飛機(jī)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張曉娟，劉可娜，王 山，任 杰

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，成都 610092）

現(xiàn)代飛機(jī)向全電飛機(jī)發(fā)展，飛機(jī)的機(jī)載作動(dòng)系統(tǒng)已開(kāi)始由液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)展為電作動(dòng)方式。飛機(jī)上出現(xiàn)了電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)[1]。任一系統(tǒng)在裝機(jī)使用之前，必須完成試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具備對(duì)系統(tǒng)接口、功能、性能的檢驗(yàn)，模擬系統(tǒng)使用中在各種載荷下的性能，模擬系統(tǒng)的故障及故障影響，對(duì)系統(tǒng)的壽命進(jìn)行摸底和考核等。本文針對(duì)某電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套測(cè)試裝置，并于2017年10月成功應(yīng)用某飛機(jī)電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的測(cè)試，2018年3月完成了故障注入、壽命等系列試驗(yàn)。

1 測(cè)試裝置概述

電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)主要功能是與飛控計(jì)算機(jī)通訊、驅(qū)動(dòng)前輪偏轉(zhuǎn)、具備BIT能力、具備電氣調(diào)零等；主要性能指標(biāo)有前輪轉(zhuǎn)彎角度、轉(zhuǎn)彎角度精度、響應(yīng)時(shí)間、自由偏轉(zhuǎn)角度、操縱力矩等[2]。為配合電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)的研究，需建立相應(yīng)的測(cè)試裝置。電動(dòng)前輪操縱裝置通過(guò)齒輪副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)彎。測(cè)試裝置應(yīng)模擬機(jī)上的電氣及機(jī)械接口、對(duì)電動(dòng)前輪操縱裝置的功能和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，應(yīng)能進(jìn)行系統(tǒng)壽命試驗(yàn)。

2 測(cè)試裝置技術(shù)要求及組成

2.1 技術(shù)要求

測(cè)試裝置應(yīng)模擬機(jī)上的電氣及機(jī)械接口、對(duì)電動(dòng)前輪操縱裝置的功能和性能進(jìn)行檢驗(yàn)，應(yīng)能進(jìn)行系統(tǒng)壽命試驗(yàn)。

測(cè)試裝置應(yīng)能模擬電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的電氣和機(jī)械接口。電氣接口：電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)與機(jī)上飛管計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422通訊、由配電裝置提供28 V電源。機(jī)械接口：電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)螺栓安裝在前起落架上，其輸出齒輪與前起落架上的齒輪嚙合。

測(cè)試裝置應(yīng)能對(duì)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)進(jìn)行加載，測(cè)試操縱力矩，操縱力矩范圍0～70 Nm。

測(cè)試裝置應(yīng)配備位置傳感器，測(cè)量前輪轉(zhuǎn)彎角度，角度范圍 0～25°，角度誤差±0.5°。測(cè)試裝置需提供28 V電源，并監(jiān)測(cè)、采集電流。測(cè)試裝置需設(shè)置安全保護(hù)裝置，防止損壞機(jī)載產(chǎn)品。

測(cè)試裝置應(yīng)能對(duì)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)品啟動(dòng)力矩范圍0～8 Nm。

2.2 測(cè)試裝置組成

依據(jù)以上技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套測(cè)試裝置。測(cè)試裝置包括測(cè)控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩部分[3-5]。

測(cè)控系統(tǒng)主要包括便攜式計(jì)算機(jī)、加載控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、USB采集卡、調(diào)理電路、28 V直流電源、24 V直流電源等。

機(jī)械系統(tǒng)主要包括移動(dòng)小車(chē)、聯(lián)軸器、力矩電機(jī)、編碼器、扭矩傳感器、支架、起落架齒輪試驗(yàn)件、起落架套筒安裝接口試驗(yàn)件等。

測(cè)試裝置示意圖如圖1所示。機(jī)械系統(tǒng)安裝在移動(dòng)小車(chē)臺(tái)面上，移動(dòng)小車(chē)具有剎車(chē)功能，防止試驗(yàn)過(guò)程中小車(chē)移動(dòng)；測(cè)控系統(tǒng)放置在小車(chē)下部柜子里，小車(chē)車(chē)體上設(shè)有抽屜，放置便攜式計(jì)算機(jī)。整個(gè)測(cè)試裝置安裝布局緊湊、體積小、具有可移動(dòng)性。

圖1 測(cè)試裝置外形示意Fig.1 Appearance of the test device

3 測(cè)試裝置原理

測(cè)試裝置原理框圖如圖2所示。便攜式計(jì)算機(jī)模擬機(jī)上飛管計(jì)算機(jī)，通過(guò)RS422與前輪操縱控制盒通訊，對(duì)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)進(jìn)行控制。測(cè)試前輪操縱系統(tǒng)的輸出扭矩指標(biāo)、額定加載下的轉(zhuǎn)彎速率時(shí)，由便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)給加載控制器發(fā)送加載信號(hào)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制加載電機(jī)，加載控制器采集力矩信號(hào)，進(jìn)行加載電機(jī)的閉環(huán)控制。便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)USB采集卡實(shí)時(shí)監(jiān)控前輪操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎角度、供電電流及加載力矩。

圖2 測(cè)試裝置原理框圖Fig.2 Principle diagram of the test device

便攜式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控加載力矩值，當(dāng)超過(guò)力矩門(mén)限值時(shí)，切斷力矩電機(jī)供電，保護(hù)機(jī)載產(chǎn)品，防止出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。

轉(zhuǎn)彎角度、速率、供電電流測(cè)量：便攜式計(jì)算機(jī)控制加載電機(jī)輸出一定扭矩（即前輪操縱系統(tǒng)的額定輸出力矩），發(fā)送轉(zhuǎn)彎角度，采集編碼器角度值，對(duì)比指令、編碼器及前輪操縱系統(tǒng)反饋的角度，進(jìn)行轉(zhuǎn)彎角度測(cè)量及轉(zhuǎn)彎精度測(cè)量，同時(shí)可測(cè)得轉(zhuǎn)彎速率；便攜式計(jì)算機(jī)采集電流信號(hào)，記錄啟動(dòng)電流及加載過(guò)程中電流值。

自由偏轉(zhuǎn)角度測(cè)量：前輪操縱系統(tǒng)不工作，由加載電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)至限位位置，讀取角度值；

啟動(dòng)力矩測(cè)量：前輪操縱系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩過(guò)大，會(huì)影響前輪的回中能力。測(cè)量啟動(dòng)力矩時(shí)，前輪操縱系統(tǒng)不工作，由便攜式計(jì)算機(jī)發(fā)送緩慢的力矩斜坡上升指令，觀察轉(zhuǎn)彎角度反饋值，當(dāng)角度發(fā)生變化時(shí)，記錄扭矩傳感器的值，此值為起落架端的力矩，需除以減速比即前輪轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)的啟動(dòng)力矩。

機(jī)械系統(tǒng)的安裝示意圖如圖3所示。圖中4和5模擬起落架上的機(jī)械接口，電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在5上，其輸出齒輪與4進(jìn)行嚙合傳動(dòng)；6檢測(cè)前輪偏轉(zhuǎn)角度；3檢測(cè)扭矩；1為加載電機(jī)，其輸出軸設(shè)有限位塊，模擬起落架上的自由偏轉(zhuǎn)角度限制。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)安裝示意Fig.3 Installation diagram of the mechanical part

4 測(cè)試裝置主要元件及參數(shù)

1）加載電機(jī)

前輪操縱系統(tǒng)所需加載力矩為逆向載荷，前輪操縱系統(tǒng)工作時(shí)，加載電機(jī)工作在連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，本試驗(yàn)臺(tái)選力矩電機(jī)，額定電壓28 VDC，連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩94.9 Nm，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩284.6 Nm，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流5.4 A；力矩電機(jī)加載時(shí)工作在連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，最大加載力矩60 Nm，小于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，滿足使用要求。

2）編碼器

編碼器選用POSITAL的絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器，具有尺寸小、抗高振動(dòng)和沖擊等優(yōu)點(diǎn)。輸入24 VDC，單圈分辨率12位，保證測(cè)試精度要求。

3）扭矩傳感器

扭矩傳感器采用應(yīng)變式原理，通過(guò)集流環(huán)，電刷實(shí)現(xiàn)供電和信號(hào)輸出，精度高，穩(wěn)定可靠，可測(cè)量正反方向的扭矩值。測(cè)量范圍0～100 Nm，直線度±0.2，輸出靈敏度1。

4）DSP加載控制器

加載控制器以TI公司的TMS320F28335為核心，DSP主頻為150 MHz，指令6.67 ns，具有豐富的外設(shè)，滿足加載控制器需求。

5）數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用研華的USB-4716采集卡，該采集卡為即插即用數(shù)據(jù)采集模塊，無(wú)需打開(kāi)機(jī)箱來(lái)安裝板卡，僅需插上模塊即可采集到數(shù)據(jù)。USB-4716提供了帶有16位分辯率的16SE/8Diff輸入，高達(dá)200 kS/s吞吐量，16路數(shù)字I/O和1個(gè)用戶計(jì)數(shù)器，以及一個(gè)16位的模擬輸出。

6）信號(hào)調(diào)理箱

信號(hào)調(diào)理箱具有隔離、濾波、放大和電流轉(zhuǎn)電壓的功能，USB采集卡放置在信號(hào)調(diào)理箱內(nèi)，調(diào)理箱的尺寸大小為400 mm*350 mm*150 mm。

7）便攜式計(jì)算機(jī)

工業(yè)便攜式計(jì)算機(jī)選用具有Intelcore i5CPU、4 GB內(nèi)存、1 TB硬盤(pán)、獨(dú)立顯卡筆記本。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為L(zhǎng)abwindows/CVI。

5 測(cè)試裝置應(yīng)用

該測(cè)試裝置已經(jīng)通過(guò)檢驗(yàn)認(rèn)證，具備資質(zhì)，已完成對(duì)某型號(hào)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)的功能、性能檢測(cè)、產(chǎn)品的出廠驗(yàn)收，并且在該測(cè)試裝置上對(duì)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)進(jìn)行了20000次加載工作循環(huán)的壽命試驗(yàn)。該測(cè)試裝置能夠?qū)﹄妱?dòng)前輪操縱系統(tǒng)的所有功能、性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)展系統(tǒng)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試裝置工作穩(wěn)定、可靠，無(wú)故障出現(xiàn)。試驗(yàn)完成后，測(cè)試裝置完好、可繼續(xù)后續(xù)產(chǎn)品的相關(guān)試驗(yàn)工作。某型號(hào)電動(dòng)前輪操縱系統(tǒng)的輸出角度跟隨指令的曲線如圖4所示。

圖4 前輪角度隨指令變化曲線Fig.4 Nosewheel steering angle

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)飛機(jī)電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套地面測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的接口、功能、性能及壽命進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、空間布局緊湊、占用空間較小、用電功耗低、噪聲小、操作方便，且具有可移動(dòng)性，拆裝運(yùn)輸方便。