置的設(shè)計及原理樣機研制。應(yīng)用所研制的折疊翼展開機構(gòu)測試裝置進行折疊翼展開性能試驗，獲得其各項性能指標，并通過不同轉(zhuǎn)矩下折疊翼展開機構(gòu)測試裝置試驗，分析其性能參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：彈翼能迅速展開到位，鎖緊銷與過位擋塊能實現(xiàn)翼面準確定位、可靠鎖定，且展開過程中各部件之間相互無干涉，滿足設(shè)計要求。

折疊翼；展開機構(gòu)；測試裝置；試驗驗證

0　引言

折疊翼用于縮小導(dǎo)彈橫向尺寸,節(jié)省發(fā)射裝置貯運空間，便于箱筒式發(fā)射，增加車輛、艦艇和飛機等的運載能力,提高武器裝備的綜合作戰(zhàn)效能。折疊翼展開機構(gòu)主要用于保證折疊翼面的順利展開，其性能直接影響展開的快速性、穩(wěn)定性及可靠性。目前，折疊翼主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈，且通常在大翼展巡航導(dǎo)彈中使用，如美國的ALCM和SLCM導(dǎo)彈翼面[1-3]。

國內(nèi)學(xué)者針對折疊翼測試裝置的設(shè)計與展開試驗進行了相關(guān)研究。劉賀等[4]對折疊翼負載模擬系統(tǒng)進行了設(shè)計,設(shè)模擬系統(tǒng)可等效模擬彈翼旋轉(zhuǎn)90°的展開過程。馬玉勇等[5]以剪刀翼展開機構(gòu)為對象,設(shè)計了折疊翼展開負載模擬裝置，模擬不同飛行攻角條件下折疊翼展開時的升力負載和阻力負載。李莉等[6]設(shè)計了一套剪刀式折疊翼測試裝置，測得了展開過程中燃氣作動筒驅(qū)動力對折疊翼展開性能的影響，并測試了展開時間、沖擊加速度及左右折疊翼的展開同步性。

折疊翼展開過程中的性能評價參數(shù)主要包括展開時間、展開角度、翼展同步性、展開后對彈體的沖擊力等。為獲得折疊翼展開機構(gòu)的上述性能指標，需對折疊翼展開機構(gòu)進行測試裝置設(shè)計及展開性能試驗研究[7-8],以保證導(dǎo)彈發(fā)射后的正常飛行和成功完成預(yù)定任務(wù)。

1　折疊翼展開機構(gòu)工作原理

折疊翼展開機構(gòu)主要由翼面、驅(qū)動裝置、展開機構(gòu)、定位和鎖緊機構(gòu)組成，如圖1所示。其中，電動缸1是折疊翼展開機構(gòu)驅(qū)動裝置用于提供翼面展開驅(qū)動力的;推桿2用于傳遞推力和承受載荷的作用；過位擋塊3緩沖翼面展開到位瞬間發(fā)生的沖擊；當翼面展開到達預(yù)定位置時，鎖緊銷4使其定位鎖緊。折疊翼展開機構(gòu)工作過程如下:電動缸1接到信號后工作，推動推桿2,傳遞動力，將剪切銷剪斷，推動翼面7繞旋轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)展開，直至鎖緊銷4動作將翼面7定位、鎖緊。通過上述各組成部件的及時、準確動作，保證翼面展開到規(guī)定位置。

1.電動缸　2.推桿　3.過位擋塊　4.鎖緊銷　5.彈翼旋轉(zhuǎn)軸　6.到位傳感器　7.翼面圖1　折疊翼展開機構(gòu)示意圖

折疊翼的展開性能關(guān)系到導(dǎo)彈發(fā)射后能否正常飛行，是設(shè)計折疊翼時的重要指標,應(yīng)滿足以下條件:①折疊翼能迅速展開到位，工作可靠，展開時間在1 s以內(nèi)。②展開到位后，定位準確,展開角度為90°,允許偏差為±0.5°。③折疊翼完全展開到位后，鎖緊可靠，且鎖定后彈翼快速穩(wěn)定。

2　折疊翼展開機構(gòu)測試裝置設(shè)計

根據(jù)折疊翼展開機構(gòu)的工作原理與性能要求，完成測試裝置的設(shè)計及其原理樣機研制，為折疊翼展開機構(gòu)的性能試驗提供測試平臺。

2.1測試裝置功能

根據(jù)折疊翼展開機構(gòu)在展開過程中需測量的特征量，要求所設(shè)計的測試裝置必須具有以下功能:①測試折疊翼展開性能。測試折疊翼展開機構(gòu)能否順利展開,同時測試其展開時間、展開角度。②測試折疊翼展開過程的沖擊力。包括剪切銷沖擊力、過位擋塊沖擊力和鎖緊銷沖擊力。③測試折疊翼的振動。測試折疊翼展開過程中翼面上不同位置的振動情況。

2.2測試裝置結(jié)構(gòu)組成

折疊翼展開機構(gòu)測試裝置主要由折疊翼展開機構(gòu)、氣動載荷模擬裝置、測試系統(tǒng)和試驗臺四部分組成。

(1)折疊翼展開機構(gòu)。作為測試裝置的試驗對象，折疊翼展開機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　折疊翼展開機構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

(2)氣動載荷模擬裝置。折疊翼展開機構(gòu)測試裝置設(shè)計的關(guān)鍵在于模擬折疊翼展開時所受到的氣動載荷,本文采用斜面上升法模擬,其模擬裝置主要由萬向球和模擬墻組成，如圖3所示。萬向球的支承底座通過銷釘固定于折疊翼壓心處，在折疊翼展開過程中，萬向球沿著模擬墻運動，萬向球隨著模擬墻高度的上升而上升，從而實現(xiàn)對翼面變形的模擬，進而間接地模擬折疊翼的氣動載荷。

1.萬向球　2.模擬墻　3.翼面圖3　氣動載荷模擬裝置示意圖

(3)測試系統(tǒng)。包括展開時間測量模塊，剪切銷、鎖緊銷和過位擋塊的沖擊力測量模塊以及翼面振動測量模塊等。

(4)試驗臺。試驗臺由支撐平臺、地腳和螺旋升降機構(gòu)組成，如圖4所示。試驗臺上方安裝支撐平臺，用來支撐折疊翼展開機構(gòu)；試驗臺下方安裝地腳，方便測試平臺的移動；螺旋升降機構(gòu)則是利用螺旋傳動原理將螺母的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為試驗臺的上下移動，用來調(diào)節(jié)試驗臺的水平。

1.支撐平臺　2.地腳　3.螺旋升降機構(gòu)圖4　折疊翼展開機構(gòu)試驗臺

2.3折疊翼展開機構(gòu)性能參數(shù)測量方法

折疊翼展開機構(gòu)性能參數(shù)包括展開時間、關(guān)鍵部位沖擊力和翼面振動。確定各特征參數(shù)的測量步驟如下：選擇傳感器類型、選定對應(yīng)傳感器量程、確定傳感器測量方法和安裝位置等。

(1)展開時間測量。折疊翼展開機構(gòu)的展開時間要求在1 s以內(nèi)，展開時間用光電編碼器進行測量，翼面的起始點(信號開始時刻)到終止點(信號終止時刻)為展開時間t，根據(jù)光電編碼器測量的角位移曲線經(jīng)運算獲取折疊翼展開的角速度和角加速度曲線。

(2)沖擊力測量。折疊翼展開機構(gòu)沖擊力大小采用電阻應(yīng)變式測力傳感器(沖擊力傳感器)進行測量，而在展開過程中產(chǎn)生的沖擊力有剪切銷沖擊力、鎖緊銷沖擊力和過位擋塊沖擊力，上述沖擊力的測試模塊如圖5所示。

1.剪切銷沖擊力測試模塊　2.鎖緊銷沖擊力測試模塊　3.過位擋塊沖擊力測試模塊　4.電動缸圖5　沖擊力測試模塊

選用的傳感器型號為JHBM和JLBS。JHBM型傳感器的主要特點是尺寸小、低高度、全密封，適用于空間有限的場合；JLBS型傳感器承受拉壓力均可，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小等特點。

在折疊翼展開過程中，剪切銷的主要功能是展開前對折疊翼定位，展開時剪切銷被剪斷，且折疊翼展開。剪切銷的沖擊力采用沖擊力傳感器進行測量,其傳感器布置如圖6所示。

1.傳感器蓋　2.沖擊力傳感器　3.剪切銷圖6　剪切銷沖擊力測試裝置示意圖

鎖緊銷的主要功能是當折疊翼展開到終止位置時對折疊翼進行自動鎖緊。由于鎖緊銷是通過插入到折疊翼方式鎖緊的,故在測試沖擊力時傳感器與鎖緊銷的連接需通過修改鎖定銷的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)，如圖7所示。首先將S形壓力傳感器固定安裝在上蓋板上，通過設(shè)計轉(zhuǎn)接件連接到鎖定銷。既保證實現(xiàn)鎖緊銷的鎖定可靠，又能將沖擊力反饋到壓力傳感器上。

1.鎖緊銷　2.轉(zhuǎn)接件　3.S形壓力傳感器圖7　鎖緊銷沖擊力測試裝置示意圖

過位擋塊既能保證折疊翼展開時不會過位展開，又能輔助鎖緊銷對折疊翼進行鎖定。為了測量過位擋塊沖擊力，設(shè)計其沖擊力測試裝置，如圖8所示。

1.壓力傳感器　2.過位擋塊1　3.過位擋塊2　4.下底板圖8　過位擋塊沖擊力測試裝置示意圖

(3)翼面振動測量。折疊翼的翼面振動采用加速度傳感器進行測量，在翼面上安裝6個加速度傳感器來采集6處位置的加速度曲線，傳感器在翼面上的布局如圖9所示，并根據(jù)加速度曲線來分析翼面的振動情況。測試過程中采樣頻率為100 次/s,繪制在連續(xù)單位時間內(nèi)翼面沿加速度傳感器軸向位移隨時間變化曲線，進而分析出翼面的振動情況。

圖9　加速度傳感器分布圖

在傳感器的選擇上，考慮到減少對翼面結(jié)構(gòu)或質(zhì)量的影響，選用吸附式和非接觸式的加速度傳感器LC0103，可將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄、顯示和采集儀器相連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。

2.4折疊翼展開機構(gòu)測試裝置總成

本文設(shè)計的折疊翼展開機構(gòu)測試裝置原理樣機如圖10所示。該樣機可用于模擬折疊翼展開機構(gòu)在發(fā)射狀態(tài)下的展開過程，并測得展開時間、各部件沖擊力及折疊翼的振動情況等。

圖10　折疊翼展開機構(gòu)測試裝置原理樣機

3　折疊翼展開機構(gòu)原理樣機性能試驗

利用所研制的折疊翼展開機構(gòu)測試裝置原理樣機對折疊翼進行展開性能試驗。將驅(qū)動電機力矩設(shè)置為5 N·m,折疊翼展開機構(gòu)沖擊力測量結(jié)果如圖11所示。

(a)剪切銷沖擊力曲線

(b)鎖緊銷沖擊力曲線

(c)過位擋塊沖擊力曲線圖11　折疊翼展開機構(gòu)沖擊力測試結(jié)果

本次試驗測得折疊翼展開時間為0.875 s,展開角度為90.24°。由圖11a可知,在折疊翼展開初始階段剪切銷所受沖擊力逐漸增大直至剪斷,剪斷時剪切銷受到的最大沖擊力為6426 N;由圖11b可知,鎖緊銷是在折疊翼展開即將到位時開始起作用，鎖定過程中產(chǎn)生了多次沖擊后完成鎖定,其最大沖擊力為4276 N,說明鎖緊銷在插入翼面銷孔后與翼面發(fā)生多次撞擊后才完成折疊翼的鎖定;由圖11c可知,折疊翼展開機構(gòu)展開到位時撞擊到過位擋塊,對過位擋塊產(chǎn)生了瞬時沖擊力,其最大沖擊力為5428 N，說明折疊翼在展開到位時撞擊過位擋塊一次，反彈后即完成了折疊翼鎖定。

在對翼面振動情況進行測量后，得到結(jié)論：折疊翼展開機構(gòu)在展開初始位置和展開到位時振動較大，其他時間段振動較小且平穩(wěn)，表明折疊翼在展開動作開始時剪切銷被剪斷和到位時翼面與鎖緊銷、過位擋塊發(fā)生了碰撞，而在展開過程中翼面未與其他部件發(fā)生干涉碰撞。

由于電機取不同轉(zhuǎn)矩時，電動缸的輸出推力值均不同，若改變電機轉(zhuǎn)矩，其他試驗條件不變，即可實現(xiàn)在不同驅(qū)動力下的折疊翼展開試驗。分別設(shè)置電機轉(zhuǎn)矩為5～10 N·m進行折疊翼展開性能試驗，其試驗結(jié)果見表1。

表1　折疊翼展開過程測試數(shù)據(jù)

由表1可知,隨著電機轉(zhuǎn)矩的增大，電動缸最大推力逐漸增大，展開時間逐漸縮短，展開角度在90±0.5°以內(nèi),說明折疊翼每次均能展開到位且安全可靠鎖定。隨著電動缸最大推力的增大，鎖緊銷和過位擋塊受到的最大沖擊力均逐漸增大，而剪切銷受到的最大沖擊力則基本保持不變。原因是驅(qū)動力增大會使折疊翼展開到位時速度增大,折疊翼動能增大導(dǎo)致翼面與鎖緊銷和過位擋塊的碰撞越激烈，而剪切銷所受的最大沖擊力則在折疊翼開始展開時產(chǎn)生,它主要取決于剪切銷的材料和剪斷部位的徑向尺寸，故電動缸推力對剪切銷所受最大沖擊力影響相對較小。

4　結(jié)論

(1)本文基于折疊翼展開機構(gòu)工作原理和功能需求，完成了其測試裝置的設(shè)計及原理樣機研制。

(2)應(yīng)用所研制的折疊翼展開測試裝置，進行了不同轉(zhuǎn)矩下的原理樣機性能試驗。試驗結(jié)果表明：所采用的試驗方法可行,測得試驗數(shù)據(jù)可靠，滿足設(shè)計指標要求。

(3)研究結(jié)果為折疊翼展開機構(gòu)的可靠性評估和后續(xù)工程應(yīng)用提供了依據(jù)。

[1]余旭東,葛金玉,段德高,等.導(dǎo)彈現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[2]Yu Mengge,Zhang Jiye,Zhang Weihua.Multi-objective Optimization Design Method of the High Speed Train Head[J].Journal of Zhejiang University-Science A,2013,14(9):631-641.

[3]Vidal C A,Filho M K,Takahashi W K,et al.Application of Sensitivity Analysis for Optimization of a Satellite Structure[J].Journal of Spacecraft and Rockets,2000,37(3):416-418.

[4]劉賀,吳伏家.彈翼智能負載模擬系統(tǒng)[D].太原:中北大學(xué),2010.

[5]馬玉勇,吳建軍,屠小昌,等.燃氣作動筒彈翼展開負載模擬裝置研究[J].航天制造技術(shù),2008(2):30-33.

Ma Yuyong,Wu Jianjun,Tu Xiaochang,et al.The Research on Loading Simulator of Combustion-gas-actuated Folded Wings Deployment[J].Aerospace Manufacturing Technology,2008(2):30-33.

[6]李莉,吳斌.折疊翼展開性能仿真研究與實驗[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.

[7]Snyder M P,Sanders B,Eastep F E,et al.Vibration and Flutter Characteristics of a Folding Wing[J].Journal of Aircraft,2009,46(3):791-799.

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(編輯陳勇)

Test Device Design and Experimental Verification of Deployable Mechanism of Folding-wing

Hu Ming1Zhang Bin1Chen Wenhua1Tian Fangfei1Zhang Hong2Zhou Xiaohong2

1.Zhejiang Province’s Key Laboratory of Reliability Technology for Mechanical and Electrical Products,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,310018 2.Beijing Research Institute of Mechanical & Electrical Engineering.Beijing,100074

Based on working principles and functional requirements of folding-wing deployable mechanism,the performance parameter measurement method of a folding-wing deployable mechanism was determined,the test device design and development of principle prototype was completed.Using the developed test device of the deployable mechanism of folding-wing,spread experiments were carried out and the various performance indicators were obtained.According to multiple spreading experiments in different torques,performance parameters the regulations were researched.The group test data show that the folding-wing can unfurl to the appointed place quickly,can be located accurately and locked reliably,and there is no interference between each part during the deployment process.

folding-wing;deployable mechanism;test device;experimental verification

2014-09-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375458);浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LZ12E05004);高等學(xué)校博士學(xué)科點基金優(yōu)先發(fā)展項目(20123318130001)

TJ760.6DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.003

胡明,女,1976年生。浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院教授、博士。主要研究方向為宇航空間機構(gòu)設(shè)計及其可靠性技術(shù)。章斌,男,1989年生。浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院碩士研究生。陳文華，男，1963年生。浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。田芳菲，女，1993年生。浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院碩士研究生。張虹，女，1968年生。北京機電工程研究所高級工程師。周小紅，女，1976年生。北京機電工程研究所高級工程師。