多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)加載單元定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊家奎 張建

摘 要：多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)件靜力和疲勞試驗(yàn)，本文基于航空懸掛發(fā)射系統(tǒng)靜力試驗(yàn)特點(diǎn)，對(duì)加載單元如何高效準(zhǔn)確定位進(jìn)行了研究，提出了一套用于水平承載的兩自由度加載單元定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用激光器精準(zhǔn)標(biāo)記，步進(jìn)電機(jī)高效定位，大大提高試驗(yàn)安裝效率，減少試驗(yàn)由于加載方向偏離而帶來(lái)的影響。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)；懸掛發(fā)射系統(tǒng)靜力試驗(yàn)；加載單元定位

1引言

利用多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)，需要一整套工裝系統(tǒng)固定試驗(yàn)件和加載單元，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度承載。傳統(tǒng)的工裝以龍門架和承力柱為主，樣品固定在龍門架上，通過(guò)吊裝移動(dòng)承力柱到指定位置，用螺栓與地軌連接，再安裝加載單元到指定高度與承力柱緊固。這種安裝方法不僅操作繁瑣，效率低下，還很難定位試驗(yàn)件的加載點(diǎn)，導(dǎo)致傳力路徑偏離，載荷加載不真實(shí)。較差的定位結(jié)果會(huì)直接導(dǎo)致加載方向的偏離，引起結(jié)構(gòu)件的提前破壞或試驗(yàn)的不準(zhǔn)確。由此可見(jiàn)，加載單元良好的定位效果，對(duì)靜力試驗(yàn)尤為重要。

為了解決加載單元定位不準(zhǔn)和安裝繁瑣的問(wèn)題，本文基于懸掛發(fā)射系統(tǒng)靜力試驗(yàn)要求，擬設(shè)計(jì)制作一套加載單元定位系統(tǒng)，使多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)加載單元與工裝連接后，能夠在安裝平面進(jìn)行一到兩個(gè)自由度的自由移動(dòng)和定位，從而大大提高安裝效率，提高定位精度。

2方案設(shè)計(jì)

懸掛發(fā)射系統(tǒng)靜力試驗(yàn)如圖1所示，通常將樣品掛裝在龍門架上，通過(guò)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)在各個(gè)方向進(jìn)行加載，從而模擬飛機(jī)在飛行過(guò)程中各種動(dòng)作下的載荷工況。常用的加載方向有航向（X向）、側(cè)向（Z向）和垂向（Y向），加載單元需要固定于工裝立柱上進(jìn)行水平加載，那么對(duì)于工裝立柱來(lái)講往往會(huì)受到較大的橫向載荷。如果要求工裝立柱實(shí)現(xiàn)兩自由度（X向和Y向）的運(yùn)動(dòng)，尤其是垂向（Y向）運(yùn)動(dòng)，只能采取電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)方式，但滾珠絲杠的橫向承載能力較差，很難在試驗(yàn)中起到應(yīng)有的承載作用。如果使用碟簧受壓產(chǎn)生的變形，將外部橫向載荷傳遞至承力框架，則能避免滾珠絲杠等運(yùn)動(dòng)部件承受橫向載荷，滿足工裝自動(dòng)升降的同時(shí)也能承受較大的橫向載荷。

基于以上考慮，并根據(jù)實(shí)際使用情況，加載單元定位系統(tǒng)以如下技術(shù)指標(biāo)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）垂向負(fù)載≥10kN，水平最大承載250kN；

（2）高度2000mm，可升降有效行程≥1600mm，水平行程（0～3000）mm可調(diào)，行程最小離地高度≤400mm；

（3）升降速率≤60mm/s，重復(fù)定位精度不低于0.1mm，可任意位置鎖死。

2.1設(shè)計(jì)思路

2.1.1水平承載

因?yàn)楝F(xiàn)有絲杠或滑塊均無(wú)法承受250kN載荷，而分布承載又對(duì)加工精度的要求太高，調(diào)試難度太大，且壽命無(wú)法保證。因此，考慮使用承力框架承受250kN載荷，則需要設(shè)計(jì)一套載荷轉(zhuǎn)換裝置。在導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)單元上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接碟簧，可在任意位置定位后，使用螺栓預(yù)緊固定。當(dāng)?shù)蓧嚎s時(shí)，運(yùn)動(dòng)單元與承力框架接觸，通過(guò)承力架傳遞載荷。

試驗(yàn)載荷的施加則考慮使用柔性鋼絲繩加載，加載單元和鋼絲繩的接頭相連，安裝于承力框架基座處，在框架內(nèi)經(jīng)過(guò)滑輪轉(zhuǎn)向，由運(yùn)動(dòng)單元處導(dǎo)出，通過(guò)調(diào)節(jié)拉桿與試驗(yàn)鋼絲繩相連。

2.1.2兩自由度運(yùn)動(dòng)

由于加載單元定位系統(tǒng)負(fù)載重，水平承載大，有較大的傾覆力矩，在承力地軌水平面很難通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的方式實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用專門的鋼軌和電動(dòng)拖車，安裝于承力地軌上，再將定位系統(tǒng)安裝于電動(dòng)拖車上，在讓電動(dòng)拖車沿地軌進(jìn)行水平移動(dòng)。為了防止承載時(shí)工裝傾覆，在承力地軌兩端設(shè)置專用的承力墻，將電動(dòng)拖車限位固定，以保障在加載時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

垂向運(yùn)動(dòng)有兩種方案有兩種設(shè)想，一種是電動(dòng)吊車配合圓柱導(dǎo)軌，一種方案是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠。電動(dòng)吊車的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是定位精度較差；而步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，缺點(diǎn)是安裝精度高，需要編制控制程序。綜合考慮定位精度的要求，推薦使用方案二步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的方式實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)如圖2所示。

2.2系統(tǒng)原理

一套加載單元定位系統(tǒng)如圖3所示，包括具備大承載能力的承力框架；用于實(shí)施目標(biāo)拉力的鋼絲繩；調(diào)整鋼絲繩方向的導(dǎo)入滑輪及導(dǎo)出滑輪；用于實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)的電機(jī)、電機(jī)支座、絲杠、滑塊、滑板；用于實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償能力的碟簧；實(shí)現(xiàn)空間定位的激光器及鎖緊的承力螺栓等。

承力框架為柱形鋼材的主承力結(jié)構(gòu)，設(shè)置有導(dǎo)入孔、導(dǎo)出孔、定位導(dǎo)向孔；承力框架與導(dǎo)入滑輪的支座、電機(jī)支座、絲杠支座均固定螺接。多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載單元位于承力框架外部，加載單元伸出端與鋼絲繩相連，鋼絲繩通過(guò)導(dǎo)入孔進(jìn)入承力框架內(nèi)部，并在導(dǎo)入滑輪處換向，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)出滑輪換向，通過(guò)滑輪座上的滑輪座導(dǎo)向孔、滑板導(dǎo)向孔、導(dǎo)出孔伸出承力框架外，對(duì)外部樣品施加載荷。

滑塊與滑板用螺栓固定連接，導(dǎo)出滑輪用螺栓固定安裝在滑輪座上?；喿线€設(shè)置有導(dǎo)向螺栓定位孔、承力螺栓定位孔。導(dǎo)向螺栓穿過(guò)滑輪座上的導(dǎo)向螺栓定位孔與滑板固定連接，且滑輪座與滑板之間為碟黃，導(dǎo)向螺栓穿過(guò)碟黃中心，起到導(dǎo)向作用。導(dǎo)向螺栓定位孔的直徑大于導(dǎo)向螺栓的直徑，因此，在受力時(shí)，滑輪座可沿導(dǎo)向螺栓的軸向自由運(yùn)動(dòng)。

電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑板、滑輪座、滑輪一起運(yùn)動(dòng)?；喿c滑板之間形成的間隙為主動(dòng)間隙?；喿c承力框架形成的間隙為被動(dòng)間隙。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后，通過(guò)激光器斑點(diǎn)對(duì)樣品加載點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，以保證最優(yōu)結(jié)果。定位后，承力螺栓通過(guò)承力框架上的定位導(dǎo)向孔與承力螺栓定位孔連接；在擰緊過(guò)程中，碟黃受力壓縮，主動(dòng)間隙和被動(dòng)間隙均減??；當(dāng)被動(dòng)間隙減小至零時(shí)，滑輪座與承力框架緊密相連；此時(shí)，滑板所受的力，也即為絲杠所受的橫向力為碟黃的彈力。實(shí)現(xiàn)空間定位后，作動(dòng)器帶動(dòng)鋼絲繩產(chǎn)生拉力F，滑輪上的力通過(guò)滑輪座傳遞至承力框架，可見(jiàn)絲杠并不承受F的作用，即實(shí)現(xiàn)了承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。

2.3仿真分析

為了考核加載單元定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的安全性，針對(duì)其最嚴(yán)工況，即垂直最高升限位置施加水平載荷250kN為條件進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖4圖5所示，其最大應(yīng)力為156MPa，最大變形量為0.7mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。

3結(jié)束語(yǔ)

本文基于懸掛發(fā)射系統(tǒng)靜力試驗(yàn)，提出了一套加載單元定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)加載單元的高效定位。其優(yōu)點(diǎn)是大大提高了靜力試驗(yàn)安裝效率，節(jié)約了人力和時(shí)間成本；通過(guò)激光定位提高了定位精度，減少加載方向的偏移引起的誤差。缺點(diǎn)是水平位移拖車笨重，占用承力地軌，對(duì)場(chǎng)地要求較高。

該系統(tǒng)目前僅能用于靜力試驗(yàn)水平加載，對(duì)于非水平方向的加載，系統(tǒng)還可以繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。譬如飛機(jī)平尾垂直向上的加載，亦可通過(guò)本文提出的運(yùn)動(dòng)單元在水平橫梁的移動(dòng)定位而實(shí)現(xiàn)，又或者是結(jié)構(gòu)件帶角度斜向加載，也可集成在三角工裝上?？傊@種通過(guò)碟簧變形實(shí)現(xiàn)力轉(zhuǎn)移的裝置，讓傳統(tǒng)固定的加載單元擁有了運(yùn)動(dòng)的屬性，對(duì)大型結(jié)構(gòu)件靜力試驗(yàn)施力點(diǎn)的精準(zhǔn)定位起到了積極作用，使多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉博，王有杰.多通道靜力協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào)， 2014， 35（3）： 126-129.

[2]邢佶慧，黃河，張家云，楊慶山.碟形彈簧力學(xué)性能研究[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2015， 34（22）： 167-172.

作者簡(jiǎn)介：

楊家奎，男，漢，籍貫河南信陽(yáng)，出生年月1991年5月，研究方向力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方向。

張建，男，漢，籍貫四川成都，職稱高級(jí)工程師，1984年3月，研究方向力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)方向。