航空螺旋槳應力遙測系統(tǒng)研制與應用*

張 強， 張永峰， 任瑞冬， 馬雙員， 陶 冶

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

航空螺旋槳應力遙測系統(tǒng)研制與應用*

張 強， 張永峰， 任瑞冬， 馬雙員， 陶 冶

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

航空螺旋槳應力測量一直是螺旋槳適航取證和飛行試驗必須完成的科目之一。實現(xiàn)螺旋槳應力測量的核心技術和關鍵設備就是螺旋槳應力遙測系統(tǒng)(PSMS)。介紹了自主研發(fā)的PSMS-1螺旋槳應力遙測系統(tǒng)的原理，部件組成，研制過程及相關實驗，并說明了其在實際中的應用效果。

航空螺旋槳；應力；遙測系統(tǒng)；研制

Abstract: Stress measurement is an important part of airworthiness certification and flight test for propeller.The core technology and instrument is Propeller Stress Measurement System(PSMS). An stress measurement system (called PSMS-1) invented by CFTE is introduced which including its basic principle, components, research procedure, tests and application. The PSMS-1 fill up national blanks, make us break through key technologies,and have a good application foreground.

Key words: propeller; stress; telemetry system; research

0 引 言

螺旋槳應力測量一直是民用航空螺旋槳適航取證和飛行試驗必須完成的科目之一。CCAR23部中第23.907條“螺旋槳振動”(a)項規(guī)定：必須表明在正常工作條件下，除常規(guī)的定距木制螺旋槳外, 每一螺旋槳振動應力不得超過螺旋槳制造人已表明的連續(xù)安全使用的應力值?？山邮艿姆椒ㄊ牵孩偻ㄟ^螺旋槳的直接試驗測定應力；②與已完成該測量的類似裝置作比較；③能證明該裝置安全的任何其它可接受的試驗方法或使用經(jīng)驗[1]。對于一個新型螺旋槳，若要取得型號合格證，適航部門通常要求采用第一種方法。

目前螺旋槳應力測量的方法通常是直接在槳葉上粘貼應變片，然后將應變片輸出信號引至數(shù)據(jù)采集系設備。由于螺旋槳屬于旋轉件，因此應力測量的技術難點在于信號傳輸。信號傳輸方法分為接觸式和非接觸式。接觸式方法采用刷環(huán)引電器或水銀引電器。這種方法在早期使用較多。近年來，非接觸式的信號傳輸技術得到了快速發(fā)展，其中無線電近距耦合遙測技術由于精度高和可靠性高而得到廣泛應用[2-4]。該技術使用的測試設備通常稱之為螺旋槳應力遙測系統(tǒng)(PSMS)，簡稱遙測系統(tǒng)。

作為螺旋槳應力測量的關鍵設備，遙測系統(tǒng)的設計、開發(fā)和試驗技術長期以來一直由國外把持。為了擺脫國外在此領域的技術封鎖，縮小我國與國外的差距，研制出一套具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)螺旋槳應力遙測系統(tǒng)，成為我國航空螺旋槳適航取證和飛行試驗領域的迫切需求。

中國飛行試驗研究院發(fā)動機所一直從事航空螺旋槳的飛行試驗技術研究。通過技術研究，目前成功開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)螺旋槳應力遙測系統(tǒng)(PSMS-1)，填補了國內空白，并在小鷹500輕型商務飛機螺旋槳上得到了成功應用，為該型螺旋槳取得型號合格證做出了重要貢獻。

1 遙測系統(tǒng)研制

遙測系統(tǒng)的工作原理：被測信號和發(fā)射機安裝在旋轉部件上，接收機和記錄系統(tǒng)安裝固定不動。傳感器信號由發(fā)射機發(fā)射，被接收機接收，再引入記錄設備進行記錄。其工作原理圖見圖1所示。

圖1 遙測系統(tǒng)原理

PSMS-1遙測系統(tǒng)由遙測盤組件(包括遙測盤、電路板、發(fā)射機模塊、電源)、天線(包括轉子和靜子)和接收機組成。

(1) 遙測盤

用于裝載電路板等電氣部件，并安裝固定于螺旋槳槳轂之上，隨螺旋槳一起旋轉。遙測盤采用CATIA進行外觀設計，利用ansys進行強度校核，最后通過超轉試驗檢驗其強度和振動是否符合設計要求，其外觀如圖2所示。

(2) 電路板

用于供電線路、調理模塊外圍電路布線、電橋橋路布線以及電源所需電路的設計，安裝于遙測盤內。電路板設計使用Protel軟件完成，其外觀如圖3所示。

圖2 遙測盤 圖3 電路板

(3) 發(fā)射機模塊

用于應變電壓信號的采集與發(fā)射，固定安裝于遙測盤內。其產(chǎn)品外觀如圖4所示。

吉林工程技術師范學院新校區(qū)校園景觀設計，首先強調生態(tài)綠色設計，立足于現(xiàn)實情況，充分考慮“藍軸”與“綠軸”的相生相依。植物配置上科學選擇與景觀審美綜合考量，力求做到原生態(tài)化和低碳化。其次是堅持可持續(xù)發(fā)展的基本原則。強調規(guī)劃設計和文化景觀建設的彈性和活性，統(tǒng)籌兼顧，保持校園文化景觀和生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展。在我國大規(guī)模的高校新區(qū)建設方興未艾，我們必須靜下心來梳理一下自然資源和學校的傳統(tǒng)文化資源，然后去發(fā)現(xiàn)景觀營造中的文化缺失，去構建和規(guī)劃屬于中國高校特有的魅力景觀發(fā)展戰(zhàn)略。

(4) 遙測盤組件

將發(fā)射機模塊、電路板和電源等部件集成安裝于遙測盤內，從而構成了整個遙測系統(tǒng)的旋轉體組件，其外觀如圖5所示。

圖4 發(fā)射機模塊 圖5 遙測盤組件

(5) 天線

近距耦合環(huán)形天線，分轉子和靜子兩部分，天線轉子發(fā)射信號，天線靜子接收信號并發(fā)送至接收機。其外觀如圖6所示。接收機：將接收到的PCM遙測數(shù)字數(shù)據(jù)流解調為數(shù)字PCM和±5V的模擬電壓輸出。其外觀如圖7。

圖6 天線 圖7 接收機

2 遙測系統(tǒng)試驗與安裝

遙測系統(tǒng)要安裝在航空螺旋槳之前，必須先進行動平衡和旋轉試驗。

2.1 遙測盤組件動平衡試驗

由于遙測盤組件為旋轉件，因此必須要經(jīng)過動平衡，使其剩余不平衡量保持在一個合格的范圍之內，才能夠投入到實際應用中。PSMS-1遙測盤組件的最終動平衡靜度達到G6.3，試驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 遙測盤組件動平衡試驗

2.2 遙測盤組件旋轉試驗

2.3 遙測系統(tǒng)安裝

遙測系統(tǒng)在螺旋槳上的改裝主要是指遙測盤組件和天線轉子在螺旋槳槳轂上的改裝，天線靜子在發(fā)動機上的安裝。遙測盤組件和天線轉子通過槳轂的4個長螺栓進行安裝固定，天線靜子通過兩個支架安裝在發(fā)動機機匣上。改裝后的遙測系統(tǒng)如圖10。

圖9 旋轉試驗 圖10 遙測系統(tǒng)安裝

3 遙測系統(tǒng)應用

JL-5螺旋槳為小鷹500飛機的動力裝置。根據(jù)適航條款的規(guī)定，該型螺旋槳要取得型號合格證，必須進行螺旋槳的振動應力測量。

PSMS-1遙測系統(tǒng)成功地應用在JL-5螺旋槳振動應力測量車臺試驗中，取得了良好的效果，為該型螺旋槳取得型號合格證做出了重要貢獻。

圖11為螺旋槳振動應力試驗現(xiàn)場。圖12為螺旋槳應變計測點布置方案。圖13為遙測系統(tǒng)所測量的螺旋槳振動應力值。

試驗結果表明，螺旋槳應力最大值為64.4 MPa，沒有超過材料的彈性極限，說明螺旋槳始終處于安全的工作狀態(tài)。

圖11 螺旋槳振動應力測量試驗

圖12 螺旋槳應變計布置方案

圖13 螺旋槳應力測量結果

4 結 論

(1) PSMS-1遙測系統(tǒng)在使用中工作穩(wěn)定，功能正常，安全可靠，測試結果真實可信，令人滿意，取得了理想的效果。遙測系統(tǒng)研制取得了成功。

(2) PSMS-1遙測系統(tǒng)系國內首次自主研發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權，填補了國內空白。

(3) 通過該系統(tǒng)的研制，掌握了遙測系統(tǒng)設計的關鍵技術，擺脫了關鍵技術受制于國外的被動局面。

(4) 該系統(tǒng)不但可以應用于航空螺旋槳，還可以應用到其他領域(如航空發(fā)動機、燃氣輪機、艦船、汽車等)旋轉部件的應力、載荷、溫度等測量試驗，應用前景廣闊。

[1] CCAR-25-R3 運輸類飛機適航標準[S].2001.

[2] 李珊紅，陳占平，屈玉池.某型螺旋槳應力載荷飛行測量[A].中國航空學會第十屆航空發(fā)動機結構強度與振動會議[C].安徽歙縣，2000.

[3] 屈玉池，白向麗，張永峰.空氣螺旋槳應力載荷飛行試驗研究[J].飛行力學,2006(12):88-90

[4] 屈玉池.某型螺旋槳試飛應力載荷測量[R].西安：中國飛行試驗研究院,1997.

[5] 張永峰，張 強，任瑞冬.螺旋槳1 P載荷飛行試驗槳軸測試研究[J] .飛行力學,2011(6):84-88.

[6] 陶 冶，張 強，張永峰.民用航空螺旋槳應力測量試驗與分析[J].工程與試驗,2013(2):24-26.

Research and Application of Propeller Stress Telemetry System

ZHANG Qiang， ZHANG Yong-feng， REN Rui-dong， MA Shuang-yuan， TAO Ye

(ChinaFlightTestEstablishment,Xi′anShaanxi710089,China)

2014-05-26

張 強(1980-)，男，山東濟南人，高級工程師，碩士，研究方向：航空動力裝置結構強度與振動飛行試驗技術研究。

V228.5

A

1007-4414(2014)04-0100-03