飛機前輪轉彎機構壽命試驗測控系統設計

， ， ， ， 　(. 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院， 北京　009； 2. 蘭州理工大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州　730050)

引言

同飛機主起落架相比，前起落架除了完成收放動作外，在起飛和降落時的滑行階段其前輪還需要完成轉彎動作。對于大中型飛機，前輪轉彎動作通常都采用液壓作動方式實現，首先由伺服閥控制轉彎作動器作動，然后再通過齒輪齒條等機械裝置將作動器的直線運動轉換為旋轉運動，從而驅動前輪完成轉彎動作，轉彎作動器和齒輪齒條這一整套機構稱為轉彎機構。前起落架在被正式投入使用前， 需要對轉彎機構進行重復性的帶載轉彎試驗以測試其性能和壽命，從而為產品的后續設計優化提供相應測試數據和依據。因此設計功能豐富、測試準確、可靠穩定的專用壽命性能測試系統是十分必要和有意義的。本研究主要從液壓系統、加載系統和測控系統設計等方面介紹了整個試驗測試系統設計過程。

1　試驗要求

為了能夠準確測試轉彎機構的壽命和性能，試驗中需要滿足以下要求：

(1) 轉彎角度控制精度 在試驗中需要模擬75°、40°、10°三種轉彎極限角情況下的受載轉彎情形，因此對轉彎角度有一定的控制精度要求，本試驗角度控制精度為±1°；

(2) 轉彎速度 要求轉彎速度可調，平均轉彎速度不超過15°/s；

(3) 加載精度 為了模擬實際當中轉彎機構轉軸以及機輪與地面的摩擦力，在機輪轉彎過程中要求能夠對轉彎作動機構施加一定精度的負載。在75°、40°、10°三種轉彎角度下，對應的加載扭矩分別為6000 N·m、3000 N·m和1500 N·m，加載精度為±5%；

(4) 油液溫度 為了模擬飛機在正常和極端惡劣環境下的轉彎情形，對進入轉彎作動機構的液壓油液溫度有常溫、高溫和低溫三種工況要求，常溫(35±10)℃，高溫(90±10)℃，低溫(-50±10)℃；

(5) 數據曲線記錄與保存 要求對試驗中的關鍵參數進行保存，如油液的溫度、加載扭矩、轉彎速度、轉彎角度等；對被測產品新能夠進行存儲管理；能夠對角度-加載扭矩、角度-轉彎壓差等曲線實時顯示和保存。

2　液壓原理設計

根據試驗要求，整個系統的液壓部分主要包括常高溫試驗油源、低溫試驗油源和加載系統三部分。

2.1　油源系統

常溫和高溫試驗共用一個油源，低溫試驗單獨使用一個油源，其液壓原理圖如圖1所示。常、高溫油源由排量為16 mL/r的柱塞泵60和61為系統供油，兩者互為備用，其中柱塞泵60由功率為18 kW的變頻電機66驅動，通過變頻器調速來調節泵60的輸出流量，而泵61由電動機67驅動，電動機67為功率為18 kW 的定轉速普通三相交流異步電機，考慮到其功率較大，因此為其配備了一臺軟啟動器。兩臺泵的輸出壓力分別由溢流閥17和18調節，壓力傳感器13用來采集系統壓力。為了穩定系統壓力，在兩臺泵的出口均設置了蓄能器7和8。高壓油路和回油路分別設置了過濾器46、47和48，80為加熱器保證高溫試驗時的油液溫度滿足試驗要求。

1～3.比例換向閥　4～6.壓力補償器　7、8.蓄能器　9～12.壓力表　13～16.壓力傳感器　17～20.溢流閥　21～45.手動球閥 46～51.過濾器　52～59.單向閥　60～63.柱塞泵　64、65.齒輪泵　66、67.變頻電機　68～71.三相交流異步電機　72、73.溫度計 74、75.液位發訊器　76、77.排污閥　78、79.液位計　80.加熱裝置　81.冷卻裝置　82、83.溫度傳感器　84、85.油箱　86.單向過濾器

比例換向閥1、2用來控制轉彎作動器的轉彎方向和轉彎速度，每1個換向閥各自配備了1個壓力補償器4、5，該壓力補償器由1個減壓閥和梭閥組成，用來保證比例換向閥的進出口壓差為恒值，從而增加轉彎速度調節剛度。壓力傳感器15和16用來采集轉彎作動器的兩腔壓力，溫度傳感器82和83采集轉彎作動器進出油路的溫度，單向過濾器86保證進入轉彎作動器的油液清潔度。低溫油源原理同常、高溫油源基本相同，唯一不同的是由于低溫時油液黏度較大，造成柱塞泵62、63吸油不足，為此增加了2臺排量為25 mL/r的齒輪泵64和65以增強吸油能力，67和70為2臺柱塞泵的驅動電機，其中67為18 kW變頻電機，70為18 kW 定轉速異步電機，69和71為兩臺齒輪泵的驅動電機，功率為7.5 kW，需要注意的是四臺泵的驅動電機在啟停時有相應的順序要求。

2.2　加載系統

加載系統使整個試驗的關鍵，包括加載方式的設計和加載精度的保證。目前就加載方式來說，根據加載動力源的不同，可分為電液式加載和電動式加載兩種方式，電液加載適合于大載荷的場合，而電動加載則適合于小載荷的情形[1]。而根據加載原理的不同，通常可分為被動加載和主動加載，被動加載需要加載裝置在跟隨被加載件運動的同時施加載荷，雖然這種方式加載精度高，但往往需要高成本的伺服閥，且控制策略復雜，在加載過程中如果控制不當會產生較大的多余力[2]。而對于主動式加載，加載裝置無需被動的跟隨被加載件運動，被加載件驅動加載裝置運動時，可以利用摩擦阻尼原理主動產生阻性負載，非常適合于模擬阻性負載的場合。本試驗中要求在轉彎過程中需要施加一定大小的阻性摩擦扭矩，用來模擬轉軸以及機輪與地面的摩擦，所以非常適合使用主動式加載方式，在下文中詳細介紹了一種通過調節背壓實現主動式加載方法。

加載系統的液壓原理圖如圖2所示，轉彎作動器1為1個三腔液壓缸，無桿腔1.1和1.2分別為進油和回油腔，中間腔1.3為有桿腔，活塞桿為一齒條， 當作動器作動時通過齒條與轉軸上的齒輪嚙合將直線運動轉換為旋轉運動。轉軸通過聯軸器和用于加載的雙向齒輪齒條4連接，雙向齒條同2個單出桿加載缸5和6的活塞桿剛性連接。整個加載過程如下：首先通過圖1中的比例換向閥控制轉彎作動器的作動速度和方向，轉彎作動器通過轉軸驅動雙向齒輪齒條旋轉，其中轉彎角度通過拉線傳感器2檢測。當雙向齒條齒輪逆時針旋轉時，加載缸5和6的腔5.1和6.2連通且均受壓，壓力由比例溢流閥14設定，腔5.2和6.1連通且體積均增大，此時通過單向閥29由加載補油柱塞泵40進行補油。順時針時，腔5.2和6.1受壓，壓力由比例溢流閥13設定，腔5.1和6.2通過單向閥28補油。因此通過調節比例溢流閥13和14就可以控制腔5.1、6.2與腔5.2、6.1的壓力，進而也就控制了轉彎作動器的兩腔壓差，最終使轉彎作動器的所承受的負載扭矩滿足試驗的加載要求。

1.轉彎作動器　2.拉線傳感器　3.轉軸　4.雙向齒輪齒條　5、6.加載缸　7～9.壓力傳感器　10～12.壓力表　13、14.比例溢流閥15～17.溢流閥　18.蓄能器　19～27.手動球閥　28～31.單向閥　32、33.過濾器　34．先導式溢流閥　35.電磁卸荷閥 36.液位計　37.油冷器　38.液位發訊器　39.溫度計　40.變頻電機　41.柱塞泵　42.排污閥　43.油箱

3　測控系統設計

3.1　控制要求

測控系統的任務主要包括：

(1) 調節3個比例換向閥完成對轉彎作動器的速度控制，由于試驗對轉彎速度的控制精度要求不高，因此采用開環控制；

(2) 通過拉線傳感器檢測轉彎角度，然后和給定的極限轉彎角度比較產生換向信號，再由比例換向閥完成轉彎換向和角度控制；

(3) 由于試驗對加載扭矩有一定的精度要求，為了方便試驗人員調節，加載采用開、閉環兩種方式控制，試驗人員可根據情況靈活選擇，其中閉環方式通過壓力傳感器檢測兩個加載缸壓力，與給定的加載扭矩比較，采用PID控制器產生控制信號調節兩個比例溢流閥完成加載扭矩的控制，控制原理框圖如圖3所示；

圖3　系統控制原理框圖

(4) 被測產品信息、關鍵性試驗參數和曲線的繪制和存儲。

3.2　系統硬件設計

根據控制要求整個測控系統的硬件配置框圖如圖4所示，主要包括以下幾部分：

(1) 控制器選用S7-300 PLC，其中CPU選用315-2DP/PN，該CPU配備1個DP口，2個以太網口；擴展2塊DI模塊主要用液壓泵的啟停、故障報警等邏輯控制；擴展2塊AI模塊主要負責采集現場壓力、溫度、液位等過程量；擴展1塊AO模塊，用來輸出模擬量信號控制3個比例換向閥和2個比例溢流閥；

(2) 變頻器選用三臺變頻器，實現常高溫油源、低溫油源主泵和加載補油泵驅動電機的變頻調速，變頻器通過PROFIBUS-DP總線同PLC通訊；

(3) 軟啟動器選用兩臺軟啟動器，保證常高溫油源、低溫油源的備用主泵安全可靠啟動；

(4) 信號調理模塊 將現場傳感器信號轉換為兩路信號，一路送PLC的AI模塊通過上位機顯示，另一路送二次儀表顯示；

(5) 工控機本系統選用兩臺工控機，1#工控機通過操作界面完成對被測產品信息、關鍵參數和曲線顯示與存儲，2#工控機操作界面用來進行加載控制參數的在線設置以及前期的手動調試，兩臺工控機均通過以太網與下位PLC通訊；

(6) 傳感器傳感器主要包括7個壓力傳感器、5個溫度傳感器、3個液位傳感器、1個拉線傳感器，該型傳感器可同時測量位移和速度，并配備DP總線接口；

(7) 控制閥主要包括3個比例換向閥和2個比例溢流閥。

3.3　系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括三部分：PLC程序設計和數據曲線管理界面和控制參數調整界面的設計。

1) PLC程序設計

PLC程序除了完成現場7臺泵的啟停控制、報警、各種傳感器的信號采集等功能外，還需要完成轉彎速度、角度和加載扭矩的控制，其中加載扭矩的閉環PID控制程序編寫在循環中斷組織塊OB35內以保證控制的實時性。另外需要說明的是轉彎角度θ從中位(角度θ=0°)→正向極限角(θ=+θlim)→中位→負向極限角(θ=-θlim)→中位稱為一個轉彎循環，而1000次循環稱為一個大循環，其中包括100次75°加載，400次40°加載和500次10°加載，某一型號的被試產品往往需要進行上百萬次循環試驗， 每個大循環中角度、加載扭矩的自動切換以及加載次數的記錄都需要在PLC中完成，因此PLC的程序設計量是比較大的，限于篇幅這里就不給出詳細的程序了。

圖4　測控系統硬件配置框圖

2) 數據曲線管理界面設計

上位機監控界面主要包括兩部分：1#工控機操作界面主要完成被測產品信息、關鍵試驗參數以及相關曲線的存儲與管理，2#工控機操作界面主要完成各種控制參數的在線整定功能。

通常上位監控界面選用專門的組態軟件開發，但是傳統的組態軟件往往有兩個突出的問題，一個問題是其數據庫操作功能有限，往往只提供一些簡單的功能，不能滿足實際用戶的要求，要實現復雜的功能需要用腳本語言進行二次開發，這樣對于開發者來說入門困難、開發周期長[3]。另一個是通訊問題，一般的組態軟件支持的下位設備較少，往往都是只支持自家的設備。基于上述原因，上位監控界面采用Visual Basic 6.0+PRODAVE的開發方式。

Visual Basic是一種結構化的、模塊化的、面向對象的可視化程序設計語言，雖然6.0版本較舊，但是由于其操作簡單實用，任然擁有大量的用戶。用Visual Basic開發數據庫方便、靈活，易于實現復雜的數據庫管理功能，其中數據庫選用Microsoft Access。采用Visual Basic 6.0開發界面，如何同下位的S7-300 PLC通訊是一個棘手的問題，PRODAVE MPI/IE 6.0是針對S7-200、300PLC與上位PC通訊的軟件包，PRODAVE通過動態鏈接庫向Windows高級語言如VB、VC等提供接口函數，支持MPI和以太網兩種通訊方式[4，5]。一般先通過函數LoadConnection_ex6和UnloadConnection_ex6實現上位與PLC的通訊連接與斷開，利用函數db_read_ex6、db_write_ex6或field_read_ex6、field_write_ex6實現對PLC的DB區及其他存儲區的讀寫訪問，需要注意的是PLC的數據存儲結構是高地址存放低字節數據而低地址存放高字節數據，這剛好和傳統的數據存儲結構相反，因此在對PLC存儲器進行讀寫訪問時，應該進行高低字節的交換操作。

另外，在試驗中需要對關注的幾條曲線實時顯示和存儲，而VB并沒有自帶曲線繪圖控件，因此需選用第三方控件，其中曲線繪制控件iplot控件可同時顯示多條曲線，具有曲線顏色設置、曲線放大、縮小、打印、保存等豐富的功能[6]，編程時僅需使用一個函數iplotx.Channel.AddXY即可完成曲線的繪制，使用非常方便。最終根據試驗要求，開發的監控界面如圖5所示。

3) 控制參數調整界面設計

由于VB不支持多線程操作，當對PLC需要進行大量的數據讀寫操作時，實時性很難保證，而本試驗中對加載扭矩進行開、閉環控制時，有大量的控制參數需要在線整定，為此在另一臺工控機上單獨設計參數調整界面，界面開發軟件選用組態王6.53。組態王6.53提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能[7，8]。組態王一般的開發過程通常遵循以下步驟：創建設備、建立變量、畫面設計、變量連接、調試。在本試驗中需要針對不同的轉彎角度施加相應加載扭矩，加載精度為±5%。對于開環方式，通過前期實際轉彎試驗發現加載扭矩同轉彎角度關系之間近似一條直線，可用下式表示：

圖5　數據曲線管理界面

T=K1θ+K2T0

其中，T為轉彎作動筒實際的加載扭矩(N·m)；θ為轉彎角度 (°)；Td為理想的加載扭矩 (N·m)；K1為斜率修正系數；K2為截距修正系數。通過前期調試可以為K1和K2預置兩個值，使T處于±5%的公差帶內，但是試驗中受轉彎次數、油液溫度和摩擦扭矩特性多變等因素的影響，T可能會超出±5%的公差帶，此時就需由試驗人員在線整定參數K1和K2。為了便于加載曲線的調節，對T和θ的曲線采用分段整定的方法， 如圖6所示，T和θ的曲線軌跡在一個循環中可以被分為4個區域，這樣75°、40°和10°三種轉彎角度共對應3組24個參數。而對于閉環方式，由于加載扭矩允許 ±5%的誤差，因此閉環控制時采用比例調節器P即可，同開環一樣閉環也采用分段整定的辦法，每種轉彎角度4個區域對應4個比例系數，這樣75°、40°和10°三種轉彎角度共對應3組12個參數。這么多組參數管理起來是比較麻煩的，利用組態王的配方功能可以很好的解決這一問題，針對開環和閉環的6組參數創建6種配方即可。圖7為轉彎角度為10°時所設計的開環控制參數調整界面。

4　結論

設計的前輪轉彎機構壽命試驗測控系統采用通過調節比例溢流閥調節背壓方式實現加載，避免了使用昂貴的伺服閥進行被動加載的方式，是一種值得推薦的模擬大阻尼負載的加載方式。加載采用開、閉環兩種控制調節方式，控制參數采用分段式曲線擬合的方法整定，具有調節靈活、方便的特點。同時，整個測控系統具有可靠性高、功能全面、上位界面人機交互性好等特點。該系統已經交付使用，通過多次轉彎加載試驗證明完全滿足試驗要求。

圖6　T與θ關系曲線示意圖

圖7　控制參數調整界面

參考文獻：

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[7]北京亞控科技發展有限公司.組態王KingView6.53使用手冊[Z].2003.

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