新型鋼索張力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

童建春 馬余才 黃漢超

摘? 要：針對(duì)目前直升機(jī)尾槳操縱鋼索張力測(cè)量設(shè)備誤差大、操作不便的問(wèn)題，利用“三點(diǎn)彎曲法”模型將鋼索張力測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)測(cè)量點(diǎn)壓力和位移的測(cè)量，然后利用測(cè)量電路測(cè)量壓力和位移量，并換算成鋼索張力計(jì)，通過(guò)標(biāo)定對(duì)設(shè)備進(jìn)行校正，經(jīng)檢測(cè)該設(shè)備在測(cè)量鋼索張力時(shí)精度較高。

關(guān)鍵詞：鋼索張力測(cè)量? 三點(diǎn)彎曲法? 測(cè)量電路

直升機(jī)腳操縱系統(tǒng)控制直升機(jī)尾槳槳距，用于平衡旋翼反作用力距和實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行過(guò)程中航向的控制，是直升機(jī)操縱系統(tǒng)的重要組成部分。直升機(jī)腳操縱系統(tǒng)通常采用硬式操縱（操縱拉桿、助力器）和軟式操縱（助力器、操縱鋼索）。在軟式操縱中采用尾槳操縱鋼索傳遞尾槳變距所需的操縱力，直升機(jī)尾槳操縱鋼索的張力的大小也直接影響到飛行員的操縱感覺(jué)，因此在直升機(jī)維修過(guò)程中需要檢查鋼索張力計(jì)，目前直升機(jī)尾槳操縱鋼索張力測(cè)量設(shè)備落后，存在測(cè)量結(jié)果誤差大收斂性差、無(wú)法直接讀取鋼索張力值等問(wèn)題，本文根據(jù)張力測(cè)量模型研制一種新的鋼索張力測(cè)量設(shè)備，提高直升機(jī)尾槳操縱鋼索測(cè)量精度。

1? 鋼索張力測(cè)量力學(xué)模型的建立

鋼索張力在線測(cè)量的原理是利用 “三點(diǎn)彎曲法”原理將鋼索的張力測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)測(cè)量點(diǎn)壓力的測(cè)量。具體的方法是：利用測(cè)量裝置上三個(gè)接觸滾輪（即滾輪A、滾輪B、滾輪C）與鋼索接觸，如圖1所示。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)給滾輪C一個(gè)向滾輪A和滾輪B的的位移，使?jié)L輪C向滾輪A和滾輪B的方向壓縮鋼索，假設(shè)：滾輪C位移量為δ，滾輪C對(duì)鋼索的壓緊力為P，如果不考慮滾輪對(duì)測(cè)量段鋼索產(chǎn)生局部彎矩的情況下，鋼索上的張力T可以近似表達(dá)為：

上式中的P為滾輪C對(duì)鋼索的壓緊力（即：鋼索對(duì)C滾輪的反作用力），δ為C滾輪的相對(duì)位移，l為A，B兩個(gè)滾輪之間的距離。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，如果不考慮局部彎矩的影響，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，因此在計(jì)算時(shí)還需要考慮局部彎矩，具體如圖2所示：

式11可應(yīng)用于鋼索靜態(tài)張力測(cè)量。利用以上的數(shù)學(xué)模型就可以將鋼索張力測(cè)量轉(zhuǎn)化為壓力、位移以及長(zhǎng)度的測(cè)量。在這些測(cè)量值中，長(zhǎng)度在設(shè)計(jì)時(shí)就可直接給定，位移量可以在設(shè)計(jì)給定出C輪運(yùn)動(dòng)的距離，因此測(cè)量的關(guān)鍵就是測(cè)量C輪的壓力值。

2? 鋼索張力測(cè)量裝置的電路設(shè)計(jì)

C輪的壓力值采用電阻應(yīng)變式壓電傳感器進(jìn)行測(cè)量。電阻應(yīng)變式壓電傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于力學(xué)測(cè)量設(shè)備中。電阻應(yīng)變式傳感器輸出微弱的電信號(hào)，該信號(hào)需要進(jìn)行放大，為此電路使用兩級(jí)運(yùn)算放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，第一級(jí)選用儀表放大器，第二級(jí)選用低失調(diào)精密運(yùn)算放大器。電阻應(yīng)變式傳感器在供橋電壓激勵(lì)下輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，放大信號(hào)在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換之前須進(jìn)行濾波和負(fù)壓保護(hù)處理;A/D轉(zhuǎn)換器選用高精度自校正的差分輸入轉(zhuǎn)換器，MCU選用單片機(jī)技術(shù)，用于數(shù)據(jù)處理和整機(jī)的管理，如張力計(jì)算、單位轉(zhuǎn)換、鋼索模式選定，取平均值等。采用LCD作為顯示裝置，顯示張力測(cè)量結(jié)果（包括5次測(cè)量結(jié)果和平均值），適用機(jī)型、電池電量等信息。

為了影響能夠準(zhǔn)確的測(cè)量鋼索的張力，消除電源噪聲對(duì)系統(tǒng)的，設(shè)計(jì)鋼索測(cè)量裝置時(shí)，對(duì)測(cè)量裝置電源進(jìn)行了兩級(jí)穩(wěn)壓，并利用加濾波電路進(jìn)行濾波。

3 鋼索張力測(cè)量裝置的標(biāo)定

為了進(jìn)一步提高測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度，在設(shè)備加工完成后需要對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定，針對(duì)鋼索張力測(cè)量的特點(diǎn)，可以選取靜態(tài)特性標(biāo)定方法進(jìn)行標(biāo)定，首先就是創(chuàng)造一個(gè)靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件，然后按以下步驟進(jìn)行標(biāo)定：

（1）將鋼索一端固定在臺(tái)架上，另一端下與重量塊相連;

（2）通過(guò)不斷的增加重量快來(lái)獲取不同的鋼索張力，并利用這些標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)鋼索張力測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定;

（3）取下重量快，在取下重量塊的過(guò)程中再次利用已知鋼索張力值對(duì)鋼索張力測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定;

（4）按（2）、（3）所述過(guò)程，對(duì)鋼索張力測(cè)量設(shè)備進(jìn)行多次修訂，最終完成標(biāo)定工作。

4 鋼索張力的測(cè)量

為了測(cè)試鋼索張力測(cè)量裝置的精度，采用預(yù)測(cè)量鋼索下裝標(biāo)準(zhǔn)重量塊的方式進(jìn)行測(cè)量，計(jì)量結(jié)果如下表所示：

5 測(cè)量誤差分析

鋼索張力測(cè)量裝置誤差來(lái)源主要有隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差主要在于由于鋼索與測(cè)量裝置接觸處不是一個(gè)平面而是一個(gè)扭轉(zhuǎn)的鋼索，因此在測(cè)量時(shí)對(duì)壓電傳感器的壓力會(huì)存在隨機(jī)誤差，為了解決這一問(wèn)題，采用測(cè)量五次平均值的方式來(lái)平均隨機(jī)誤差的影響。而系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于鋼索張力測(cè)量力學(xué)模型的準(zhǔn)確性和壓電傳感器測(cè)量的精確性，需要在設(shè)備研制成功后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定修正設(shè)備的系統(tǒng)誤差。

6 結(jié)論

采用“三點(diǎn)彎曲法”力學(xué)模型能夠精確的將鋼索張力用測(cè)量點(diǎn)的壓力和位移來(lái)表述，設(shè)備的電子元件能夠測(cè)量傳感器的壓力和位移并且能夠計(jì)算出鋼索的張力，該設(shè)備的研制對(duì)提高鋼索在線測(cè)量精度，降低維修操作人員工作量具有重大意義。

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