舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳華偉 ,王 辰 ,周天送 ,郭 嘉 ,楊舜博 ,張宏劍 ,蓋玉先

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)機(jī)械工程系,威海 264209)

1 引言

空氣舵廣泛應(yīng)用于各類(lèi)飛行器,通過(guò)舵面產(chǎn)生的氣動(dòng)力形成控制力和力矩,來(lái)保證飛行器對(duì)俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航這三軸的平衡與操縱[1-4]。舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種將舵機(jī)和舵面聯(lián)系起來(lái)的連接機(jī)構(gòu),其作用一方面是將舵機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為舵面的偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的操縱,另一方面是傳遞驅(qū)動(dòng)力矩或承載阻力矩。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)既是飛行器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

伺服作動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),理想隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出位移相對(duì)于輸入位移應(yīng)該在幅值和時(shí)域上沒(méi)有誤差,即輸出位移的幅值按照傳動(dòng)比沒(méi)有增減,更沒(méi)有時(shí)域滯后。但實(shí)際上,由于伺服作動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中輸出速度、慣性載荷、間隙和摩擦等因素的影響,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在幅值與時(shí)間上的誤差。幅值誤差體現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置準(zhǔn)確度,而時(shí)間誤差體現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟隨性[5]。

為了在產(chǎn)品生產(chǎn)前即可方便驗(yàn)證并改進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在幅值和時(shí)域上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)的影響,提出一種試驗(yàn)系統(tǒng),方便對(duì)舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行摸底,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

2 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)方法

2.1 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)基本原理

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括四大部分,一是由軸承座、軸承、舵軸、剪切銷(xiāo)和擺臂組成的舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),二是由球鉸、安裝座和直線伺服作動(dòng)器組成的驅(qū)動(dòng)部件,三是由慣量調(diào)節(jié)板、板簧和板簧調(diào)整座組成的載荷施加部件,四是由輸入角位移傳感器、輸出角位移傳感器、力傳感器等組成的測(cè)量部件,如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

其中,驅(qū)動(dòng)部件作為動(dòng)力輸入,驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。載荷施加部件中的板簧可以提供扭矩,來(lái)模擬傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)受到的阻力矩,慣量調(diào)節(jié)板可以提供不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,來(lái)模擬不同類(lèi)型空氣舵的慣量負(fù)載。試驗(yàn)時(shí),在舵軸的兩端分別布置輸入角位移傳感器和輸出角位移傳感器,可分別測(cè)得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速等運(yùn)動(dòng)參數(shù),并與直線伺服作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行比較分析,便可得到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能。板簧固定端通過(guò)布置力傳感器,可以測(cè)得并計(jì)算板簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)扭矩。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

驅(qū)動(dòng)部件通過(guò)傳動(dòng)部件將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng),如圖2 所示。

圖2 舵軸傳動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of rudder shaft transmission

圖中,A點(diǎn)為舵軸旋轉(zhuǎn)中心,B點(diǎn)為直線伺服作動(dòng)器與舵軸擺臂鉸接中心,C點(diǎn)為舵軸擺動(dòng)的極限位置(直線作動(dòng)器伸出),D點(diǎn)為舵軸擺動(dòng)的另一極限位置(直線作動(dòng)器縮回),O點(diǎn)為直線伺服作動(dòng)器鉸鏈座中心位置,R為舵軸擺臂半徑,e為O點(diǎn)與A點(diǎn)的垂直距離,S0為O點(diǎn)與A點(diǎn)的水平距離,θ為舵軸擺角,初始狀態(tài)(圖示B點(diǎn)位置)為0,伸出時(shí)為正,ω為舵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍,v為直線伺服作動(dòng)器的伸出速度,s為電缸的伸縮量。

由直線伺服作動(dòng)器與舵軸之間的幾何關(guān)系,可得

對(duì)公式(2)兩側(cè)求導(dǎo)可得ω與v的關(guān)系為

2.3 板簧與慣量調(diào)節(jié)板計(jì)算

如圖3 所示,載荷施加部件可以通過(guò)調(diào)節(jié)慣量調(diào)節(jié)板施加不同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,模擬不同舵面的質(zhì)量特性,同時(shí)可以調(diào)節(jié)板簧調(diào)整座或者更換不同的板簧來(lái)提供不同的阻力矩,模擬傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中受到的負(fù)載力矩。試驗(yàn)前應(yīng)依據(jù)空氣舵的工況要求確定施加在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的試驗(yàn)扭矩和慣量載荷,并以此作為輸入計(jì)算板簧和慣量調(diào)節(jié)板的相關(guān)參數(shù)。

圖3 載荷施加部件示意圖Fig.3 Schematic diagram of load application components

為了模擬舵軸上的負(fù)載慣量,試驗(yàn)臺(tái)在舵軸末端安裝了慣量調(diào)節(jié)裝置,整體為圓盤(pán)狀,底層為安裝底板,在安裝底板外側(cè)設(shè)置了多層慣量調(diào)節(jié)板,慣量調(diào)節(jié)板為圓環(huán)形,通過(guò)螺栓與安裝底板連接,改變慣量調(diào)節(jié)板層數(shù),就可以方便的調(diào)節(jié)整個(gè)慣量調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。也可以依據(jù)實(shí)際需求定制不同外形尺寸與質(zhì)量的慣量調(diào)節(jié)板,來(lái)適應(yīng)更多不同的慣量需求。

板簧的主要作用是為舵軸提供負(fù)載力矩,模擬舵軸實(shí)際工況下的載荷。板簧結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形薄板,長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為L(zhǎng)、h和b。

板簧的幾何參數(shù)可由扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)所需產(chǎn)生的扭矩來(lái)確定。板簧一端固定,一端扭轉(zhuǎn)時(shí),扭矩與扭轉(zhuǎn)角度滿(mǎn)足

式中:n——板簧數(shù)量;β——與h/b比值有關(guān)的系數(shù);G——材料的剪切模量,Pa;TS——板簧產(chǎn)生的扭矩,N·m;φ——板簧扭轉(zhuǎn)角度。

產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時(shí),板簧的最大應(yīng)力τmax可由公式(6)計(jì)算確定,依據(jù)最大應(yīng)力可以選擇板簧所使用的材料。

式中:α——與h/b的比值有關(guān)的系數(shù)。

2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能與負(fù)載扭矩測(cè)量方法

試驗(yàn)過(guò)程中,舵軸的一端與負(fù)載扭矩和慣量載荷相連接,可視為舵軸的輸出端;另一端不與任何負(fù)載相連,與擺臂的相對(duì)位置保持恒定,可視為舵軸的輸入端。兩端分別布置了角位移傳感器,可以分別測(cè)得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入端與輸出端的角位移、角速度和角加速度,由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在配合間隙、材料變形等因素,會(huì)導(dǎo)致輸出端和輸入端的位置與速度偏差,在數(shù)據(jù)上則表現(xiàn)為幅值與時(shí)間上的誤差[6-9]。同時(shí)在直線伺服作動(dòng)器上布置了直線位移傳感器,可以測(cè)得直線伺服作動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)。將該參數(shù)和輸入、輸出端測(cè)得的參數(shù)比較分析,便可以得到整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能,以確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度和舵面操控準(zhǔn)確度。

在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)期間實(shí)時(shí)獲得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載扭矩(板簧扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩),對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的分析也非常重要。由于板簧幾何尺寸較大,且為薄板結(jié)構(gòu),使用常見(jiàn)的軸向安裝的力矩傳感器難以固定和安裝,因此采用如圖4 所示的力矩測(cè)量方法,在板簧固定端使用壓板固定板簧,壓板一端鉸接,另一端與力傳感器連接。

圖4 力矩測(cè)量方法示意圖Fig.4 Schematic diagram of torque measurement method

當(dāng)板簧扭轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)力傳感器測(cè)得的拉力或壓力便可以解算出板簧產(chǎn)生的扭矩為

3 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)包括操作顯示器、透明防護(hù)罩、直線伺服作動(dòng)器、底座(控制柜)、直線位移傳感器、角位移傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵軸工裝、慣量調(diào)節(jié)盤(pán)、板簧、板簧調(diào)整座等,如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 Schematic diagram of test system composition

3.2 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)步驟

舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)步驟如圖6 所示。依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌?可以進(jìn)行三種不同的試驗(yàn):一是位置特性測(cè)試,即考核傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)過(guò)程的傳動(dòng)準(zhǔn)確度,當(dāng)給定一個(gè)輸入時(shí),可以同時(shí)獲得輸入和輸出端的轉(zhuǎn)角,通過(guò)比較分析便可以判斷其是否滿(mǎn)足操控準(zhǔn)確度要求;二是頻率特性測(cè)試,即判斷傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)跟隨性能,得到其輸入、輸出數(shù)據(jù)在幅值和時(shí)間上的誤差;三是暫態(tài)(瞬態(tài))特性測(cè)試,即測(cè)試傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速啟動(dòng)瞬間的跟隨與位置特性。通過(guò)這幾種試驗(yàn)?zāi)Ｊ?便可以對(duì)舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究和測(cè)試。

圖6 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)步驟Fig.6 Test steps of dynamic characteristics

4 舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的功能和測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,基于舵軸試驗(yàn)樣品對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。分別開(kāi)展了位置特性測(cè)試、暫態(tài)特性測(cè)試和頻率特性測(cè)試。

4.1 位置特性測(cè)試試驗(yàn)

位置特性測(cè)試可以驗(yàn)證舵軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置準(zhǔn)確性。在測(cè)試中,將直線伺服作動(dòng)器的目標(biāo)位移值設(shè)置為±24 mm,根據(jù)舵軸試驗(yàn)樣品的幾何關(guān)系,通過(guò)計(jì)算得出此時(shí)舵軸的最大擺角為±20°。試驗(yàn)中舵軸上安裝了兩個(gè)角度傳感器,分別為輸入角度傳感器和輸出角度傳感器,如圖7 所示。

圖7 角位移傳感器位置示意Fig.7 Position diagram of angular displacement sensors

通過(guò)試驗(yàn)得到舵軸試驗(yàn)樣品的位置數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)如表1 所示。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出,試驗(yàn)結(jié)果與理論值接近,誤差在允許范圍之內(nèi)。

表1 位置特性測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Position characteristic test data

4.2 暫態(tài)特性測(cè)試試驗(yàn)

暫態(tài)試驗(yàn)中,直線伺服作動(dòng)器的最大位移值設(shè)置為±24 mm,直線伺服作動(dòng)器的速度設(shè)置為150 mm/s,進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn),得到試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。如表2所示,依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出,試驗(yàn)結(jié)果與理論值接近,誤差在允許范圍之內(nèi)。

表2 暫態(tài)特性測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Transient characteristic test data

4.3 頻率特性測(cè)試試驗(yàn)

頻率特性試驗(yàn)是測(cè)量舵軸在小幅往復(fù)擺動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)中,使直線伺服作動(dòng)器做掃頻正弦運(yùn)動(dòng)。舵軸擺角為±1°,對(duì)應(yīng)直線伺服作動(dòng)器位移伸縮值為±1.3 mm,直線伺服作動(dòng)器掃頻正弦運(yùn)動(dòng)起始頻率為1 Hz,終止頻率為20 Hz,掃頻頻率個(gè)數(shù)為10 個(gè)(1～20 Hz 均分成10 種頻率)。每種頻率下運(yùn)動(dòng)5 個(gè)周期,分析舵軸在不同頻率的擺動(dòng)下的幅值以及相位特性。

以不同銷(xiāo)軸連接間隙的對(duì)比試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8 和圖9 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,連接銷(xiāo)軸間隙越大,其幅值超調(diào)越大,但對(duì)相位的影響不大。與實(shí)際特性吻合,證明了試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖8 不同配合間隙下的幅值Fig.8 Amplitude of different fit clearance

圖9 不同配合間隙下的相位Fig.9 Phase of different fit clearance

通過(guò)測(cè)試試驗(yàn),可以看出測(cè)量結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi),測(cè)試得到的相關(guān)特性與實(shí)際情況一致,證明了試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理可行,測(cè)試準(zhǔn)確度能滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和動(dòng)態(tài)性能對(duì)于空氣舵的影響,提出了一種動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)方法,介紹了試驗(yàn)方法的基本原理和相關(guān)計(jì)算,最后設(shè)計(jì)了舵類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的組成以及試驗(yàn)的操作方法與步驟,并通過(guò)測(cè)試試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。