飛機液壓導管及連接件彎曲疲勞試驗臺的研制

趙孟文，樊澤明，雷登峰

（1.西安航空學院 航空工程系，陜西 西安 710077；2.西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710072；3.西安航空學院 電氣學院，陜西 西安 710077）

1 引言

飛機包含了很多的液壓系統(tǒng)，在飛機的研制過程中，液壓導管及連接件的彎曲疲勞壽命的長短直接影響到整個飛機的安全，這也是航空領(lǐng)域非常關(guān)注的一個問題。針對目前我國液壓導管彎曲疲勞試驗臺加載標定手段落后、試驗效率、自動化、智能化水平較低、無法實現(xiàn)過程監(jiān)控等情況，我們使用應力分析法研究、計算了飛機液壓導管及其連接件的彎曲疲勞參數(shù)，根據(jù)傳統(tǒng)彎曲疲勞壽命試驗原理，應用國內(nèi)外測控的先進技術(shù)，結(jié)合HB6442－1990中描述的液壓導管及連接件的彎曲疲勞壽命試驗的基本方法，為某研究所設(shè)計了一套自動化程度非常高的彎曲疲勞試驗系統(tǒng)。

2 試驗系統(tǒng)的組成及總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)能同時對6個帶內(nèi)壓的試件進行彎曲疲勞壽命試驗。液壓系統(tǒng)給試件充壓并能在試驗中保持靜態(tài)工作壓力；試驗臺即平面簡支梁彎曲試驗臺，包括一個振動臺，一套能使試件實現(xiàn)簡支的夾具、一套力加載裝置；電氣控制部分用于電氣控制，包括電氣控制柜、電機控制柜和振動臺控制柜；電氣控制柜可對數(shù)據(jù)進行采集、存儲、顯示及報警，如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

液壓原理圖如圖2所示：

液壓油源的額定壓力為21MPa，減壓裝置輸出0.5－21MPa，壓力精度為0.1MPa。需要檢測并傳輸給電氣控制柜的模擬量信號包括：泵源出口壓力、試件管內(nèi)壓力；開關(guān)量信號包括：油濾報警信號。來自電氣控制柜的模擬控制信號包括：溢流閥調(diào)節(jié)；開關(guān)量信號包括：卸荷閥開關(guān)，電磁球閥開關(guān)。

圖2 液壓原理圖

平面簡支梁彎曲試驗臺，包括一個振動臺，一套能使試件實現(xiàn)簡支的夾具，一套力加載裝置。夾具包括1套通用夾具，可安裝6個試件，7套夾具附件，根據(jù)試件的不同更換夾具附件，以適應不同的被試件的安裝。試件對稱地分布在試件夾具上，將試驗夾具剛性地固定在振動臺上，如圖3所示。

圖3 彎曲疲勞試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

每個試件都貼有2個應變片，用于檢測應力。應變片測得的應力信號傳送到電氣控制柜的調(diào)理放大版。

2.2 試驗試件振動參數(shù)的計算

振動臺振動要使得試件產(chǎn)生的組合應力Sf達到導管及連接件彎曲強度設(shè)計要求，取Sf＝σb／4。當試件內(nèi)沒有引入系統(tǒng)壓力P時，試件在振動時作加速垂直平移運動。受力簡圖如圖4所示。

試件所受的應力可通過如下公式計算得到。

圖4 試件受力簡圖

其中，M為試件橫截面上的彎矩，W 為抗彎截面系數(shù)。

其中，q為均布載荷的集度

其中，γ為單位體積的重量，A為試件橫截面積

b很小，可取0，則

當加速度達到最大時，σd要能達到σb／4。振動臺振動曲線可近似為正弦曲線

對于周期為T的振動

由技術(shù)協(xié)議可知，T為100Hz，材料0Cr18Ni9最大16×1.25（外徑×壁厚），抗拉強度σb＞520MPa，密度ρ＝7.93×103kg／m3；材料5A02最大33×1.5（外徑×壁厚），抗拉強度σb＞170MPa，密度ρ＝2.7×103kg／m3。

綜上，可計算得出對于以上兩種材料的試件振動幅值k分別為4.3mm和4.2mm。

2.3 測控系統(tǒng)的設(shè)計

測控系統(tǒng)采用工控機加板卡控制結(jié)構(gòu)，包括電氣控制柜、振動臺控制柜和電機控制柜。主要完成：常規(guī)電氣控制泵的啟動與停止；液壓系統(tǒng)油液壓力的調(diào)節(jié)；通過工控機及AD采集卡對泵出口壓力、管內(nèi)壓力的采集、存儲、顯示；油濾、液位、油液壓力超限、油液溫度超限等報警的提示；卸荷閥、電磁閥的控制；通過工控機及AD采集卡對應力信號的處理、采集、分析計算、存儲、顯示。計算機通過采集液壓系統(tǒng)壓力與輸出給溢流閥信號進行綜合實現(xiàn)閉環(huán)控制。計算機對壓力、應力信號進行采集、顯示、存儲。各個信號及控制如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)圖

圖6 軟件主界面

圖7為歷史數(shù)據(jù)瀏覽界面。

圖7 歷史數(shù)據(jù)瀏覽界面

測控系統(tǒng)的計算機軟件的運行環(huán)境為Windows圖形視窗操作系統(tǒng)。加載控制系統(tǒng)的軟件用美國NI（National Instrument）公司的工業(yè)控制軟件專業(yè)開發(fā)平臺LabWindows CVI9.0（C for Virtual Instrumentation，C語言虛擬儀器編程）。具有界面簡潔、友好，較好地模擬了工業(yè)控制儀器及環(huán)境。控制軟件功能包括：GUI界面的人機對話接口，界面友好，包括可顯示設(shè)定指令的曲線和回采信號的實時曲線及數(shù)字實時刷新顯示監(jiān)測信號等；有典型試驗入口；試驗進程的監(jiān)測及報警；控制參數(shù)的設(shè)置；標準信號譜（運動譜和載荷譜）、自定義載荷譜設(shè)置；系統(tǒng)輸出輸入通道的自檢；試驗數(shù)據(jù)的保存、處理、曲線回放、報表打印等，如圖6所示。

圖8為傳感器標定界面。

圖8 傳感器標定界面

3 結(jié)語

飛機液壓導管及連接件彎曲疲勞壽命試驗臺的研制借鑒了國內(nèi)外的先進技術(shù)及經(jīng)驗，結(jié)合本試驗的特點和要求，成功地達到了研制要求。設(shè)備的試驗效率、自動化、智能化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試方便，人機互動良好，為同類產(chǎn)品的設(shè)計起到了一個引領(lǐng)作用。

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