彈簧激振法在民用飛機操縱舵面轉動慣量測量方法研究

黃海峰

【摘 要】對于彈簧激振法在舵面上的應用示例、試驗測量、測量裝置及提高測量精度的途徑進行研究及分析。

【關鍵詞】民用飛機；操縱舵面；轉動慣量；測量；彈簧激振法

中圖分類號： V216 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.009

【Abstract】This article research the Spring Oscillate method and its application in the airplane control surface， then build the test /measure device， research method to enhanceprecision.

【Key words】Civil Aircraft； Control Surface； Moment of Inertia； Measure； Spring Oscillate Method

0 引言

現代飛機一般采用電傳操控系統控制飛機的操縱舵面，一般操縱舵面包括副翼、方向舵、升降舵等，上述結構類似，一般都為楔形盒段結構，在開口區域布置接頭定軸旋轉。本文以副翼為例子，副翼主要負責飛機繞機身的滾裝運動，便于飛機快速轉向，對轉動慣量測量進行研究。

副翼的繞軸轉動慣量是影響副翼顫振性能的重要指標，影響飛機的操控安全，在制造過程中要嚴格控制副翼的繞軸轉動慣量，老式飛機在操縱面上通過加裝補償片的方式調整慣量，目前常用放啊發是通過電控驅動器自動調控，因此，需要采用精度較高的測量方法測量副翼結構的實際轉動慣量。

副翼目前設計采用較多的復合材料，使用比例在某型飛機達到70%以上，重量分布的離散性較金屬結構一般要大，需要通過多架次測量才能給出平均值。

另外在自動化設計平臺如CATIA等可以輸出部段的重心、轉動慣量等參數，但由于目前在緊固件、噴漆、密封等影響還不能完全精確估算，理論值不能作為唯一的參考，試驗作為一個強有力的補充對于結構設計還是必不可少的工具。

目前有三種方法可用于測量副翼的轉動慣量：扭擺、單擺法和彈簧激振法。前兩種方法需測量副翼的重心及重量，測量重心的方法誤差較大且操作困難，導致轉動慣量測量結果存在較大誤差。

1 彈簧激振法簡介

彈簧激振法測量轉動慣量需建立專用測量臺架，將副翼通過鉸鏈點連接，后緣用彈簧激勵，使副翼小幅振動，測量其振動頻率fa。翻轉副翼后，再次測量副翼振動頻率fb。卸下副翼后，使用彈簧校準塊連接于彈簧上，使彈簧拉伸長度L與副翼平衡時彈簧拉伸長度相等，測出此時彈簧振動頻率f1，見公式1。測出后緣夾具質量及彈簧校準塊質量等數據，代入公式2即可求出副翼繞軸轉動慣。

彈簧激振法的優點通過測量副翼翻轉前后繞鉸鏈軸線振動的頻率，抵消了重心位置對測量結果的影響，測量方法中沒有測量副翼重心位置的步驟，因此測量的精度較高。

采用彈簧激振法測量副翼轉動慣量時，將副翼的上翼面（或下翼面）向上，安裝于測量臺架上。副翼前緣懸掛接頭鉸鏈孔與臺架鉸接，后緣通過夾具夾持。夾具上的連接點通過彈簧鉤于臺架上，見下圖1。

2 測量臺架建立

副翼通過彈簧及懸掛鉸鏈連接至臺架，注意下列事項才能保證臺架的測量功能。

2.1 基本要求

a）臺架鉸鏈站位選擇與所測試舵面需匹配，至少設計2個鉸鏈點，兩鉸鏈點站位至少保證舵面具有較好的支撐剛度。

b）臺架懸掛接頭的鉸鏈孔必須安裝軸承。

c）軸承安裝完成后，臺架接頭的同軸度應不大于Φ0.2mm/3m展長，使副翼能夠繞鉸鏈軸線自由轉動。

d）后緣夾具夾持點位于副翼理論重心站位面上，夾具表面須標有夾具的重心位置。

e）彈簧上懸掛點沿垂直方向必須可調節。

2.2 保護要求

a）后緣夾具在安裝及副翼振動過程中，不得對副翼結構造成損傷。

b）臺架須具備保護緩沖措施，防止振動過程中后緣夾具脫落造成副翼損傷。

2.3 測量要求

a）小幅度撥動副翼，要求彈簧能使副翼振幅明顯（便于測量副翼振動周期），否則需調整彈簧剛度。

b）靠近副翼后緣位置須放置觀測參照物，便于觀察判斷副翼的初始位置是否處于平衡狀態、以及振動時的振幅是否滿足要求。

c）采用秒表測量副翼振動周期，秒表精度0.01s。

d）在進行慣量測量之前，應確認副翼所有模塊均已裝配完成，包括橡膠密封件等。

2.4 重要參數選擇

a）彈簧剛度K值應選擇合適，避免剛度太強，無法形成足夠的振動次數，一般以30-50次為宜。避免選擇過弱，產生過度變形。在測試過程中應使用同一根彈簧或經校準剛度一致的彈簧。

b）尾緣夾具重量應盡量小，在滿足功能的額情況下，避免影響測量精度。

c）彈簧校準快重量應選擇合適，不大于部段重量。可使用多個測量用小砝碼使用布袋扎緊，亦可使用如沙粒等物質使用布袋/塑料袋裝盛并扎緊，避免晃動。

3 提高測量精度的方法

3.1 精度影響分析

根據公式2，分析相關參數對測量精度的影響。公式中重量及尺寸因素只要保證固定可靠及正確測量，對精度影響不大。主要是振動次數及時間頻率的測量影響測量結果的精度。主要需要保證的前提如下：

a）保證副翼自由轉動：

b）保證彈簧自由振動；

c）提高時間計量精度，避免人為因素影響。

3.2 提高措施

a）保證副翼懸掛軸線處自由轉動

鉸鏈軸承類型可選用關節軸承、自調心滾珠球軸承，可以起到調節鉸鏈同軸度的作用。建議使用自調心滾珠球軸承可減少鉸鏈的帶來的摩擦，提高周期測量的精度，并進行適當潤滑。

b）保證彈簧自由振動

彈簧兩端與支架及夾具連接應使用萬向節類連接，避免彈簧端部在振動式受限，無法完全自由振動，造成鐘擺式運動影響周期測量。

c）提高時間計量精度

秒表測量為最低要求，計時及計數存在人為因素影響。可選用自動計時計數器，處理數據時應去除振動開始及結束階段的數據，保留中間數據。

4 結語

通過對彈簧激振法的原理分析及測量裝置的建立，給出實測量試驗實施方案并根據飛機實際試驗結果對照理論估算結果，可滿足部件測量要求。針對對影響的設計因素進行分析，提取了重要影響因素，并提出提高精度的相關措施。

【參考文獻】

[1]徐小方，張華，飛行器轉動慣量測量方法研究，科學技術與工程，2006，卷9，第6期，1654頁.

[2]陶增衙，一種測定操縱面轉動慣量的新方法-兩次振動法，南京航空學院學報，1992年2月，第24卷，第1期.