某試驗件靜力強度加載試驗系統(tǒng)設計

王 靖，王 凱

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

在航空領域，飛機結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化技術(shù)越來越重要。民用飛機如何提高續(xù)航里程、提升燃油經(jīng)濟性，軍用飛機如何提高戰(zhàn)術(shù)機動性，都和結(jié)構(gòu)設計息息相關。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行減重，可以提高飛機的續(xù)航里程，提升燃油經(jīng)濟性；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化加強飛機的強度和剛度，可以提升飛機的承載能力。如何檢驗飛機結(jié)構(gòu)的力學性能，成為至關重要的問題[1]。

當前，航空、航天、煤炭、船舶、高鐵、石油等眾多行業(yè)對產(chǎn)品部件或產(chǎn)品整體的強度試驗需求越來越多。強度試驗多以加載技術(shù)為主，其中涵蓋多個領域，如液壓、氣壓、電動加載技術(shù)，多通道協(xié)調(diào)控制技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)等[2]。

本文介紹了某試驗件軸向加載靜力強度試驗系統(tǒng)，其可用來研究試驗件在靜載荷作用下的強度和剛度，驗證結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的設計要求，驗證細節(jié)設計的合理性。

2 靜力強度加載試驗系統(tǒng)總體設計

某軸向加載靜力強度試驗系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)(包括液壓泵站、液壓伺服作動筒、液壓管路等)、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)及試驗件的應變、位移測量設備等。圖1所示為系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)試驗要求，軸向靜力加載包括單缸軸向加載和雙缸軸向加載兩種試驗方式。圖2(a)所示為單缸軸向加載的試驗參考模型，圖2(b)所示為雙缸軸向加載的試驗參考模型。此外，利用本方案建設的試驗系統(tǒng)還可完成其他工況試驗，如圖2(b)所示的彎矩加載，圖2(c)所示的軸向力與側(cè)向力同時加載及圖2(d)所示的扭矩加載等。

(a)單缸軸向加載示意圖

(b)雙缸軸向加載，彎矩加載示意圖

(d)扭矩加載示意圖圖2 多工況加載方案

3 液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)主要由泵站、液壓伺服作動筒和配套的管路系統(tǒng)組成。

3.1 液壓泵站

液壓泵站的主要技術(shù)指標如下：額定供油壓力2MPa～21MPa，無級可調(diào)；柱塞泵1臺，額定流量為40L/min；三級油液過濾器(吸油進油過濾器、高壓輸出過濾器、回油過濾器)，污染度優(yōu)于GJB 420A-7級；壓力、油溫、液位能實時顯示，并在超壓、超溫、液位過低時自動報警；工作介質(zhì)采用46#抗磨液壓油；采用工業(yè)油冷機進行冷卻。泵站三維模型如圖3所示。

圖3 泵站三維模型參考圖

3.2 液壓伺服作動筒

液壓作動筒的規(guī)格及數(shù)量見表1。

表1 伺服油缸類型及規(guī)格

液壓作動筒采用單出桿作用方式，基本組成主要包括筒體、保護模塊、伺服閥、載荷傳感器等[3]，三維模型如圖4所示。兩端采用球鉸形式，抵消側(cè)向力的影響，保證作動筒一直處于二力桿形式，改善受力條件[4]。

圖4 液壓作動筒三維模型示意圖

作動筒總體性能指標：

(1)密封性。使用過程無內(nèi)漏、無外漏、無滲油。

(2)最低啟動壓力。所有噸位液壓作動筒的最低啟動壓力小于0.2MPa。

(3)每套作動筒均與高響應液壓伺服閥集成。

(4)每套作動筒配置安全卸載保護模塊。

(5)安裝方式為兩端球鉸。

4 多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)

4.1 控制系統(tǒng)概述

軸向加載靜力強度試驗系統(tǒng)配置3通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單通道獨立加載以及多通道組合協(xié)調(diào)加載功能[5]?？刂圃O備采用MOOG SmarTEST航空航天測試控制器，控制系統(tǒng)易于擴展，可通過添加板卡的方式擴展到最多8通道。

SmarTEST測試控制器是典型的協(xié)調(diào)加載控制設備，通過其實時控制前端可以實現(xiàn)對所有試驗對象的協(xié)調(diào)加載。用戶可以自定義力、位移反饋控制曲線，可以設定升、降載速率，可以進行分級加載、保載，連續(xù)加載、卸載，滿足產(chǎn)品靜力/疲勞試驗驗證的需求[6]。

圖5所示為以多通道協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)為核心的靜力加載試驗系統(tǒng)組成示意圖。其中，在主控計算機編輯或外部輸入試驗載荷譜(載荷譜可以是用戶定義的各種波形)，通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)操縱液壓執(zhí)行機構(gòu)進行加載。用戶可以根據(jù)需要讀取控制系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)酵獠繑?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 軸向靜力加載試驗系統(tǒng)組成示意圖

該控制系統(tǒng)具有完備的安全保護功能，當監(jiān)測到試驗過程中發(fā)生故障時，能夠根據(jù)設置自動觸發(fā)泵站和執(zhí)行機構(gòu)的保護響應動作，也可以通過應急開關發(fā)送應急信號，立即停止試驗。

4.2 控制系統(tǒng)配置及技術(shù)指標

控制系統(tǒng)主要包括：20U機柜，SMC機箱；機柜內(nèi)配置RTFE實時控制前端計算機，實現(xiàn)協(xié)調(diào)加載控制和I/O板卡接入；3個SCU伺服通道卡除提供3通道力和位移伺服控制外，還提供3通道模擬輸入，6通道模擬輸出；SSI液壓接口板1塊；1塊PCI 16/16數(shù)字輸入輸出卡，提供控制器I/O資源；SmarTEST輸入/輸出接口板1塊；1套20A電源，24VDC；1臺測試工作站計算機；HP A4激光打印機。

MOOG控制系統(tǒng)是總線機架整體式結(jié)構(gòu)，圖6為控制器機柜示意圖。

5 結(jié) 論

根據(jù)某試驗件靜力強度加載試驗的需求，設計了針對該試驗件靜力加載的系統(tǒng)集成方案，主要包括液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等組成部分。該試驗系統(tǒng)不僅可以完成對試驗件的軸向加載，還可以完成彎矩、扭矩以及任意載荷的組合加載，試驗靈活性較高。對整個試驗系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)進行設計，并介紹了分系統(tǒng)的組成、運行原理、設計思路及主要技術(shù)指標。配備的協(xié)調(diào)加載控制器可以實現(xiàn)復合加載工況各載荷的協(xié)調(diào)加載，滿足試驗要求。

圖6 協(xié)調(diào)加載控制器機柜示意圖