飛機試車鋼索拉伸試驗技術(shù)研究

黃玥蕾,劉慶杰,許 飛

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,四川 成都 610092)

1 引 言

鋼索是工程中應(yīng)用比較廣泛的一種撓性構(gòu)件,具有強度高、自重輕、彈性好、工作平穩(wěn)可靠、承受動載和過載能力強以及在高速工作條件下運行和卷繞無噪聲等優(yōu)點,在航空、建筑、交通、旅游等國民經(jīng)濟主要領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

發(fā)動機進行地面試車試驗時,尾噴口具有偏轉(zhuǎn)特性。當尾噴管發(fā)生偏轉(zhuǎn)時,飛機會承受其產(chǎn)生的側(cè)向力、軸向力和偏轉(zhuǎn)力矩。當這些力及力矩超過飛機起落架能夠承受的最大值時,飛機就會發(fā)生俯仰、滾轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。為避免產(chǎn)生這些現(xiàn)象時危及飛機和現(xiàn)場試驗人員,需要在試驗中配備安全保障措施,用未進行預(yù)緊鋼索的一端連接在地面的系留樁上,另一端與飛機的作用點連接,將飛機與地面進行連接并固定,防止飛機試車時發(fā)生抬頭、偏轉(zhuǎn)和側(cè)向位移等現(xiàn)象。

鋼索在使用過程中會發(fā)生疲勞、腐蝕、磨損甚至斷裂等現(xiàn)象[5-7],可能帶來嚴重的后果,因此,使鋼索的抗拉強度符合使用要求變得尤為重要。在使用前對鋼索進行拉伸試驗,能夠判斷鋼索的抗拉強度是否滿足要求,從而避免事故發(fā)生。鋼索在使用一定時間后,因承受多次拉向載荷,可能導(dǎo)致其抗拉強度降低。同時,由于儲存時間過長,在空氣濕度較高的情況下鋼索可能會產(chǎn)生銹蝕[8-10],需要再次對鋼索進行拉伸試驗,對其抗拉強度進行驗證。

2 影響試驗件安全的控制參數(shù)

進行鋼索拉伸試驗的試驗裝置主要由協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)及載荷傳力裝置、反饋裝置構(gòu)成,試驗現(xiàn)場示意見圖1。試驗件受力情況形成一個負反饋來保證加載的精度,從而對試驗進程進行控制。鋼索拉伸試驗控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 試驗現(xiàn)場示意圖

圖2 鋼索拉伸試驗控制系統(tǒng)框圖

鋼索拉伸試驗的試驗步驟主要包括硬件連接、系統(tǒng)資源配置、控制通道配置、試驗參數(shù)配置以及試驗調(diào)試,上述步驟正確無誤后可進行正式試驗。鋼索拉伸試驗的流程如圖3所示。

圖3 試驗流程圖

在鋼索拉伸試驗中,需要考慮兩個因素,即載荷大小及載荷施加方向。試驗開始前會由設(shè)計人員依據(jù)設(shè)計要求給出具體的加載任務(wù)。在加載控制環(huán)節(jié)中,試驗人員需依據(jù)加載任務(wù)書編制對應(yīng)的載荷譜,并配置相應(yīng)的控制參數(shù),以保證試驗的正常開展。試驗配置過程流程圖如圖4所示。

圖4 試驗配置過程流程圖

2.1 力傳感器

力傳感器作為試驗過程中的力感知元件,負責(zé)將鋼索受力大小反饋給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)判斷鋼索的實際受力是否達到目標值。如果力不夠,繼續(xù)施加加載命令;如果力超過目標值,施加減載命令;如果結(jié)果相等,則停止繼續(xù)施加命令。

力傳感器的轉(zhuǎn)換公式為:

(1)

式中,V實時為實時電壓值;V滿量程為滿量程電壓值;F實時為實時力值;F滿量程為滿量程力值。

V滿量程=SE

(2)

式中,S為靈敏度;E為激勵電壓。

由式(1)、式(2)可推導(dǎo)出:

(3)

由以上公式可見,力傳感器影響試驗件安全的因素有靈敏度系數(shù)、量程及極性。靈敏度系數(shù)決定受力值大小的準確,力傳感器極性則決定試驗件受力的方向,力傳感器的量程影響反饋數(shù)據(jù)的精度。在控制系統(tǒng)中,力傳感器的量程輸入錯誤則可能導(dǎo)致載荷輸出錯誤,且產(chǎn)生的誤差值可能極大,導(dǎo)致試驗件破壞。試驗配置過程中力傳感器的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 力傳感器參數(shù)設(shè)置界面

2.2 電液伺服閥

電液伺服閥具有響應(yīng)速度快、輸出功率大以及控制精確度高的優(yōu)點,用于電液伺服系統(tǒng)的位置、速度、加速度和力的控制,能將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓輸出,通過液壓執(zhí)行機構(gòu)即液壓作動筒來實現(xiàn)機械設(shè)備的自動化控制,是電液伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

電液伺服閥接收來自控制系統(tǒng)的指令信號,按一定比例將電流信號轉(zhuǎn)變成液壓作動筒油缸量,推動作動筒油缸運動。電液伺服閥的極性決定閥接受指令后的開合方向,即液壓作動筒油缸的運動方向,從而決定施加在試驗件上力的方向。改變閥的極性,即改變了試驗件的受力方向。液壓回路原理如圖6所示。

圖6 液壓回路原理圖

拉伸試驗的兩個關(guān)鍵因素為載荷大小及載荷方向。為保證試驗的安全進行,需要保證液壓作動筒施加載荷的大小和方向滿足試驗的要求。若電液伺服閥的極性設(shè)置不當,將直接造成實際載荷施加的方向與預(yù)期載荷方向相反,導(dǎo)致試驗件損傷,嚴重時可能造成試驗現(xiàn)場的人員傷亡。試驗配置過程中電液伺服閥的極性配置界面見圖7。

圖7 電液伺服閥極性配置界面

2.3 載荷譜的編制

載荷譜的編制包括創(chuàng)建試驗控制加載載荷表Load Tables、選取Load Tables表、設(shè)置相應(yīng)參數(shù)、創(chuàng)建試驗載荷譜段Profiles、選取不同的Profiles組合、創(chuàng)建試驗過程Procedure。載荷譜的編制,需要在加載載荷表Load Tables的100% lever中輸入正確的載荷,保證加載值與目標一致;且需要在載荷譜段Profiles中設(shè)置合適的加載時間和保載時間,因加載過快或過慢都可能導(dǎo)致試驗件的損傷。

3 參量正確設(shè)置的保證策略

3.1 極限載荷的設(shè)置及載荷譜的檢查校對

完成載荷譜的編制后,需反復(fù)檢查載荷輸入是否正確,嚴格執(zhí)行雙人雙崗檢查機制,確保輸入?yún)?shù)無誤。完成載荷譜編制后,在確保油源關(guān)閉的情況下進行載荷譜的空跑,對試驗加載時間和保載時間進行確認。

3.2 力傳感器量程及極性的檢查方法

傳感器參數(shù)設(shè)置完畢后,除進行常規(guī)的雙人雙崗檢查外,還應(yīng)采用人員拉或壓傳感器,觀察傳感器信號極性。如果條件允許,可選擇已知重量的物體施加于傳感器上,檢查傳感器靈敏度設(shè)置是否正確。

3.3 電液伺服閥極性的檢查方法

電液伺服閥的極性表現(xiàn)為協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)輸出信號后液壓作動筒運動的方向,通常規(guī)定輸出正值液壓作動筒收縮,輸出負值液壓作動筒打出。由于使用場景不同,可以對電液伺服閥的極性做出修改,因此在試驗前需要對電液伺服閥的極性進行檢查。未連接試驗件的情況下,在協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中輸出一定值,當液壓作動筒按照目標方向移動,則證明電液伺服閥的極性正確。

3.4 PID參數(shù)的設(shè)置方法

力傳感器信號和伺服閥輸出信號形成閉環(huán),通過控制回路的PIDF參數(shù)進行控制。PID控制回路如圖8所示。

圖8 PID控制回路

比例增益(P Gain):比例增益能夠直接影響伺服閥開度的系數(shù),其大小直接影響系統(tǒng)控制的精度。提高比例增益能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,但比例增益過高會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,比例增益過低則可能導(dǎo)致反饋的滯后,故一般在任何情況下都不為0。比例增益設(shè)置值的影響如圖9所示。

圖9 比例增益設(shè)置值的影響

積分增益(I Gain):對誤差信號進行積分逐漸地影響系統(tǒng)的低頻響應(yīng)。積分增益的大小可以決定達到控制精度要求所需時間的長短,提高積分增益可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,但是積分增益過高會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,積分增益過低則可能出現(xiàn)反饋無法跟上命令導(dǎo)致誤差較大的情況。通常在力傳感器開始受力之后再添加積分增益。積分增益值的影響如圖10所示。

圖10 積分增益值的影響

鋼索拉伸試驗為單通道加載,通常只需要進行比例增益和積分增益的設(shè)置,保證反饋信號與命令跟隨性良好,實現(xiàn)平滑、穩(wěn)定加載,避免出現(xiàn)反饋過沖導(dǎo)致試驗件損傷。

PID控制參數(shù)整定有很多種方法,比如試湊法、極點配置法、響應(yīng)曲線法,試驗中一般采用試湊法。在參數(shù)調(diào)定過程中,先確定P參數(shù),當參數(shù)P調(diào)節(jié)到可以使系統(tǒng)比較穩(wěn)定,且能夠在一定程度上達到控制要求時,可以將P在20%的范圍內(nèi)進行變動,調(diào)節(jié)參數(shù)I,參數(shù)調(diào)節(jié)可以由小變大進行調(diào)節(jié),最終達到比較好的控制效果。參數(shù)調(diào)試界面如圖11所示。

圖11 PID參數(shù)調(diào)試界面

3.5 誤差控制策略

踏步誤差:踏步是一種針對單個通道的多通道試驗補償技術(shù),可以調(diào)節(jié)試驗的整體進程,確保所有通道在統(tǒng)一的速率下實現(xiàn)加載操作。單通道加載時,不需要進行踏步誤差的設(shè)置。

LIMIT誤差帶限位:LIMIT設(shè)置系統(tǒng)各加載點的限位值,這組數(shù)據(jù)在系統(tǒng)加載過程中起保護作用。在加載過程中,系統(tǒng)一旦檢測到載荷超出此限位,則作為超限故障判斷。各加載點的限位值=(各點的最大載荷+扣重值)×110%。為避免出現(xiàn)反向加載的問題,也需要在LIMIT誤差帶限位界面中設(shè)置反向限位,避免因為電液伺服閥或力傳感器極性設(shè)置錯誤出現(xiàn)反向加載的情況,導(dǎo)致鋼索的斷裂;初始加載時反饋值波動較大,可能超過反向限位值,故反向限位值不宜設(shè)置得過小。LIMIT誤差帶限位如圖12所示。

圖12 LIMIT誤差帶限位圖

內(nèi)外誤差控制:對控制通道設(shè)置內(nèi)外誤差兩級誤差控制模式,超限觸發(fā)保持或卸載指令等保護動作。通常情況下,內(nèi)誤差設(shè)置為傳感器量程的1%,保護動作設(shè)置為保持;外誤差設(shè)置為傳感器量程的3%,保護動作設(shè)置為卸載。誤差控制如圖13所示。

圖13 誤差控制圖

4 結(jié)束語

鋼索拉伸試驗通過協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)來實現(xiàn)載荷的施加,通過試驗參數(shù)的輸入來確定載荷執(zhí)行機構(gòu)即液壓作動筒的運動。在試驗過程中,存在諸多影響試驗安全的因素,因此需要特別注意液壓伺服閥的極性、力傳感器的量程和極性、PID參數(shù)及誤差和限位保護的設(shè)置。在完成參數(shù)設(shè)置后,需要再對參數(shù)設(shè)置保護,并執(zhí)行雙人雙崗檢查機制,通過與現(xiàn)場配合進行調(diào)試,保證參數(shù)的正確。試驗時,鋼索能夠平穩(wěn)地加載至規(guī)定的試驗載荷,保持到規(guī)定的時間,再平穩(wěn)地卸載到0,期間無異響產(chǎn)生。以上方法能夠保證鋼索拉伸試驗的安全實施,并可推廣應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)強度試驗。