彈簧激振法在民用飛機(jī)操縱舵面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法研究

黃海峰

【摘 要】對(duì)于彈簧激振法在舵面上的應(yīng)用示例、試驗(yàn)測(cè)量、測(cè)量裝置及提高測(cè)量精度的途徑進(jìn)行研究及分析。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；操縱舵面；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；測(cè)量；彈簧激振法

中圖分類(lèi)號(hào)： V216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）20-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.009

【Abstract】This article research the Spring Oscillate method and its application in the airplane control surface， then build the test /measure device， research method to enhanceprecision.

【Key words】Civil Aircraft； Control Surface； Moment of Inertia； Measure； Spring Oscillate Method

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)一般采用電傳操控系統(tǒng)控制飛機(jī)的操縱舵面，一般操縱舵面包括副翼、方向舵、升降舵等，上述結(jié)構(gòu)類(lèi)似，一般都為楔形盒段結(jié)構(gòu)，在開(kāi)口區(qū)域布置接頭定軸旋轉(zhuǎn)。本文以副翼為例子，副翼主要負(fù)責(zé)飛機(jī)繞機(jī)身的滾裝運(yùn)動(dòng)，便于飛機(jī)快速轉(zhuǎn)向，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量進(jìn)行研究。

副翼的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是影響副翼顫振性能的重要指標(biāo)，影響飛機(jī)的操控安全，在制造過(guò)程中要嚴(yán)格控制副翼的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，老式飛機(jī)在操縱面上通過(guò)加裝補(bǔ)償片的方式調(diào)整慣量，目前常用放啊發(fā)是通過(guò)電控驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)調(diào)控，因此，需要采用精度較高的測(cè)量方法測(cè)量副翼結(jié)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

副翼目前設(shè)計(jì)采用較多的復(fù)合材料，使用比例在某型飛機(jī)達(dá)到70%以上，重量分布的離散性較金屬結(jié)構(gòu)一般要大，需要通過(guò)多架次測(cè)量才能給出平均值。

另外在自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)如CATIA等可以輸出部段的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，但由于目前在緊固件、噴漆、密封等影響還不能完全精確估算，理論值不能作為唯一的參考，試驗(yàn)作為一個(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是必不可少的工具。

目前有三種方法可用于測(cè)量副翼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：扭擺、單擺法和彈簧激振法。前兩種方法需測(cè)量副翼的重心及重量，測(cè)量重心的方法誤差較大且操作困難，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。

1 彈簧激振法簡(jiǎn)介

彈簧激振法測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需建立專(zhuān)用測(cè)量臺(tái)架，將副翼通過(guò)鉸鏈點(diǎn)連接，后緣用彈簧激勵(lì)，使副翼小幅振動(dòng)，測(cè)量其振動(dòng)頻率fa。翻轉(zhuǎn)副翼后，再次測(cè)量副翼振動(dòng)頻率fb。卸下副翼后，使用彈簧校準(zhǔn)塊連接于彈簧上，使彈簧拉伸長(zhǎng)度L與副翼平衡時(shí)彈簧拉伸長(zhǎng)度相等，測(cè)出此時(shí)彈簧振動(dòng)頻率f1，見(jiàn)公式1。測(cè)出后緣夾具質(zhì)量及彈簧校準(zhǔn)塊質(zhì)量等數(shù)據(jù)，代入公式2即可求出副翼繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣。

彈簧激振法的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量副翼翻轉(zhuǎn)前后繞鉸鏈軸線(xiàn)振動(dòng)的頻率，抵消了重心位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量方法中沒(méi)有測(cè)量副翼重心位置的步驟，因此測(cè)量的精度較高。

采用彈簧激振法測(cè)量副翼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，將副翼的上翼面（或下翼面）向上，安裝于測(cè)量臺(tái)架上。副翼前緣懸掛接頭鉸鏈孔與臺(tái)架鉸接，后緣通過(guò)夾具夾持。夾具上的連接點(diǎn)通過(guò)彈簧鉤于臺(tái)架上，見(jiàn)下圖1。

2 測(cè)量臺(tái)架建立

副翼通過(guò)彈簧及懸掛鉸鏈連接至臺(tái)架，注意下列事項(xiàng)才能保證臺(tái)架的測(cè)量功能。

2.1 基本要求

a）臺(tái)架鉸鏈站位選擇與所測(cè)試舵面需匹配，至少設(shè)計(jì)2個(gè)鉸鏈點(diǎn)，兩鉸鏈點(diǎn)站位至少保證舵面具有較好的支撐剛度。

b）臺(tái)架懸掛接頭的鉸鏈孔必須安裝軸承。

c）軸承安裝完成后，臺(tái)架接頭的同軸度應(yīng)不大于Φ0.2mm/3m展長(zhǎng)，使副翼能夠繞鉸鏈軸線(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

d）后緣夾具夾持點(diǎn)位于副翼理論重心站位面上，夾具表面須標(biāo)有夾具的重心位置。

e）彈簧上懸掛點(diǎn)沿垂直方向必須可調(diào)節(jié)。

2.2 保護(hù)要求

a）后緣夾具在安裝及副翼振動(dòng)過(guò)程中，不得對(duì)副翼結(jié)構(gòu)造成損傷。

b）臺(tái)架須具備保護(hù)緩沖措施，防止振動(dòng)過(guò)程中后緣夾具脫落造成副翼?yè)p傷。

2.3 測(cè)量要求

a）小幅度撥動(dòng)副翼，要求彈簧能使副翼振幅明顯（便于測(cè)量副翼振動(dòng)周期），否則需調(diào)整彈簧剛度。

b）靠近副翼后緣位置須放置觀測(cè)參照物，便于觀察判斷副翼的初始位置是否處于平衡狀態(tài)、以及振動(dòng)時(shí)的振幅是否滿(mǎn)足要求。

c）采用秒表測(cè)量副翼振動(dòng)周期，秒表精度0.01s。

d）在進(jìn)行慣量測(cè)量之前，應(yīng)確認(rèn)副翼所有模塊均已裝配完成，包括橡膠密封件等。

2.4 重要參數(shù)選擇

a）彈簧剛度K值應(yīng)選擇合適，避免剛度太強(qiáng)，無(wú)法形成足夠的振動(dòng)次數(shù)，一般以30-50次為宜。避免選擇過(guò)弱，產(chǎn)生過(guò)度變形。在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)使用同一根彈簧或經(jīng)校準(zhǔn)剛度一致的彈簧。

b）尾緣夾具重量應(yīng)盡量小，在滿(mǎn)足功能的額情況下，避免影響測(cè)量精度。

c）彈簧校準(zhǔn)快重量應(yīng)選擇合適，不大于部段重量?？墒褂枚鄠€(gè)測(cè)量用小砝碼使用布袋扎緊，亦可使用如沙粒等物質(zhì)使用布袋/塑料袋裝盛并扎緊，避免晃動(dòng)。

3 提高測(cè)量精度的方法

3.1 精度影響分析

根據(jù)公式2，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響。公式中重量及尺寸因素只要保證固定可靠及正確測(cè)量，對(duì)精度影響不大。主要是振動(dòng)次數(shù)及時(shí)間頻率的測(cè)量影響測(cè)量結(jié)果的精度。主要需要保證的前提如下：

a）保證副翼自由轉(zhuǎn)動(dòng)：

b）保證彈簧自由振動(dòng)；

c）提高時(shí)間計(jì)量精度，避免人為因素影響。

3.2 提高措施

a）保證副翼懸掛軸線(xiàn)處自由轉(zhuǎn)動(dòng)

鉸鏈軸承類(lèi)型可選用關(guān)節(jié)軸承、自調(diào)心滾珠球軸承，可以起到調(diào)節(jié)鉸鏈同軸度的作用。建議使用自調(diào)心滾珠球軸承可減少鉸鏈的帶來(lái)的摩擦，提高周期測(cè)量的精度，并進(jìn)行適當(dāng)潤(rùn)滑。

b）保證彈簧自由振動(dòng)

彈簧兩端與支架及夾具連接應(yīng)使用萬(wàn)向節(jié)類(lèi)連接，避免彈簧端部在振動(dòng)式受限，無(wú)法完全自由振動(dòng)，造成鐘擺式運(yùn)動(dòng)影響周期測(cè)量。

c）提高時(shí)間計(jì)量精度

秒表測(cè)量為最低要求，計(jì)時(shí)及計(jì)數(shù)存在人為因素影響?？蛇x用自動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)去除振動(dòng)開(kāi)始及結(jié)束階段的數(shù)據(jù)，保留中間數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)彈簧激振法的原理分析及測(cè)量裝置的建立，給出實(shí)測(cè)量試驗(yàn)實(shí)施方案并根據(jù)飛機(jī)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照理論估算結(jié)果，可滿(mǎn)足部件測(cè)量要求。針對(duì)對(duì)影響的設(shè)計(jì)因素進(jìn)行分析，提取了重要影響因素，并提出提高精度的相關(guān)措施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐小方，張華，飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法研究，科學(xué)技術(shù)與工程，2006，卷9，第6期，1654頁(yè).

[2]陶增衙，一種測(cè)定操縱面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的新方法-兩次振動(dòng)法，南京航空學(xué)院學(xué)報(bào)，1992年2月，第24卷，第1期.