某轉軸試驗臺扭矩檢測設備供電系統(tǒng)改造

張采泉

（航空工業(yè)直升機所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

1 某轉軸試驗臺扭矩檢測使用現(xiàn)狀

軸的動態(tài)扭矩測試，主要分為測應變測扭矩、測轉角測扭矩和測反作用力測扭矩等3類方式。本文所述某轉軸試驗臺需要測量豎直向上軸系統(tǒng)的功率，但功率數據較難獲得，通常采取測量軸的扭矩和相應轉速，通過換算得到。該測試軸為空心軸，且軸內有控制機械組件，空間緊湊，無法安裝傳統(tǒng)的集流環(huán)測扭矩的不動組件，因此采用貼應變片測扭矩的方法。由于測試軸周圍環(huán)境復雜，設備安裝尺寸不足，無法安裝有線供電系統(tǒng)和短距離信號接收設備，因此使用隨軸轉動的供電模塊和無線采集/發(fā)射模塊。使用過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）采集/發(fā)射模塊在試驗臺使用200Hz工況發(fā)射頻率下電量消耗較大，且原電路安裝方式經常拆裝容易造成接線損耗和松脫，扭矩檢測設備在未使用情況下不進行斷電操作會持續(xù)消耗電量，導致試驗期間電池使用時間遠低于預期，試驗過程中經常因為電池電量不足導致無扭矩信號，不能滿足連續(xù)在線使用3小時的要求。

（2）斷開接線進行斷電操作，3天內未使用連續(xù)發(fā)現(xiàn)2次電池鼓包現(xiàn)象，排故后發(fā)現(xiàn)原因是在不使用期間僅斷開正極，負極仍然連接著電路，在環(huán)境潮濕情況下短路造成的。

（3）反復拆裝電池蓋板進行充電，已造成基座和蓋板螺紋受損。

2 供電系統(tǒng)改造

試驗過程中隨軸轉動的除了供電模塊與發(fā)射生模塊外，還有用于固定模塊的夾具，對于轉速較大軸來說，其動特性影響非常大。針對已發(fā)現(xiàn)的問題，還需考慮以下內容：

■2.1 問題描述

原有供電系統(tǒng)的通斷電方式（見圖2）是通過固定螺釘的拆裝從而實現(xiàn)接頭的插拔，這種方式容易破壞線纜接頭，且充電時需要將電池拆卸下來，會造成前后測試一致性較差。對于尾傳動軸（此軸上的供電模塊與采集/發(fā)射模塊之間通過專用膠帶進行固定），每次充電均需要拆除膠帶，試驗時又要重新纏繞膠帶以固定各模塊，重復拆裝會增加額外的人力和物力。由于原有供電系統(tǒng)通斷電方式為接線螺柱固定式，使用時需要將內芯裸露的電源線固定在螺柱內，反復使用對電源線的損耗大，且試驗臺在工作狀態(tài)下有松脫風險，這會造成試驗時的數據信號不穩(wěn)定，甚至斷線影響試驗安全。

圖1 改造方法設計框圖

圖2 原有供電系統(tǒng)接線實物圖

圖3 原有供電系統(tǒng)工作和充電時的電路圖

■2.2 第一次改造

基于原有供電系統(tǒng)的缺點，使用接線端子對原有系統(tǒng)進行改造，如圖4所示。改造后，試驗時的數據信號穩(wěn)定且不斷線，但多次通斷電后，發(fā)現(xiàn)接線螺柱的損耗也比預期的大，且在線充電時仍需要將接線端子斷開后連接充電器以進行充電。所以，通過接線端子改進后的通斷電方式并沒有完全解決原有供電系統(tǒng)所存在的問題，不滿足扭矩測試系統(tǒng)的要求。

圖4 改造過程及改造后的接頭

■2.3 第二次改造

為了徹底解決原有供電系統(tǒng)所存在的問題，需要設計特殊的通斷電方式。在設計此通斷電方式時，使用CATIA軟件在供電模塊和采集/發(fā)射模塊之間設計一個充電接口安裝控件，要求如下：

（1）滿足電池在不拆卸情況下直接充電；

（2）充電過程中供電模塊需要與采集/發(fā)射模塊斷開；

（3）充電過程中采集/發(fā)射模塊不能帶電。

手機等電子設備的Ф5.5耳機插口的電路對應的插座滿足使用要求，為DC電源插座，它是由橫向插口、縱向插口、絕緣基座、交叉接觸彈片、定向鍵槽組成，叉型接觸彈片一端為接線口，外露在基座圓柱體頂面，供連接輸入電源用，叉型接觸彈片另一端由基體互連的兩只彈性臂組成，設置在DC插頭插入方向絕緣基座插孔內，供給電器使用，使之正常工作。插入配套Ф5.5插頭后，能夠自動斷開電路內部電源。插座內芯采用PC耐高溫塑料材質組成，即使在工作溫度高達125℃時候，插座也不易產生自燃或起火。

為保證接線的便利性，以及反復插拔的可靠性、插頭的具體結構和固定方式等因素，DC-017基座方便在電池蓋板上進行限位，且插座引腳布置便于在蓋板中空部分進行接線，因此設計使用DC-017插座（見圖5），主要技術指標如下：

圖5 DC-017插座

①拔出和插入力度2.94-29.4N；

②機械壽命：5000次；

③額定：DC 12V 1A；

④接觸電阻≤0.03Ω；

⑤絕緣電阻≥100MΩ。

DC-017引腳定義：⑤電源正極，②負極靜觸點，③負極動觸點。

基于DC-017插座進行充電接頭安裝控件的設計，最終控件如圖6所示。充電接口安裝控件由DC-017插座和電池蓋板組成，通過左右兩排螺釘進行連接。

圖6 新充電接口安裝控件

本裝置使用DC-017電源插座進行充電，電源插頭插入插座時，供電模塊與采集/發(fā)射模塊間的連接自動斷開，充電器給電池進行充電，如圖7所示。

當插入插頭后，頂開動觸電③，切斷電路內部電池負極通路，內部電源停止供電，隨即接入外電源負極，與⑤③腳組成外電源供電通路，具體電路圖如圖7所示。

圖7 改造后電路圖

3 機械固定方式校核

旋轉部件動平衡直接影響其振動水平，不平衡是旋轉機械產生噪聲和發(fā)生故障的主要原[1]，降低振動值可以使得關鍵部件磨損、疲勞斷裂和突然失效的可能性降低，保證旋轉機構的使用安全，提高運行的可靠性。

若軸上設備質量不均勻或上面存在不平衡力，當旋轉時，就會產生一個向外的離心力，造成主軸振動[2]。在設計時已經平衡考慮的軸以及相關部件，由于制造和裝配的不精確，材質不均勻等原因，又會產生新的不平衡。因此軸上安裝完所有測試系統(tǒng)后，需要進行動平衡調整，降低其振動值至可接受的范圍。

系統(tǒng)供電插頭設計的安裝方向與旋翼轉動方向相反，旋翼轉動時，由于不存在制動系統(tǒng)，插頭不會甩出。而頻繁拆裝隨軸轉動的供電模塊較繁瑣，且容易影響動平衡，因此需要設計隨軸轉動電源模塊的快速通斷電，且電源模塊的轉換效率需要高、體積小、質量輕，隨轉動產生的振動小，以及不拆卸充電結構和電路設計，設計原則如下：

（1）由于設備跟隨測試軸一同旋轉，需要制作專用夾具固定安裝設備，夾具質量需要足夠小，且兩側質量相等，盡可能考慮到圓周方向上質量的均勻分布，不影響軸轉動時的動平衡；

（2）頻繁拆裝隨軸轉動的供電模塊較繁瑣，且容易影響動平衡，設計隨軸轉動電源模塊的快速通斷電以及不拆卸充電結構和電路設計。

在本文扭矩測試系統(tǒng)中，安裝軸為直徑56.6mm，豎直向上。根據需要固定的各模塊的重量、尺寸（如表1所示），并考慮安裝空間和質量在圓周上的分布設計了工裝夾具。

表1 安裝在軸上的模塊尺寸和重量

如圖8所示，已設計安裝的工裝夾具（白色）由兩瓣緊湊的組件組成，組件之間通過兩排左右對稱的螺栓（每排3個且不共線）連接，從而確保電源模塊和采集/發(fā)射模塊測試過程中不松動；由于電源模塊和采集/發(fā)射模塊的重量和尺寸都相差不大，兩瓣組件幾乎為對稱設計，僅在與各模塊安裝接口存在較小的差異，從而可盡量保證質量在圓周上均勻分布；組件材料為鋁合金，其具有強度高、質量輕、尺寸小、易固定等特點。通過設計的工裝夾具供電模塊和采集/發(fā)射模塊安裝在軸上的效果如下圖所示，圖中藍色為可充電電池，綠色為采集/發(fā)射模塊，紅色為防滑膠墊（根據現(xiàn)場情況，可選裝）。

圖8 工裝夾具及其安裝效果（軸直徑=56.6mm）

安裝在軸上各模塊實物重量測量結果見表2，電源模塊與采集/發(fā)射模塊的重量差為28g，對稱安裝，兩者的轉動慣量會相互抵消一部分，經過校核，剩余部分對于整機動平衡水平的影響在允許范圍內，滿足扭矩測試系統(tǒng)的使用要求。

表2 模塊（含夾具）對應重量、重心及轉動慣量

圖9為電池蓋板及其詳細尺寸，除插座處的安裝面外，其形狀和尺寸與原蓋板相近；其重量為12.3g，較原蓋板重1.1g。通過轉臺轉動慣量計算[3]后，質量影響遠小于軸系統(tǒng)，滿足使用要求。

圖9 電池蓋板及其尺寸

4 使用對比

軸上新供電系統(tǒng)的安裝效果如圖10所示，可通過帶紅色警示帆布袋的插頭快速進行通斷電操作且可進行電池的不拆卸充電。

圖10 新供電系統(tǒng)安裝效果

通過對新供電系統(tǒng)的使用，可以省去每次試驗安裝拆卸供電模塊和采集/發(fā)射模塊的復雜程序，可以大大優(yōu)化整個系統(tǒng)，提高可靠性，并提升工作效率。

5 結束語

扭矩檢測設備供電系統(tǒng)改造后的優(yōu)點是安裝方便、充電斷電操作簡單、易于管理和維護，提高了工作效率，降低了勞動強度。通過對供電系統(tǒng)的改造，可直接在線進行充電，不需要反復拆裝供電模塊蓋板和插接線纜操作，提高了電路和模塊的可靠性和安全性。從目前試驗的情況來看，扭矩檢測設備運行較好，數據穩(wěn)定，安全性好。