直升機自動傾斜器大軸承耐久性試驗機研制

馬峰濤，劉文勝，王媛媛

（1.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；3.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

自動傾斜器大軸承作為旋翼總距及周期變距操縱的一個環(huán)節(jié)，是直升機操縱系統(tǒng)的重要組成部分。如果大軸承的使用時間超出使用壽命，不僅會增加自動傾斜器的維護(hù)成本，還會危及直升機的飛行安全。因此，通過耐久性試驗?zāi)M大軸承真實工作環(huán)境獲取其使用壽命［1］，從而合理確定使用時間限制，對確定大軸承及自動傾斜器的監(jiān)控檢查和維護(hù)時間等工作非常重要。

目前，直升機普遍采用環(huán)式自動傾斜器，大軸承安裝于自動傾斜器的動環(huán)與不動環(huán)之間［2］，軸承內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，外圈轉(zhuǎn)速與旋翼轉(zhuǎn)速一致，載荷主要來自主旋翼的氣動鉸鏈力矩，包括彎矩和軸向力。為準(zhǔn)確模擬大軸承真實的安裝形式、運動情況、受載情況、潤滑條件等，研制了直升機自動傾斜器大軸承耐久性試驗機。

1 試驗機工作原理

直升機自動傾斜器大軸承耐久性試驗機的工作原理如圖1所示，為真實模擬直升機上大軸承的安裝形式，試驗機臺架采用立式結(jié)構(gòu)。三相異步電動機通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動傳動軸和被試大軸承外圈轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)圈與加載橫梁通過螺紋連接固定，實現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈的相對旋轉(zhuǎn)。加載橫梁的兩端分別與2個加載液壓缸的輸出活塞桿桿端球鉸鉸接，加載液壓缸上端則與試驗機臺架鉸接，通過改變2個加載液壓缸的輸出組合實現(xiàn)軸向力和彎矩的加載。試驗機的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗機主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of tester

圖1 試驗機工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of tester

2 系統(tǒng)組成及硬件配置

如圖2所示，試驗機主要由臺架、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)和測試采集系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 試驗機系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of tester

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器和交流異步電動機組成。電動機輸出通過聯(lián)軸器和傳動軸傳遞到被試軸承上，同時通過PLC遠(yuǎn)程控制或本地變頻器控制，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速、運行方向以及加減速時間等參數(shù)的控制。

液壓加載系統(tǒng)以液壓泵站產(chǎn)生的高壓油源作為動力，以加載液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，通過上位機、控制器、伺服閥、力傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。上位機將各飛行狀態(tài)的載荷指令轉(zhuǎn)換為2個液壓缸所需加載力的指令，通過以太網(wǎng)發(fā)送給RMC控制器，控制器接受指令信號和力傳感器的反饋信號，兩者比較后經(jīng)過PID運算及DA變換后生成電壓指令信號序列，由伺服放大器將電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號驅(qū)動伺服閥對液壓缸的輸出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

測試采集系統(tǒng)由各類信號的傳感器和采集設(shè)備組成。振動信號采集選用4通道C系列動態(tài)信號采集模塊N9234，并通過單槽以太網(wǎng)機箱NI 9181與上位機通信。拉壓力信號由RMC控制器采集后傳輸?shù)缴衔粰C。轉(zhuǎn)速、溫度信號，泵站的壓力、液位和油溫等狀態(tài)信息均通過PLC的模擬量輸入模塊實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)置與開發(fā)

LabVIEW 是模塊化編程軟件，各模塊可以單獨編程、調(diào)試，最后集成整合［3］。本測控軟件主要包括前面板設(shè)計、載荷指令輸出模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及存儲模塊設(shè)計。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程Fig.3 Flow of program

3.1 前面板設(shè)計

前面板是人機交互的界面，包括模擬真實儀器的開關(guān)、按鈕及各種初始數(shù)據(jù)設(shè)置，用文本框、波形圖等形式實時顯示采集到的數(shù)據(jù)。試驗機的軟件前面板如圖4所示，包括泵站控制、電動機轉(zhuǎn)速控制、加載模式選擇及加載譜的調(diào)用或編輯、數(shù)據(jù)顯示（電動機狀態(tài)參數(shù)、泵站狀態(tài)參數(shù)及載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、振動等信號）。

圖4 上位機軟件前面板Fig.4 Front panel of software for upper computer

3.2 載荷指令輸出模塊設(shè)計

自動傾斜器大軸承承受的載荷隨直升機飛行狀態(tài)改變，將所有飛行狀態(tài)的載荷及對應(yīng)載荷的時間百分比合在一起形成一個表格，就構(gòu)成了被試軸承的耐久性試驗載荷譜。測控系統(tǒng)通過調(diào)用事先編制的載荷譜自動實現(xiàn)飛行狀態(tài)之間的切換。載荷指令包括電動機轉(zhuǎn)速指令、軸承軸向力指令和軸承彎矩指令。

電動機轉(zhuǎn)速指令通過OPC軟件輸出給PLC。LabVIEW 通過數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（DSC）模塊實現(xiàn)OPC服務(wù)器功能。PLC為S7-200系列，在PCACESS中新建與PLC寄存器地址綁定的變量，再在LabVIEW 軟件中將變量以DataSocket方式與軟件前面板上的指示燈、文本框、按鈕綁定，實現(xiàn)上位機軟件與PLC通信并遠(yuǎn)程控制電動機轉(zhuǎn)速的功能。

軸承所受的軸向力和彎矩指令由程序轉(zhuǎn)化為2個加載液壓缸的輸出力指令，通過EtheNet／IP協(xié)議發(fā)送給RMC控制器。加載液壓缸輸出力的閉環(huán)控制在控制器中實現(xiàn)。

振動信號由NI的動態(tài)信號采集模塊NI9234采集，并通過單槽機箱NI9181與上位機通信，用快速DAQ助手設(shè)置信號類型、傳感器系數(shù)和采樣率等，可方便的實現(xiàn)振動信號的采集，只需開發(fā)后處理程序?qū)π盘栠M(jìn)行FFT變換、峰值查詢等運算。

轉(zhuǎn)速信號由PLC的CPU中集成的2個定時器（T32和T96）輸出，使用T32和T96截取250 ms的時間間隔，將計時開始時的HCl值放入VDO中，計時結(jié)束時的HCl值放入VD4中，VD4減去VD0的值即為250 ms內(nèi)的脈沖數(shù)n1。HC1采用4倍計數(shù)模式，經(jīng)換算得n1為轉(zhuǎn)速n的10倍。

溫度信號由PLC的模擬量輸入模塊采集，采用SIMATIC manager編寫采集程序。在上位機中溫度和轉(zhuǎn)速信號與電動機轉(zhuǎn)速指令輸出一樣，通過OPC與PLC通信獲得。

4 試驗機安裝及調(diào)試

試驗機的實際照片如圖5所示，其通過膨脹螺栓固定在地基上。在完成各系統(tǒng)安裝、液壓油循環(huán)清洗、控制器PID參數(shù)調(diào)整及分系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試之后，開始整機調(diào)試。

圖5 軸承試驗機Fig.5 Tester for bearing

根據(jù)對軸承強化壽命試驗機的理論研究和試驗測試，動態(tài)變載荷（循環(huán)加載、遞進(jìn)式加載、脈動加載等）加載方式更有利于激發(fā)缺陷破壞從而獲得軸承壽命［1］，但風(fēng)險也最高。故調(diào)試過程按照先輕載后重載、先手動定點加載后自動按譜加載、先軸承靜態(tài)加載后軸承旋轉(zhuǎn)加載的步驟逐步進(jìn)行。

靜態(tài)加載曲線及空載轉(zhuǎn)速變化曲線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出：試驗機滿足了加載力0～50 kN，加載力矩0～20 000 N·m，轉(zhuǎn)速0～800 r／min可調(diào)的技術(shù)指標(biāo)。

圖6 靜態(tài)加載曲線Fig.6 Static loading curves

圖7 空載轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Variation curve of rotational speed under no-load

自動加載曲線如圖8所示，從圖中可以看出：試驗機實現(xiàn)了掃譜功能，被試軸承的轉(zhuǎn)速、合力、力矩能夠快速、穩(wěn)定地響應(yīng)給定值。

圖8 實際運行曲線Fig.8 Actual running curves

經(jīng)調(diào)試試驗驗證，試驗機各項性能均符合表1的技術(shù)要求，載荷加載精度高（誤差值ε≤5‰FS），不同狀態(tài)間的載荷轉(zhuǎn)換時間小于0.8 s。

5 結(jié)束語

直升機自動傾斜器大軸承試驗機可以模擬自動傾斜器大軸承在真實工作條件下承受的來自主旋翼的軸向力和彎矩載荷。與傳統(tǒng)的軸承試驗機相比，操作人員在遠(yuǎn)離試驗現(xiàn)場的測控間即可對電動機轉(zhuǎn)速、液壓加載狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)測，改善了工作環(huán)境。采用LabVIEW 開發(fā)的上位機軟件人機交互界面友好。試驗機的操作簡單，自動化程度高，運行穩(wěn)定，符合試驗技術(shù)的智能化和個性化的發(fā)展趨勢。