制動(dòng)力矩門限測(cè)試工藝問(wèn)題及優(yōu)化方法

王宏斌

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

012-019襟翼絲杠作動(dòng)器是某公司 為某飛機(jī)高升力系統(tǒng)研制的機(jī)械作動(dòng)部件，在裝配調(diào)試和驗(yàn)收時(shí)，產(chǎn)品主要性能參數(shù)之一的制動(dòng)門限值在檢查測(cè)試中波動(dòng)較大，極不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)如下：同一臺(tái)產(chǎn)品每次測(cè)試的值不一致且差異較大，這個(gè)差異已經(jīng)明顯超出了產(chǎn)品性能允許值的范圍。例如產(chǎn)品一個(gè)測(cè)試過(guò)程的4個(gè)值（正反方向各2次）有超大的，同時(shí)也有超小的，導(dǎo)致筆者不能判斷產(chǎn)品真實(shí)的制動(dòng)力矩，或誤認(rèn)為產(chǎn)品存在較大缺陷，因此造成調(diào)試人員無(wú)法進(jìn)行產(chǎn)品制動(dòng)門限值的調(diào)試。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品制動(dòng)門限值波動(dòng)大問(wèn)題、收集和分析數(shù)據(jù)、按規(guī)定交付產(chǎn)品是研究人員亟待解決的問(wèn)題，該文的研究為產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化、零組件質(zhì)量控制、調(diào)試檢測(cè)方法完善、試驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)等提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制動(dòng)過(guò)程分析

1.1 產(chǎn)品功能

012-019襟翼絲杠作動(dòng)器接收由PDU的功率作動(dòng)襟翼，包括當(dāng)輸入端輸入扭矩超出產(chǎn)品設(shè)定門限值時(shí)，產(chǎn)品上的力矩限制器實(shí)現(xiàn)力矩限制保護(hù)功能，即限制過(guò)大的輸出載荷，保護(hù)下吊式齒輪箱、滾珠絲杠副以及與作動(dòng)器輸出端連接的飛機(jī)結(jié)構(gòu)。力矩限制功能的指標(biāo)是在產(chǎn)品上調(diào)整設(shè)定其制動(dòng)力矩門限值，簡(jiǎn)稱制動(dòng)門限值。

1.2 工作原理

當(dāng)扭矩在工作范圍內(nèi)（即輸入端扭矩小于制動(dòng)門限值）時(shí)，在輸入扭矩作用下，輸入軸通過(guò)軸上花鍵將扭矩傳遞給輸入球道盤(pán)，在彈簧初始預(yù)壓力作用下，輸入球道盤(pán)通過(guò)鋼球帶動(dòng)輸出球道盤(pán)隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)零件上的花鍵，輸出球道盤(pán)將運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞至連接套、輸入錐齒輪，進(jìn)而向產(chǎn)品下一級(jí)組件傳遞扭矩[1]。

當(dāng)線系出現(xiàn)卡滯等故障時(shí)，產(chǎn)品輸出端停止運(yùn)動(dòng)，而PDU繼續(xù)向線系輸出扭矩，此時(shí)產(chǎn)品輸入軸扭矩不斷增大，導(dǎo)致球道盤(pán)上產(chǎn)生軸向力持續(xù)增加，軸向力最終克服彈簧預(yù)緊力，鋼球沿球道斜坡開(kāi)始爬坡，輸出球道盤(pán)產(chǎn)生軸向位移，使摩擦片壓緊而摩擦制動(dòng)，輸入軸制動(dòng)從而制動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)線系，對(duì)產(chǎn)品傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和線系起到保護(hù)作用。其工作結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 襟翼絲杠作動(dòng)器組成

2 原因分析及問(wèn)題定位

抽取部分產(chǎn)品進(jìn)行制動(dòng)門限等指標(biāo)的測(cè)試，積累檢測(cè)數(shù)據(jù)，尋找產(chǎn)品門限值變化規(guī)律，查找影響環(huán)節(jié)及要素，并分析問(wèn)題和驗(yàn)證改進(jìn)方案。這個(gè)階段中發(fā)現(xiàn)影響制動(dòng)門限值指標(biāo)的環(huán)節(jié)主要有產(chǎn)品自身因素、測(cè)試方法條件等因素、試驗(yàn)臺(tái)因素，并且這些因素具有關(guān)聯(lián)性，應(yīng)綜合考慮和分析。

2.1 原因分析

2.1.1 該產(chǎn)品制動(dòng)門限值指標(biāo)和測(cè)試的特點(diǎn)

公司產(chǎn)品型譜中，具備力矩限制功能的機(jī)械傳動(dòng)類產(chǎn)品較多且大多數(shù)有制動(dòng)門限值的性能指標(biāo)。某襟翼絲杠作動(dòng)器與公司現(xiàn)有的其他產(chǎn)品相比，在制動(dòng)門限值要求上有較為明顯的特點(diǎn)。1）某襟翼絲杠作動(dòng)器工作載荷較小。2）給定的制動(dòng)門限范圍很小，這樣意味著檢測(cè)制動(dòng)門限值需要較高等級(jí)的檢測(cè)系統(tǒng)精度和分辨率。3）產(chǎn)品測(cè)試制動(dòng)門限的狀態(tài)非產(chǎn)品的完整狀態(tài)。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的局限，按照產(chǎn)品測(cè)試程序要求，測(cè)試產(chǎn)品制動(dòng)門限時(shí)，需要將產(chǎn)品上的滾珠絲杠副拆下，在產(chǎn)品輸出端的耳軸上沿絲杠軸向施加拉力。即產(chǎn)品測(cè)試制動(dòng)門限的方式與產(chǎn)品實(shí)際工況不一致。

2.2 影響因素識(shí)別

2.2.1 規(guī)定的測(cè)試條件不妥

基本測(cè)試條件：①去掉絲杠副；②運(yùn)轉(zhuǎn)速度410rpm～450rpm；③輸出端施加額定轉(zhuǎn)矩；④加載速率未規(guī)定具體要求。從結(jié)構(gòu)原理分析看，產(chǎn)品包括或去掉絲杠副兩種狀況均可進(jìn)行制動(dòng)門限值的測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品力矩限制器組件不產(chǎn)生影響；從對(duì)比之前產(chǎn)品看，轉(zhuǎn)速和加載速率對(duì)產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的制動(dòng)點(diǎn)位置的影響比較明顯，轉(zhuǎn)速為主機(jī)參數(shù)不可變化。加載速率參數(shù)變化后，對(duì)產(chǎn)品制動(dòng)點(diǎn)位置和制動(dòng)點(diǎn)的扭矩產(chǎn)生影響。

2.2.2 判斷產(chǎn)品制動(dòng)的規(guī)則

根據(jù)制動(dòng)門限值的定義和產(chǎn)品工作原理，隨著產(chǎn)品輸出端逐級(jí)連續(xù)加載，產(chǎn)品輸入端的載荷在持續(xù)增大，當(dāng)載荷增大到某一值（通常是指輸入端扭矩值）時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部摩擦片摩擦制動(dòng)，這個(gè)值是產(chǎn)品的制動(dòng)門限值。試驗(yàn)臺(tái)為測(cè)試出制動(dòng)門限值，其測(cè)試系統(tǒng)按其采樣周期在加載運(yùn)動(dòng)中形成無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，繪制出產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的速度曲線和扭矩曲線。制動(dòng)試驗(yàn)完成后，調(diào)取采集的速度曲線和扭矩曲線，在速度曲線上尋找到速度明顯（或描述急劇）下降的點(diǎn)，筆者稱其為“速度拐點(diǎn)”，然后將這個(gè)“速度拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的輸入端扭矩值讀取為產(chǎn)品的制動(dòng)門限值。

速度曲線上這個(gè)“速度拐點(diǎn)”的位置定位就決定了對(duì)應(yīng)的扭矩曲線上的扭矩值大小。因此根據(jù)產(chǎn)品制動(dòng)門限值的定義，試驗(yàn)設(shè)施提供了產(chǎn)品整個(gè)測(cè)試過(guò)程參數(shù)，筆者需要制定在速度-扭矩曲線上讀取制動(dòng)門限值的細(xì)則方法，有了統(tǒng)一的具體細(xì)則，“速度拐點(diǎn)”的位置才能有唯一性[2]。否則，判斷“速度拐點(diǎn)”會(huì)出現(xiàn)多個(gè)結(jié)果，導(dǎo)致讀取的制動(dòng)門限結(jié)果值不一致，即表現(xiàn)為制動(dòng)門限值測(cè)試結(jié)果存在波動(dòng)。

2.2.3 測(cè)試時(shí)機(jī)的影響

產(chǎn)品裝配后首次測(cè)試門限值與之后測(cè)試的門限值差異明顯、首次測(cè)試全部偏大。根據(jù)產(chǎn)品力矩限制器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)品裝配后沒(méi)有經(jīng)過(guò)制動(dòng)磨合，產(chǎn)品制動(dòng)結(jié)構(gòu)部分的球道、彈簧、摩擦片等處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此現(xiàn)象在其他型號(hào)產(chǎn)品上反映不是很強(qiáng)烈，其原因是產(chǎn)品的應(yīng)許誤差比較寬，較小的應(yīng)許誤差有6N·m，偏大的應(yīng)許誤差法達(dá)20N·m，測(cè)試值稍微偏大不影響指標(biāo)，而該產(chǎn)品的應(yīng)許誤差僅有1.2N·m。全部產(chǎn)品在測(cè)試中，裝配完成后（或者分解后重新裝配后）首次測(cè)試制動(dòng)門限值均不同程度大于之后測(cè)試制動(dòng)門限值，因此，產(chǎn)品處于不穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)試門限是不合理的，被測(cè)試產(chǎn)品須在經(jīng)過(guò)制動(dòng)磨合之后進(jìn)行門限檢測(cè)。

2.2.4 測(cè)試系統(tǒng)誤差

如果將直接影響測(cè)試精度的傳感器因素排除在外，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)誤差主要包括試驗(yàn)臺(tái)自身傳動(dòng)鏈的精度、各聯(lián)軸器和連接軸安裝精度、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理誤差、采樣周期對(duì)測(cè)試值（曲線）的細(xì)分分辨誤差。這些誤差會(huì)決定制動(dòng)門限值的測(cè)試準(zhǔn)確度，但測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)測(cè)試結(jié)果的一致性影響較小[3]。

2.2.5 加載誤差大

雖然產(chǎn)品制動(dòng)門限值通常是產(chǎn)品輸入端的扭矩值，但產(chǎn)品輸出端加載的穩(wěn)定性會(huì)引起輸入端扭矩值的同向變化。通過(guò)加載曲線觀察加載過(guò)程存在一定程度波動(dòng)，加載波動(dòng)可能原因：①實(shí)際加載扭矩值變化波動(dòng)；②加載端扭矩曲線處理不妥造成波動(dòng)。該系統(tǒng)加載電機(jī)品質(zhì)和精度均不低于現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)，之后采用濾波，消除傳感器受干擾的雜波影響得到實(shí)際的加載曲線，曲線顯示較為光滑連續(xù)。

2.2.6 測(cè)試曲線顯示誤差

根據(jù)制動(dòng)門限值的定義：①速度曲線誤差會(huì)引起產(chǎn)品制動(dòng)點(diǎn)的判定的變化，即每次判定為產(chǎn)品制動(dòng)的點(diǎn)與實(shí)際的制動(dòng)點(diǎn)不同；②輸入扭矩曲線誤差能直接反應(yīng)出讀取的值不一致，在產(chǎn)品制動(dòng)點(diǎn)附近曲線存在波動(dòng)，導(dǎo)致每次測(cè)試出的產(chǎn)品制動(dòng)點(diǎn)的扭矩值變化較大。

綜上所述，造成產(chǎn)品制動(dòng)門限值波動(dòng)的影響因素有多種，每個(gè)影響環(huán)節(jié)和影響因素在產(chǎn)品調(diào)試、測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行了反復(fù)摸排和驗(yàn)證，一方面驗(yàn)證了問(wèn)題要素的影響及影響程度，另一方面確定改進(jìn)影響要素的方法和指標(biāo)。

3 改進(jìn)措施與測(cè)試驗(yàn)證

3.1 門限值指標(biāo)分析

制動(dòng)門限值的測(cè)試結(jié)果是產(chǎn)品制造、試驗(yàn)裝置及測(cè)試方式等多方面因素的綜合結(jié)果，將影響因素匯總歸類為4個(gè)部分：傳感器誤差+產(chǎn)品自身誤差+測(cè)試裝置系統(tǒng)誤差+其他。

前述襟翼絲杠作動(dòng)器產(chǎn)品制動(dòng)門限的特點(diǎn)說(shuō)明，當(dāng)前襟翼絲杠作動(dòng)器的指標(biāo)要求：均值約7N·m，允差范圍約為（1.25±0.625）N·m。誤差分析如下：①傳感器。量程30N·m、精度±0.2%（F·S），即誤差±0.06N·m；②產(chǎn)品自身。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理，按其名義值的3%，即誤差±0.21N·m；③測(cè)試裝置。參考測(cè)量設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，不大于允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m；④其他。產(chǎn)品對(duì)測(cè)試設(shè)備安裝、環(huán)境等影響，預(yù)估其為允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m。因此，在最保守的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品制動(dòng)門限值測(cè)試誤差達(dá)到±0.59N·m。

3.2 測(cè)試條件

防止產(chǎn)品異常擺動(dòng)、控制（降低）加載速率，產(chǎn)品去掉絲杠副后，在產(chǎn)品輸出端施加扭矩時(shí)，產(chǎn)品制動(dòng)時(shí)因瞬間的沖擊使產(chǎn)品左右擺動(dòng)。為保證產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試狀態(tài)的可靠，在產(chǎn)品連接耳片的兩側(cè)增加氟塑料墊片，盡量防止產(chǎn)品擺動(dòng)并起到緩沖作用。

產(chǎn)品加載速率的調(diào)整對(duì)扭矩曲線有明顯影響，加載速率降低后，加載穩(wěn)定性改善，同時(shí)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)曲線進(jìn)行了優(yōu)化改善，扭矩曲線顯示比較平緩。在產(chǎn)品制動(dòng)時(shí)曲線拐點(diǎn)的抖動(dòng)幅度降低，讀取拐點(diǎn)扭矩值的一致程度增高。

3.3 門限值定義、判斷規(guī)則的制定和驗(yàn)證

根據(jù)產(chǎn)品制動(dòng)門限值的定義和前章節(jié)分析的讀取規(guī)則方法，測(cè)試時(shí)必須能夠準(zhǔn)確給出速度下降點(diǎn)的判斷準(zhǔn)則，在借鑒其他產(chǎn)品判斷方法的基礎(chǔ)上，反復(fù)研究速度 - 扭矩曲線，首先維護(hù)產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)速度曲線的平穩(wěn)光滑（尤其是在產(chǎn)品制動(dòng)的點(diǎn)附近）。速度曲線穩(wěn)定后，擬定測(cè)試讀取制動(dòng)門限值的具體方法：在轉(zhuǎn)速曲線下降拐點(diǎn)處呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)，當(dāng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)速連續(xù)下降到0.4r/min時(shí)，讀取第一個(gè)速度下降0.4r/min前一點(diǎn)（速度拐點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的輸入端扭矩值，記為產(chǎn)品的制動(dòng)門限值[4]。幾輪測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，讀取制動(dòng)門限值方法完全可以達(dá)到唯一，不會(huì)出現(xiàn)速度拐點(diǎn)爭(zhēng)議和誤讀門限值，但門限值數(shù)據(jù)波動(dòng)程度仍然對(duì)指標(biāo)合格構(gòu)成威脅。繼續(xù)觀察分析原因，產(chǎn)品制動(dòng)的過(guò)程中，摩擦片開(kāi)始摩擦，同時(shí)輸入扭矩持續(xù)作用，使輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦片開(kāi)始摩擦至產(chǎn)品完全制動(dòng)，整個(gè)過(guò)程的扭矩會(huì)出現(xiàn)較大的跳動(dòng)。

根據(jù)制動(dòng)門限值的定義規(guī)則，筆者找到“速度拐點(diǎn)”，從微觀角度看就是產(chǎn)品開(kāi)始制動(dòng)的起點(diǎn)，因此繼續(xù)發(fā)掘研究速度變化點(diǎn)的規(guī)律，將速度下降0.4r/min的判斷起始點(diǎn)壓縮至0.3r/min、0.2r/min、0.1r/min等觀察和反復(fù)對(duì)比，0.2r/min判斷起始點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)即可辨認(rèn)產(chǎn)品制動(dòng)點(diǎn)，也能夠適應(yīng)當(dāng)前速度曲線采樣周期和精度。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和重復(fù)驗(yàn)證，當(dāng)前的測(cè)試讀取方法效果最優(yōu)。

3.4 測(cè)試時(shí)機(jī)、條件

產(chǎn)品中力矩限制器結(jié)構(gòu)部分初次裝配完成或分解后重新裝配完成，必須進(jìn)行產(chǎn)品制動(dòng)磨合，使裝配完成后產(chǎn)品處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。并規(guī)定制動(dòng)門限測(cè)試應(yīng)在產(chǎn)品裝配完成后經(jīng)過(guò)磨合方可進(jìn)行測(cè)試。

3.5 測(cè)試系統(tǒng)誤差

在出現(xiàn)制動(dòng)門限值波動(dòng)問(wèn)題后，試驗(yàn)臺(tái)承制單位重新調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)自身裝配精度，糾正試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的偏差。重新檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)軟件，并進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。盡最大努力消除試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)試的影響，同時(shí)給今后試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)制造提供經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)精度、幾何精度及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的指標(biāo)等應(yīng)與被測(cè)試對(duì)象性能指標(biāo)相適應(yīng)。

3.6 消除加載誤差干擾

在對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)和校準(zhǔn)同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)承制單位調(diào)整加載伺服電機(jī)性能及參數(shù)設(shè)置，確保加載精度符合試驗(yàn)要求。對(duì)加載（輸出端）扭矩曲線進(jìn)行濾波優(yōu)化，避免扭矩傳感器受到干擾。

3.7 優(yōu)化測(cè)試曲線

從前面章節(jié)關(guān)于制動(dòng)門限值定義及判斷規(guī)則可知，輸入端速度曲線和扭矩曲線的光滑連續(xù)和穩(wěn)定是準(zhǔn)確讀取制動(dòng)門限值的前提和關(guān)鍵。輸入端速度-扭矩曲線經(jīng)消除干擾和濾波優(yōu)化后，曲線狀態(tài)改善明顯，讓操作者比較清晰地捕捉到“速度拐點(diǎn)”，輸入端扭矩曲線在“速度拐點(diǎn)”附近區(qū)域的扭矩值變動(dòng)平緩，因此，測(cè)試值的變動(dòng)量較之前明顯減小。

4 改進(jìn)結(jié)果

在測(cè)試制動(dòng)門限值的過(guò)程中，針對(duì)波動(dòng)大的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測(cè)試方法與條件明確統(tǒng)一、試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試環(huán)節(jié)調(diào)整優(yōu)化、傳感器校準(zhǔn)等各方面驗(yàn)證后，進(jìn)行Q000003批次的驗(yàn)收測(cè)試，制動(dòng)門限值測(cè)試合格，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 Q000003批產(chǎn)品制動(dòng)門限值驗(yàn)收數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試環(huán)節(jié)的優(yōu)化完善，對(duì)產(chǎn)品制動(dòng)門限值測(cè)試條件和方法的細(xì)化，門限值測(cè)試波動(dòng)的程度大幅降低，從Q000003批次產(chǎn)品最終測(cè)試結(jié)果看能滿足要求。

通過(guò)該文對(duì)襟翼絲杠作動(dòng)器產(chǎn)品制動(dòng)門限值波動(dòng)問(wèn)題的研究，筆者對(duì)襟翼絲杠作動(dòng)器產(chǎn)品制動(dòng)門限驗(yàn)收有了較為通透的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)規(guī)則、測(cè)試方法基本得到固化，有效降低了門限值的波動(dòng)。同時(shí)通過(guò)該次工藝研究，也能夠發(fā)現(xiàn)之前同類型產(chǎn)品在調(diào)試和測(cè)試環(huán)節(jié)上存在的紕漏，可促進(jìn)具有力矩限制功能的同類型機(jī)械產(chǎn)品調(diào)試工藝的優(yōu)化改進(jìn)。