多類型航空剎車器件性能試驗臺設(shè)計

白鈞生，王靖，李碧波，徐忠，王海燕

(1.中國飛機強度研究所，陜西西安 710065；2.長沙鑫航機輪剎車有限公司，湖南長沙 410006)

0 前言

飛機旋翼剎車試驗是旋翼剎車裝置研制過程中一項必不可少的試驗項目[1-2]，同樣航空機輪剎車試驗也是機輪剎車裝置研制過程中一項必不可少的試驗項目[3-4]。目前還沒有兼容兩種不同的剎車裝置試驗臺，為了節(jié)約資源，提高設(shè)備利用率，基于試驗臺的共性，通過旋翼剎車和機輪剎車所需要的不同慣量[5-7]，設(shè)計兩種鼓輪，合理組合，共用一個軸系和動力，既能用于旋翼剎車裝置的剎車性能試驗，同時又兼容輕型航空機輪剎車裝置的動態(tài)性能測試，系統(tǒng)中鼓輪設(shè)計結(jié)合電慣量模擬技術(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，動力矩、靜力矩測量技術(shù)原理簡單，工作可靠，為多類型新產(chǎn)品的研制、鑒定和產(chǎn)品交付提供科學(xué)數(shù)據(jù)，通過模擬試驗可以進一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高旋翼剎車裝置及機輪剎車裝置品質(zhì)及性能。本文作者對試驗臺機械系統(tǒng)作以闡述。

1 試驗臺功能以及主要技術(shù)指標

1.1 功能

模擬飛機旋翼、機輪在起飛、著陸、滑行全過程中的剎車動作。主要試驗項目：直升機旋翼剎車裝置動力矩、靜力矩試驗，輕型飛機機輪剎車裝置動力矩、靜力矩試驗，剎車壽命等[8-11]。測量裝置有剎車盤溫度、機輪轉(zhuǎn)速、輪胎壓縮量等。輔助設(shè)施有應(yīng)急剎車、冷卻、除塵等。

1.2 主要技術(shù)指標

1.2.1 旋翼剎車裝置剎車試驗技術(shù)指標

旋翼剎車盤尺寸范圍：直徑φ100～φ400 mm；剎車盤安裝間距：≤200 mm。最大轉(zhuǎn)速：3 200 r/min；模擬慣量范圍(可用電慣量調(diào)節(jié))：4～100 kg·m2；動力矩：0～1.5 kN·m，靜力矩：0～2 kN·m。

1.2.2 輪胎及機輪剎車裝置剎車試驗技術(shù)指標

輪胎尺寸范圍：直徑φ150～φ300 mm；試驗輪胎胎面寬度：≤150 mm。最大載荷：8.5 kN；最大速度：200 km/h(885 r/min)；模擬慣量范圍(可用電慣量調(diào)節(jié))：54～306 kg·m2；動力矩：0～1 kN·m，靜力矩：0～2 kN·m。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

此試驗臺由鼓輪組件、機輪加載組件、旋翼剎車組件、動力矩測試裝置、靜力矩測試裝置、機輪轉(zhuǎn)速及溫度測量裝置、應(yīng)急剎車裝置、冷卻、除塵等設(shè)施組成。試驗臺模型如圖1所示，試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺主要尺寸：鼓輪、機輪中心高1.2 m；機輪鼓輪：直徑1.2 m，寬度0.2 m，機械慣量120 kg·m2；旋翼鼓輪：直徑1.2 m，寬度0.1 m，機械慣量50 kg·m2。

2.1 鼓輪組件

鼓輪組件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由電機、膜片聯(lián)軸器、動態(tài)扭矩測量儀及其支架、異形聯(lián)軸器、主軸、機輪鼓輪、旋翼鼓輪、連接螺桿、止動插銷、軸承及軸承座、應(yīng)急剎車裝置等組成。

圖3 鼓輪組件結(jié)構(gòu)

電機通過膜片式聯(lián)軸器帶動動態(tài)扭矩測量儀，傳遞扭矩。主軸與旋翼鼓輪過盈連接，與機輪鼓輪之間安裝一對深溝球軸承；旋翼鼓輪與機輪鼓輪通過連接螺桿的插入和去掉實現(xiàn)兩鼓輪的合離，機輪鼓輪的左側(cè)軸承座安裝有止動插銷。在旋翼鼓輪轉(zhuǎn)動時為了不讓機輪鼓輪一起轉(zhuǎn)動，把連接螺桿從2個鼓輪中去掉，把止動插銷通過軸承座插入機輪鼓輪；機輪剎車試驗需要2個鼓輪一起轉(zhuǎn)動則把連接螺桿插入2個鼓輪，把止動插銷去掉。主軸的右端法蘭連接旋翼剎車裝置的動盤。

根據(jù)飛機速度及電機轉(zhuǎn)速、加工條件等確定機輪鼓輪直徑，根據(jù)最大機輪輪胎寬度確定機輪鼓輪寬度；根據(jù)機輪剎車能量和機輪鼓輪角速度確定機輪鼓輪機械慣量[12]。最終確定機輪鼓輪直徑1 200 mm，寬度200 mm，慣量為120 kg·m2。機輪鼓輪設(shè)計為輪輻式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過毛坯鍛造、粗加工、退火處理、機加工、調(diào)質(zhì)、精加工等工藝保證機輪鼓輪的強度及慣量，加工完成后進行動平衡處理，達到G2.5級。鼓輪中心有φ190 mm的孔，用于安裝深溝球軸承。輪轂處開φ30 mm孔用于插連接螺桿與旋翼鼓輪嚙合，另有φ30 mm孔用于插入止動插銷。

根據(jù)飛機旋翼轉(zhuǎn)速確定電機及旋翼鼓輪轉(zhuǎn)速，旋翼鼓輪直徑與機輪鼓輪直徑設(shè)計相同，根據(jù)旋翼剎車能量、旋翼鼓輪角速度確定旋翼鼓輪機械慣量，根據(jù)旋翼鼓輪直徑和旋翼鼓輪機械慣量及加工因素確定旋翼鼓輪寬度。最終確定旋翼鼓輪直徑1 200 mm，寬度100 mm，慣量為50 kg·m2，旋翼鼓輪設(shè)計為輪輻式結(jié)構(gòu)，加工工藝及要求同機輪鼓輪。旋翼鼓輪與軸為過盈配合，保證摩擦力矩大于最大剎車力矩。在輪轂處開φ30 mm孔用于插連接螺桿與機輪鼓輪嚙合，在輪緣處另開φ30 mm孔用于靜力矩試驗連接拉力油缸及傳感器。

在旋翼鼓輪處設(shè)置應(yīng)急剎車裝置，用于緊急情況下對旋翼鼓輪進行制動，如圖4所示。

圖4 應(yīng)急剎車裝置

制動時間由公式(1)計算：

(1)

式中：ω為鼓輪的角速度，分別取92.63、335 rad/s(2種試驗情況)；J為鼓輪的慣量，分別取170、50 kg·m2(2種試驗情況)；p為制動壓力，6×105Pa；D為剎車汽缸的缸徑，0.1 m；μ為摩擦材料的摩擦因數(shù)，0.5；R為旋翼鼓輪的半徑，0.6 m。

經(jīng)過計算t1=11.1 s，t2=11.8 s。分別為2類試驗即機輪鼓輪以885 r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時應(yīng)急制動時間和旋翼鼓輪單獨以3 200 r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時應(yīng)急制動時間，均滿足應(yīng)急剎車要求。

2.2 機輪加載組件

機輪加載結(jié)構(gòu)如圖5所示，加載作動筒驅(qū)動加載頭框架沿直線導(dǎo)軌運動，帶動機輪壓到機輪鼓輪表面直到設(shè)定載荷，機輪鼓輪帶動機輪旋轉(zhuǎn)達到試驗轉(zhuǎn)速。在加載頭運動時行程標尺的觸頭隨動，一旦與限位開關(guān)接觸，加載頭框架即帶動機輪快速后退，防止過載損壞試件和設(shè)備。加載時加載作動筒內(nèi)的磁置伸縮傳感器可以測量輪胎的壓縮量。

動力矩測試組件[13]如圖6所示。試驗時鼓輪模擬慣量以設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，機輪以設(shè)定載荷壓在鼓輪表面，機輪剎車制動，動盤與靜盤摩擦，靜盤帶動機輪軸及搖臂有旋轉(zhuǎn)趨勢，而搖臂末端受到載荷傳感器制約。記錄傳感器讀數(shù)，傳感器的讀數(shù)與搖臂長度相乘即可得出機輪剎車的動力矩。

機輪溫度滑環(huán)[14](動線與靜線轉(zhuǎn)換器)安裝架安裝在加載框架搖臂對應(yīng)的另外一側(cè)，由安裝支架、滑環(huán)、滑環(huán)夾具、轉(zhuǎn)接法蘭、撓性聯(lián)軸器、撥桿軸、撥桿、撥桿夾具組成，模型如圖7所示，用于測量機輪轉(zhuǎn)速與剎車裝置動靜盤溫度。

圖7 機輪轉(zhuǎn)速及溫度測量裝置

靜力矩測試裝置一般由摩擦器驅(qū)動機輪輪胎轉(zhuǎn)動來測量靜力矩[15-16]，需要另外一套設(shè)備。此測量方法利用本身條件簡便易行，如圖8所示，由牽引作動筒、拉力傳感器、皮帶及夾具、安裝底座等組成。試驗時將皮帶置于鼓輪上，讓皮帶及拉力傳感器及牽引作動筒與鼓輪相切，另一端自然下垂，驅(qū)動機輪向鼓輪表面加載，加到設(shè)定載荷時機輪剎車裝置剎車，這時牽引作動筒逐漸加壓驅(qū)動皮帶拉動并帶動機輪轉(zhuǎn)動。記錄拉動載荷，然后用拉動載荷乘以機輪滾動半徑即可得到剎車靜力矩。

圖8 機輪靜力矩測試裝置結(jié)構(gòu)

2.3 旋翼剎車組件

旋翼剎車組件如圖9所示，由絲杠驅(qū)動導(dǎo)軌上面臺架沿直線導(dǎo)軌運動，調(diào)整到合適的位置，即讓臺架上左端法蘭與鼓輪端頭法蘭間距滿足剎車裝置安裝尺寸(參照圖1、圖2)，然后鎖緊臺架不動，把旋翼剎車裝置置入調(diào)好的空間，靜盤與臺架上主軸左端法蘭相連、動盤與鼓輪主軸端頭法蘭連接即可開始試驗。

圖9 旋翼剎車裝置力矩測試組件模型

旋翼動力矩測試組件如圖10所示。旋翼鼓輪模擬慣量帶動旋翼動盤旋轉(zhuǎn)，旋翼剎車時，旋翼靜盤帶動搖臂有旋轉(zhuǎn)趨勢，使載荷傳感器承受拉力。記錄拉動載荷，然后用拉動載荷乘以搖臂兩中心點距離即可得到剎車動力矩。

圖10 旋翼力矩測試組件

靜力矩測試裝置如圖11所示。試驗時將鋼絲繩固定在鼓輪上，讓鋼絲繩、拉力傳感器及牽引作動筒與固定點的圓相切，剎車裝置按設(shè)置參數(shù)剎車，然后牽引作動筒逐漸加壓拉動鼓輪轉(zhuǎn)動并帶旋翼盤轉(zhuǎn)動。然后用拉動載荷乘以鼓輪固定點半徑即可得到剎車靜力矩。

圖11 旋翼靜力矩測試裝置結(jié)構(gòu)

3 強度分析與試驗

3.1 鼓輪強度分析

鼓輪最大載荷是靜力矩工況，即在鼓輪上施加8 500 N的水平推載及13 600 N的皮帶載荷。有限元計算結(jié)果如圖12—13所示，最大應(yīng)力在軸上為21.55 MPa。如圖14—15所示，最大變形位移在鼓輪上為0.028 5 mm。

圖12 鼓輪應(yīng)力

圖13 軸應(yīng)力

圖14 鼓輪變形位移

圖15 軸變形位移

因此鼓輪和軸的強度滿足使用要求。

3.2 鼓輪臨界轉(zhuǎn)速計算

鼓輪最高轉(zhuǎn)速為旋翼剎車試驗工況：3 200 r/min。這時主軸承擔(dān)機輪鼓輪和旋翼鼓輪的重力和自身的重力。 兩輪支撐簡圖如圖16所示。

圖16 兩輪支撐簡圖

彎曲振動的臨界轉(zhuǎn)速[17]根據(jù)公式(2)計算：

(2)

式中：W0為軸的重力，1 188 N；W1為機輪鼓輪的重力，8 303 N；W2為旋翼鼓輪的重力，3 884 N；L為軸的長度，1 050 mm；λ1為一階臨界轉(zhuǎn)速時的支座形式系數(shù)，9.87；dv為軸的當量直徑，127 mm；a為質(zhì)心到左端軸承的距離，250/410 mm；b為質(zhì)心到右端軸承的距離，360/200 mm；l為軸的支撐長度，610 mm。

計算得ncr1=6 155 r/min，大于旋翼試驗運轉(zhuǎn)速度3 200 r/min，合格。

3.3 機輪加載靜強度分析

靜力矩工況為最大載荷工況。載荷為在機輪上施加8 500 N的水平推載及13 600 N的垂向載荷。有限元應(yīng)力計算結(jié)果如圖17所示。最大應(yīng)力147 MPa，位于搖臂處，為應(yīng)力集中點，其余部位最大應(yīng)力不超過90 MPa。

圖17 應(yīng)力計算結(jié)果

圖18顯示有限元計算變形，最大變形0.307 mm，位于搖臂上。滿足設(shè)計要求。

圖18 不帶軸變形位移

3.4 機輪加載框架模態(tài)分析

對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，提取前5階模態(tài)信息，頻率如表1所示，典型振型如圖19所示，滿足設(shè)計要求。

表1 模態(tài)頻率 單位：Hz

圖19 第2階輪軸彎曲模態(tài)

3.5 試驗

對試驗臺進行了旋翼剎車裝置和機輪剎車裝置的各項剎車試驗，按照設(shè)計的鼓輪轉(zhuǎn)速、載荷譜進行了考核，各項試驗數(shù)據(jù)達到設(shè)計要求，每個工況試驗臺工作穩(wěn)定可靠，設(shè)備見圖20。

圖20 試驗臺局部照片

4 結(jié)論

此試驗臺既能對旋翼剎車裝置進行試驗，又能對機輪剎車裝置進行剎車試驗，對于不同類型剎車器件進行鼓輪離合操作方便，工作可靠。此試驗臺具備多功能試驗?zāi)芰Γ?jié)約資源，利用率高。