直升機自動傾斜器立式專用軸承試驗機的研制

王媛媛，馬峰濤，劉文勝，郭亮，張彥勇

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；4.恩梯恩LYC（洛陽）精密軸承有限公司，河南 洛陽 471000）

自動傾斜器由不動環(huán)和動環(huán)這2個主要零件組成。不動環(huán)安裝在旋翼軸上，能夠向任意方向傾斜，也能垂直移動；動環(huán)通過大軸承安裝在不動環(huán)上，能夠同旋翼軸一起旋轉。自動傾斜器大軸承是直升機自動傾斜器系統的關鍵部件，其功能為：1）將來自操縱系統的操縱運動傳遞給旋翼系統；2）將不旋轉的操縱系統和旋轉的旋翼系統隔離。

自動傾斜器大軸承的性能直接影響直升機的操縱性能，其使用壽命則關系著直升機的維修周期，軸承的任何零件失效都可能導致操縱系統發(fā)生故障，從而影響直升機的安全，因此，為了對自動傾斜器大軸承進行充分的性能試驗和壽命評估，研制了專用的試驗機。

1 試驗機的主要組成

如圖1所示，自動傾斜器立式專用軸承試驗機主要由機械安裝系統、動力拖動系統、液壓加載系統、數據采集和電氣控制系統4部分組成。

圖1 試驗機結構框圖Fig.1 Structure block diagram of tester

2 機械安裝系統

如圖2所示，試驗軸承的安裝系統主要由動環(huán)、不動環(huán)、加載桿、防轉桿、大螺母和錐形環(huán)等組成。動環(huán)與不動環(huán)之間的試驗軸承為一對背靠背的角接觸球軸承。

圖2 試驗軸承安裝系統示意圖Fig.2 Diagram of installation system for test bearing

動環(huán)通過錐形環(huán)和大螺母與傳動系統主軸相連傳遞彎矩，動環(huán)的內花鍵與主軸的外花鍵嚙合傳遞扭矩；加載桿與不動環(huán)通過螺栓固接；防轉桿的功能是防止不動環(huán)被動環(huán)帶動，同時不影響加載；動環(huán)上設置有5個注油嘴，用于試驗軸承的潤滑。此模塊設計完全參照軸承的實際裝機情況，確保配合性質和潤滑形式與實際工況一致。此結構還要為試驗軸承的旋轉驅動及加載提供接口，同時提供溫度、振動傳感器等測試設備的安裝平臺，并可根據軸承內外徑尺寸的不同更換加載油缸和支承盤。

傳動系統主要由傳動軸、軸承套筒、上下軸承蓋、2套深溝球軸承、2套圓錐滾子軸承及柔性聯軸器等組成（圖2）。軸承套筒通過凸緣與臺架相連，傳動軸通過2組軸承支承在軸承套筒內，其下端的2套圓錐滾子軸承主要承受雙向軸向力和部分徑向力，上端的2套深溝球軸承可沿軸向移動，只承受徑向力。傳動系統與電動機之間采用柔性聯軸節(jié)連接，既保證了振動隔離的要求，又保證試驗軸承的轉速穩(wěn)定。傳動軸采用脂潤滑的深溝球軸承和圓錐滾子軸承作為支承，方便使用維護。

如圖3所示，臺架采用型材焊接整體框架，是試驗機其他相關系統的安裝平臺，整個試驗機通過膨脹栓與地基相連。試驗臺架一側設置有爬梯，用于人員對試驗件的檢查及維護。在試驗機的轉動部件周圍設置了6塊可拆卸防護網，用于保證試驗人員的安全。

圖3 試驗臺架總體結構簡圖Fig.3 Overall structure diagram of test bench

3 動力拖動系統

動力拖動系統主要作用是驅動試驗軸承，以模擬大軸承在主機上的轉動。動力拖動系統主要由電動機、變頻器以及遠程控制系統等組成。轉速命令由上位機經過OPC與PLC通信，再經PLC采用MODBUS協議與變頻器通信，實現上位機對數據的讀取和指令輸出功能，實現對電動機轉速、運行方向的控制以及加減速時間的調整。

4 液壓加載系統

對于被試軸承，不同的飛行狀態(tài)對應不同的載荷，每個飛行狀態(tài)包括一個軸向載荷Fa和一個傾覆力矩Mt，所有飛行狀態(tài)下試驗軸承的載荷和加載時間構成了試驗軸承的耐久性試驗載荷譜。對軸承施加的載荷由液壓加載系統完成。

液壓加載系統主要包括加載油缸、液壓泵站和控制系統，其以高壓油源作為動力，以液壓缸作為執(zhí)行機構，通過控制系統執(zhí)行閉環(huán)反饋進行調節(jié)?？梢愿鶕煌脑囼炤S承進行不同的加載，通過2個液壓缸的協調實現對試驗軸承的加載，加載原理如圖4所示，由圖可得

圖4 試驗機加載原理圖Fig.4 Loading schematic diagram of tester

5 數據采集及控制系統

數據采集系統主要通過上位機對整個試驗機的轉速及加載進行控制，另外還需對試驗軸承的振動及溫度進行測量及監(jiān)控。主要測量參數包括：4路振動傳感器、4路溫度傳感器、2路拉壓力傳感器。系統中各傳感器的激勵方式不同，如何在保證可靠性和結構緊湊性的基礎上，滿足上述不同類型的傳感器信號采集需求，是實現數據采集的關鍵。

5.1 溫度的采集及監(jiān)控

溫度屬于緩變量，采樣率不高，一般為1～2 Hz，因此溫度測量通過PLC的模擬量輸入模塊實現。PLC采用西門子S7-200系列的224XPCPU模塊和EM235模塊。224XP自身帶有2通道AI（模擬輸入）和1通道的AO（模擬輸出），而系統的溫度傳感器有4路，因此增加了EM235模塊，EM235模塊帶有4通道AI和2通道的AO，即整個PLC具備6通道的AI和3通道的AO。上位機通過專用的OPC軟件通信得到溫度傳感器的數值。

5.2 振動的采集及監(jiān)控

振動信號采集使用NI9234C系列動態(tài)信號采集模塊，該采集模塊具有4路同步采樣模擬輸入，±5 V輸入范圍；能針對配備NI CompactDAQ或NI CompactRIO系統的集成電路壓電式（IEPE）與非集成電路壓電式傳感器進行高精度音頻測量。NI9234具有102 dB的動態(tài)范圍，并能對加速度傳感器和麥克風進行軟件可選式集成電路壓電式信號調理。4條輸入通道借助自動調節(jié)采樣率的內置抗混疊濾波器，可同時以每通道高達51.2 kHz的速率對信號進行數字化處理。

為了與上位機通信，進行振動數據的傳輸，給NI9234采集模塊選配了NI cDAQ－9181單槽NI CompactDAQ以太網機箱。該機箱是專為小型或分布式傳感器測量系統設計的總線供電Compact-DAQ以太網機箱。機箱可控制C系列I／O模塊與外部主機之間的定時、同步和數據傳輸；可以搭配不同的C系列I／O模塊組合，實現模擬I／O、數字I／O和計數器／定時器的混合測量；具有4個32位通用計數器／定時器，計數器可通過所安裝的硬件定時數字C系列模塊進行訪問，適用于涉及正交編碼器、PWM、事件計數、脈沖序列生成和周期或頻率測量的應用。

5.3 加載系統的控制

試驗機的精準加載至關重要，因此選用RMC150E控制器進行載荷的控制。雖然RMC控制器在價格上并不占優(yōu)勢，但采用RMC控制器后對伺服驅動的功能要求大大降低，且其配套有支持LabVIEW的VI驅動，RMCtools的易用性使得編程時間大大縮短。RMC控制器使用以太網方式，調試方便。

上位機通過以太網向RMC控制器發(fā)送力和彎矩指令，在RMC控制器內完成斜坡信號生成和PID運算后輸出－10～10 V的電壓信號指令，電壓信號經伺服放大器轉換成－20～20 mA電流信號來控制伺服閥的開度，從而控制油缸輸出力，實際輸出力經力傳感器采集后反饋到RMC控制器，再通過以太網反饋到工控機中并在上位機界面中顯示。加載系統和采集系統如圖5所示。

圖5 加載系統和采集系統示意圖Fig.5 Diagram of loading system and acquisition system

6 試驗機顯示界面及數據記錄

測控系統采用NI系統作為上位機，LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，操作顯示界面如圖6所示。界面左側為控制區(qū)域，包括電動機啟?？刂?、泵站控制、手動運行模式和自動運行模式；右側為反饋顯示區(qū)域，包括指示燈（電動機就緒、電動機運行、泵站啟動、泵站高壓、液壓鎖、泵站應急等），軸向載荷和彎矩的實時曲線，電動機轉速、電壓、電流；試驗軸承和支承軸承的溫度、振動，以及泵站的壓力和溫度等。

圖6 試驗機的顯示界面Fig.6 Display interface of tester

該試驗機可以獲取所需要的試驗數據，其記錄的一組試驗數據見表1。表中時間為該軸承已試驗的總時間，目標合力、目標力矩為載荷譜要求的給定值，實際合力和實際力矩為為試驗軸承承受的實時值，由表可知實際合力、實際力矩與給定要求的偏差很小。實際轉速為載荷譜要求軸承轉速的實時值，數據文件中同時記錄了試驗軸承和支承軸承的實時溫度及振動值。

表1 部分試驗數據Tab.1 Partial test data

7 結束語

直升機自動傾斜器立式專用軸承試驗機采用立式臺架結構設計，通過液壓加載系統和潤滑系統等的優(yōu)化設計，能夠較大程度的模擬自動傾斜器軸承在直升機上的工作環(huán)境；通過更換專用工裝，可以實現1.5～30 t直升機不同類型自動傾斜器大軸承的性能試驗和耐久性試驗。

測控系統采用NI系統作為上位機，LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，操作界面友好且易學易用，可以實現對溫度、振動、載荷等傳感器的監(jiān)測和數據采集記錄，通過對驅動電動機和比例閥的控制實現試驗軸承轉速及載荷的變化。

試驗機投入使用后，模擬了直升機自動傾斜器大軸承的實際使用狀態(tài)，所得試驗數據可為該類型軸承新產品的自主研發(fā)提供一定的理論支持。