基于可變剛度臺(tái)架的協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)應(yīng)用研究

張鵬程 張海濤 李少鵬

摘 要 載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是應(yīng)變法飛行載荷測(cè)量的重要環(huán)節(jié)，直接決定著應(yīng)變法飛行載荷測(cè)量的成敗。在某柔性機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)前，利用可變剛度的調(diào)試臺(tái)架和協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)研究。完成了協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備調(diào)試和高載荷大變形嚴(yán)重工況的模擬。通過(guò)試驗(yàn)研究，提高了校準(zhǔn)試驗(yàn)的精確度，降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞 協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)；載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)；變剛度；飛行載荷測(cè)量；飛行試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào) V2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）209-0006-03

應(yīng)變法是飛行載荷測(cè)量的一種有效方法，而載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是該方法必不可少的重要環(huán)節(jié)。載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)直接影響著應(yīng)變法飛行載荷測(cè)量的精準(zhǔn)度，甚至可以決定飛行載荷測(cè)量的成敗。國(guó)外試飛機(jī)構(gòu)就不同結(jié)構(gòu)形式的機(jī)翼等部件進(jìn)行了大量的飛行載荷測(cè)量，形成了成熟的載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)技術(shù)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[1-2]。我國(guó)近年開(kāi)始在載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中使用協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，已經(jīng)積累了經(jīng)驗(yàn)，但仍有一些不足[3-7]。

近年來(lái)，隨著軍、民用運(yùn)輸機(jī)發(fā)展迅速，柔性機(jī)翼的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而在載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，柔性機(jī)翼的高載荷、大變形等難點(diǎn)顯得尤為突出。由于載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是在飛機(jī)上直接進(jìn)行，因此對(duì)于試驗(yàn)安全的要求也極為嚴(yán)格。在某柔性機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，為降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)其高載荷、大變形等特點(diǎn)，利用可變剛度的調(diào)試臺(tái)架結(jié)合協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，進(jìn)行了設(shè)備調(diào)試和重要工況的模擬。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 可變剛度臺(tái)架

可變剛度臺(tái)架，用于設(shè)備調(diào)試和測(cè)試部件的剛度模擬，主要由調(diào)試剛梁支座、空氣彈簧組、彈簧支撐架、活動(dòng)剛梁及彈簧壓力控制臺(tái)等組成，臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。使用時(shí)，將臺(tái)架的調(diào)試剛梁支座固定在承力地軌上，支座頂端通過(guò)單雙耳與剛梁鉸接，其主要作用是支撐活動(dòng)剛梁?；顒?dòng)鋼梁用來(lái)模擬機(jī)翼盒段的受載面，單根剛梁上分布有多個(gè)調(diào)試加載點(diǎn)，用于模擬機(jī)翼校準(zhǔn)工況。彈簧支撐架固定在承力地軌上，在工作過(guò)程中與空氣彈簧組產(chǎn)生相互擠壓作用。將囊式空氣彈簧組固定在活動(dòng)剛梁的上下兩端，可分別模擬壓向及拉向加載時(shí)機(jī)翼的剛度，通過(guò)改變空氣彈簧的內(nèi)部壓力即實(shí)現(xiàn)可變剛度模擬。

1.2 協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)

試驗(yàn)所使用的協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)包括數(shù)采系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)（液壓泵站、子站、分油器、作動(dòng)筒等）以及傳感器測(cè)試電纜等輔助設(shè)備，系統(tǒng)組成示意圖見(jiàn)圖2。

協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)采用以準(zhǔn)載荷為負(fù)反饋的閉環(huán)控制方式，其控制原理如圖3所示。通過(guò)P值（比例因子）調(diào)節(jié)作動(dòng)筒的跟隨性；通過(guò)I值（積分因子）減小靜態(tài)加載過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)誤差，提高加載精度；D值（微分因子）用于提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

2.1 控制參數(shù)調(diào)試及加載接觸力調(diào)整試驗(yàn)

在進(jìn)行模擬試驗(yàn)之前，需先進(jìn)行協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)試。針對(duì)特定的液壓油路、作動(dòng)筒特性等硬件條件，兼顧（考慮）響應(yīng)速率、控制精度與試驗(yàn)安全，通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)為控制回路設(shè)定合適的參數(shù)。待單個(gè)作動(dòng)筒調(diào)試完成后，再進(jìn)行多通道協(xié)調(diào)性加載調(diào)節(jié)，進(jìn)一步微調(diào)控制參數(shù)，完成“踏步等待”等參數(shù)設(shè)置，圖4所示的是多通道調(diào)試曲線(xiàn)。

載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制作動(dòng)筒施加校準(zhǔn)載荷，作動(dòng)筒頂端通過(guò)加載墊板與試驗(yàn)機(jī)接觸，此接觸方式與靜力試驗(yàn)不同。每一工況開(kāi)始時(shí)，作動(dòng)筒伸出后加載墊板與試驗(yàn)機(jī)接觸，過(guò)大的加載速率會(huì)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象表面產(chǎn)生沖擊載荷，偏離設(shè)計(jì)工況，可能損傷表面甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，需控制加載接觸力，在不影響控制精度的前提下保證接觸力足夠保守，保證試驗(yàn)機(jī)安全。

影響加載接觸力大小的主要因素有：控制參數(shù)P和I及啟動(dòng)力等。加載接觸力調(diào)整試驗(yàn)時(shí)，改變上述其中的一項(xiàng)，保持其他項(xiàng)不變，記錄接觸力結(jié)果，結(jié)合受控性和安全性要求，將接觸力調(diào)節(jié)至可接受范圍。圖5所示的是某試驗(yàn)狀態(tài)下6通道加載接觸力調(diào)試曲線(xiàn)。通過(guò)加載接觸力調(diào)試試驗(yàn)，調(diào)整控制參數(shù)設(shè)置及加載速率，將各通道加載接觸力調(diào)整在合理范圍內(nèi)。表1所示的是6通道加載接觸力調(diào)整前后的對(duì)比。

2.2 加載設(shè)備異常情況模擬試驗(yàn)

協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)試完成后，各加載通道受控性和協(xié)調(diào)性較好，此時(shí)進(jìn)行加載設(shè)備異常情況模擬試驗(yàn)。對(duì)以往載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行分析，針對(duì)較為典型的誤差超限、斷線(xiàn)保護(hù)、傳感器雙橋偏差過(guò)大、監(jiān)控參數(shù)超出門(mén)限、加載設(shè)備與試件共振等5種情況，進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)，確定故障發(fā)生后應(yīng)采取的安全措施。

當(dāng)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)“異?！焙?，可采用“應(yīng)急卸載”和“正常卸載”兩種保護(hù)動(dòng)作，圖6給出了兩種模式下做動(dòng)筒卸載規(guī)律，可明顯看出采用“應(yīng)急卸載”時(shí)，各做動(dòng)筒載荷無(wú)序卸載，個(gè)別做動(dòng)筒甚至出現(xiàn)超過(guò)正常加載情況，而采用“正常卸載”時(shí)，卸載按比例進(jìn)行，也未出現(xiàn)超載情況發(fā)生。

在前4種“異?！鼻闆r發(fā)生時(shí)，盡量采用“正常卸載”，這對(duì)保護(hù)試驗(yàn)件或飛機(jī)非常有效。當(dāng)局部剛度改變時(shí)，可能引發(fā)試件固有頻率與協(xié)調(diào)加載頻率的耦合，進(jìn)而引發(fā)試件振動(dòng)，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)失效。為此可采取以下措施降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)：

1）減小控制系統(tǒng)中參數(shù)P增益值，降低加載速率。

2）超限狀態(tài)參數(shù)不宜過(guò)大，采用“正常卸載”模式卸載，避免“應(yīng)急卸載”。

2.3 高載荷大變形試驗(yàn)

完成協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制參數(shù)和加載設(shè)備異常情況模擬后，在可變剛度調(diào)試臺(tái)架上進(jìn)行柔性機(jī)翼高載荷大變形工況模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將加載作動(dòng)筒按照加載點(diǎn)分布要求安裝在活動(dòng)鋼梁下方。根據(jù)調(diào)試臺(tái)架設(shè)計(jì)原理，將臺(tái)架彈簧組與活動(dòng)鋼梁連接，活動(dòng)鋼梁與支座之間采用鉸接連接，通過(guò)改變彈簧組的氣壓實(shí)現(xiàn)不同剛度的模擬。按照機(jī)翼剛度的變化，將加載區(qū)域分臺(tái)架設(shè)置，以模擬兩側(cè)機(jī)翼的不同加載區(qū)域。圖7所示的是高載荷大變形試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖8所示的是不同彈簧壓力下活動(dòng)鋼梁自由端變形隨校準(zhǔn)載荷施加的變化曲線(xiàn)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)柔性機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)的高載荷、大變形特點(diǎn)，利用可變剛度的調(diào)試臺(tái)架和協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)和復(fù)雜工況模擬研究。對(duì)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)的控制參數(shù)等進(jìn)行了設(shè)置，提出了加載設(shè)備異常情況的解決措施，對(duì)某柔性機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)的復(fù)雜工況進(jìn)行了模擬，降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。本文研究成果已成功應(yīng)用于某機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)。

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