制動力矩門限測試工藝問題及優(yōu)化方法

王宏斌

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

012-019襟翼絲杠作動器是某公司 為某飛機高升力系統(tǒng)研制的機械作動部件，在裝配調(diào)試和驗收時，產(chǎn)品主要性能參數(shù)之一的制動門限值在檢查測試中波動較大，極不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)如下：同一臺產(chǎn)品每次測試的值不一致且差異較大，這個差異已經(jīng)明顯超出了產(chǎn)品性能允許值的范圍。例如產(chǎn)品一個測試過程的4個值（正反方向各2次）有超大的，同時也有超小的，導致筆者不能判斷產(chǎn)品真實的制動力矩，或誤認為產(chǎn)品存在較大缺陷，因此造成調(diào)試人員無法進行產(chǎn)品制動門限值的調(diào)試。通過試驗驗證產(chǎn)品制動門限值波動大問題、收集和分析數(shù)據(jù)、按規(guī)定交付產(chǎn)品是研究人員亟待解決的問題，該文的研究為產(chǎn)品設計優(yōu)化、零組件質(zhì)量控制、調(diào)試檢測方法完善、試驗設備改進等提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品結構及制動過程分析

1.1 產(chǎn)品功能

012-019襟翼絲杠作動器接收由PDU的功率作動襟翼，包括當輸入端輸入扭矩超出產(chǎn)品設定門限值時，產(chǎn)品上的力矩限制器實現(xiàn)力矩限制保護功能，即限制過大的輸出載荷，保護下吊式齒輪箱、滾珠絲杠副以及與作動器輸出端連接的飛機結構。力矩限制功能的指標是在產(chǎn)品上調(diào)整設定其制動力矩門限值，簡稱制動門限值。

1.2 工作原理

當扭矩在工作范圍內(nèi)（即輸入端扭矩小于制動門限值）時，在輸入扭矩作用下，輸入軸通過軸上花鍵將扭矩傳遞給輸入球道盤，在彈簧初始預壓力作用下，輸入球道盤通過鋼球帶動輸出球道盤隨之運轉(zhuǎn)，通過零件上的花鍵，輸出球道盤將運轉(zhuǎn)動力傳遞至連接套、輸入錐齒輪，進而向產(chǎn)品下一級組件傳遞扭矩[1]。

當線系出現(xiàn)卡滯等故障時，產(chǎn)品輸出端停止運動，而PDU繼續(xù)向線系輸出扭矩，此時產(chǎn)品輸入軸扭矩不斷增大，導致球道盤上產(chǎn)生軸向力持續(xù)增加，軸向力最終克服彈簧預緊力，鋼球沿球道斜坡開始爬坡，輸出球道盤產(chǎn)生軸向位移，使摩擦片壓緊而摩擦制動，輸入軸制動從而制動整個傳動線系，對產(chǎn)品傳動結構和線系起到保護作用。其工作結構如下圖1所示。

圖1 襟翼絲杠作動器組成

2 原因分析及問題定位

抽取部分產(chǎn)品進行制動門限等指標的測試，積累檢測數(shù)據(jù)，尋找產(chǎn)品門限值變化規(guī)律，查找影響環(huán)節(jié)及要素，并分析問題和驗證改進方案。這個階段中發(fā)現(xiàn)影響制動門限值指標的環(huán)節(jié)主要有產(chǎn)品自身因素、測試方法條件等因素、試驗臺因素，并且這些因素具有關聯(lián)性，應綜合考慮和分析。

2.1 原因分析

2.1.1 該產(chǎn)品制動門限值指標和測試的特點

公司產(chǎn)品型譜中，具備力矩限制功能的機械傳動類產(chǎn)品較多且大多數(shù)有制動門限值的性能指標。某襟翼絲杠作動器與公司現(xiàn)有的其他產(chǎn)品相比，在制動門限值要求上有較為明顯的特點。1）某襟翼絲杠作動器工作載荷較小。2）給定的制動門限范圍很小，這樣意味著檢測制動門限值需要較高等級的檢測系統(tǒng)精度和分辨率。3）產(chǎn)品測試制動門限的狀態(tài)非產(chǎn)品的完整狀態(tài)。受產(chǎn)品結構強度的局限，按照產(chǎn)品測試程序要求，測試產(chǎn)品制動門限時，需要將產(chǎn)品上的滾珠絲杠副拆下，在產(chǎn)品輸出端的耳軸上沿絲杠軸向施加拉力。即產(chǎn)品測試制動門限的方式與產(chǎn)品實際工況不一致。

2.2 影響因素識別

2.2.1 規(guī)定的測試條件不妥

基本測試條件：①去掉絲杠副；②運轉(zhuǎn)速度410rpm～450rpm；③輸出端施加額定轉(zhuǎn)矩；④加載速率未規(guī)定具體要求。從結構原理分析看，產(chǎn)品包括或去掉絲杠副兩種狀況均可進行制動門限值的測試，對產(chǎn)品力矩限制器組件不產(chǎn)生影響；從對比之前產(chǎn)品看，轉(zhuǎn)速和加載速率對產(chǎn)品運轉(zhuǎn)時的制動點位置的影響比較明顯，轉(zhuǎn)速為主機參數(shù)不可變化。加載速率參數(shù)變化后，對產(chǎn)品制動點位置和制動點的扭矩產(chǎn)生影響。

2.2.2 判斷產(chǎn)品制動的規(guī)則

根據(jù)制動門限值的定義和產(chǎn)品工作原理，隨著產(chǎn)品輸出端逐級連續(xù)加載，產(chǎn)品輸入端的載荷在持續(xù)增大，當載荷增大到某一值（通常是指輸入端扭矩值）時，產(chǎn)品內(nèi)部摩擦片摩擦制動，這個值是產(chǎn)品的制動門限值。試驗臺為測試出制動門限值，其測試系統(tǒng)按其采樣周期在加載運動中形成無數(shù)個點，繪制出產(chǎn)品運轉(zhuǎn)對應的速度曲線和扭矩曲線。制動試驗完成后，調(diào)取采集的速度曲線和扭矩曲線，在速度曲線上尋找到速度明顯（或描述急劇）下降的點，筆者稱其為“速度拐點”，然后將這個“速度拐點”對應的輸入端扭矩值讀取為產(chǎn)品的制動門限值。

速度曲線上這個“速度拐點”的位置定位就決定了對應的扭矩曲線上的扭矩值大小。因此根據(jù)產(chǎn)品制動門限值的定義，試驗設施提供了產(chǎn)品整個測試過程參數(shù)，筆者需要制定在速度-扭矩曲線上讀取制動門限值的細則方法，有了統(tǒng)一的具體細則，“速度拐點”的位置才能有唯一性[2]。否則，判斷“速度拐點”會出現(xiàn)多個結果，導致讀取的制動門限結果值不一致，即表現(xiàn)為制動門限值測試結果存在波動。

2.2.3 測試時機的影響

產(chǎn)品裝配后首次測試門限值與之后測試的門限值差異明顯、首次測試全部偏大。根據(jù)產(chǎn)品力矩限制器結構特點，產(chǎn)品裝配后沒有經(jīng)過制動磨合，產(chǎn)品制動結構部分的球道、彈簧、摩擦片等處于不穩(wěn)定狀態(tài)。此現(xiàn)象在其他型號產(chǎn)品上反映不是很強烈，其原因是產(chǎn)品的應許誤差比較寬，較小的應許誤差有6N·m，偏大的應許誤差法達20N·m，測試值稍微偏大不影響指標，而該產(chǎn)品的應許誤差僅有1.2N·m。全部產(chǎn)品在測試中，裝配完成后（或者分解后重新裝配后）首次測試制動門限值均不同程度大于之后測試制動門限值，因此，產(chǎn)品處于不穩(wěn)定狀態(tài)下測試門限是不合理的，被測試產(chǎn)品須在經(jīng)過制動磨合之后進行門限檢測。

2.2.4 測試系統(tǒng)誤差

如果將直接影響測試精度的傳感器因素排除在外，試驗測試系統(tǒng)誤差主要包括試驗臺自身傳動鏈的精度、各聯(lián)軸器和連接軸安裝精度、計算機數(shù)據(jù)處理誤差、采樣周期對測試值（曲線）的細分分辨誤差。這些誤差會決定制動門限值的測試準確度，但測試系統(tǒng)結構穩(wěn)定后，測試值相對穩(wěn)定，對測試結果的一致性影響較小[3]。

2.2.5 加載誤差大

雖然產(chǎn)品制動門限值通常是產(chǎn)品輸入端的扭矩值，但產(chǎn)品輸出端加載的穩(wěn)定性會引起輸入端扭矩值的同向變化。通過加載曲線觀察加載過程存在一定程度波動，加載波動可能原因：①實際加載扭矩值變化波動；②加載端扭矩曲線處理不妥造成波動。該系統(tǒng)加載電機品質(zhì)和精度均不低于現(xiàn)有試驗臺，之后采用濾波，消除傳感器受干擾的雜波影響得到實際的加載曲線，曲線顯示較為光滑連續(xù)。

2.2.6 測試曲線顯示誤差

根據(jù)制動門限值的定義：①速度曲線誤差會引起產(chǎn)品制動點的判定的變化，即每次判定為產(chǎn)品制動的點與實際的制動點不同；②輸入扭矩曲線誤差能直接反應出讀取的值不一致，在產(chǎn)品制動點附近曲線存在波動，導致每次測試出的產(chǎn)品制動點的扭矩值變化較大。

綜上所述，造成產(chǎn)品制動門限值波動的影響因素有多種，每個影響環(huán)節(jié)和影響因素在產(chǎn)品調(diào)試、測試過程中進行了反復摸排和驗證，一方面驗證了問題要素的影響及影響程度，另一方面確定改進影響要素的方法和指標。

3 改進措施與測試驗證

3.1 門限值指標分析

制動門限值的測試結果是產(chǎn)品制造、試驗裝置及測試方式等多方面因素的綜合結果，將影響因素匯總歸類為4個部分：傳感器誤差+產(chǎn)品自身誤差+測試裝置系統(tǒng)誤差+其他。

前述襟翼絲杠作動器產(chǎn)品制動門限的特點說明，當前襟翼絲杠作動器的指標要求：均值約7N·m，允差范圍約為（1.25±0.625）N·m。誤差分析如下：①傳感器。量程30N·m、精度±0.2%（F·S），即誤差±0.06N·m；②產(chǎn)品自身。根據(jù)產(chǎn)品結構原理，按其名義值的3%，即誤差±0.21N·m；③測試裝置。參考測量設備標準，不大于允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m；④其他。產(chǎn)品對測試設備安裝、環(huán)境等影響，預估其為允差范圍的1/4，即誤差±0.16N·m。因此，在最保守的基礎上，產(chǎn)品制動門限值測試誤差達到±0.59N·m。

3.2 測試條件

防止產(chǎn)品異常擺動、控制（降低）加載速率，產(chǎn)品去掉絲杠副后，在產(chǎn)品輸出端施加扭矩時，產(chǎn)品制動時因瞬間的沖擊使產(chǎn)品左右擺動。為保證產(chǎn)品運轉(zhuǎn)測試狀態(tài)的可靠，在產(chǎn)品連接耳片的兩側增加氟塑料墊片，盡量防止產(chǎn)品擺動并起到緩沖作用。

產(chǎn)品加載速率的調(diào)整對扭矩曲線有明顯影響，加載速率降低后，加載穩(wěn)定性改善，同時試驗臺對曲線進行了優(yōu)化改善，扭矩曲線顯示比較平緩。在產(chǎn)品制動時曲線拐點的抖動幅度降低，讀取拐點扭矩值的一致程度增高。

3.3 門限值定義、判斷規(guī)則的制定和驗證

根據(jù)產(chǎn)品制動門限值的定義和前章節(jié)分析的讀取規(guī)則方法，測試時必須能夠準確給出速度下降點的判斷準則，在借鑒其他產(chǎn)品判斷方法的基礎上，反復研究速度 - 扭矩曲線，首先維護產(chǎn)品運轉(zhuǎn)速度曲線的平穩(wěn)光滑（尤其是在產(chǎn)品制動的點附近）。速度曲線穩(wěn)定后，擬定測試讀取制動門限值的具體方法：在轉(zhuǎn)速曲線下降拐點處呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢，當產(chǎn)品轉(zhuǎn)速連續(xù)下降到0.4r/min時，讀取第一個速度下降0.4r/min前一點（速度拐點）所對應的輸入端扭矩值，記為產(chǎn)品的制動門限值[4]。幾輪測試后發(fā)現(xiàn)，讀取制動門限值方法完全可以達到唯一，不會出現(xiàn)速度拐點爭議和誤讀門限值，但門限值數(shù)據(jù)波動程度仍然對指標合格構成威脅。繼續(xù)觀察分析原因，產(chǎn)品制動的過程中，摩擦片開始摩擦，同時輸入扭矩持續(xù)作用，使輸入軸轉(zhuǎn)動，摩擦片開始摩擦至產(chǎn)品完全制動，整個過程的扭矩會出現(xiàn)較大的跳動。

根據(jù)制動門限值的定義規(guī)則，筆者找到“速度拐點”，從微觀角度看就是產(chǎn)品開始制動的起點，因此繼續(xù)發(fā)掘研究速度變化點的規(guī)律，將速度下降0.4r/min的判斷起始點壓縮至0.3r/min、0.2r/min、0.1r/min等觀察和反復對比，0.2r/min判斷起始點的標準即可辨認產(chǎn)品制動點，也能夠適應當前速度曲線采樣周期和精度。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析和重復驗證，當前的測試讀取方法效果最優(yōu)。

3.4 測試時機、條件

產(chǎn)品中力矩限制器結構部分初次裝配完成或分解后重新裝配完成，必須進行產(chǎn)品制動磨合，使裝配完成后產(chǎn)品處于結構穩(wěn)定狀態(tài)。并規(guī)定制動門限測試應在產(chǎn)品裝配完成后經(jīng)過磨合方可進行測試。

3.5 測試系統(tǒng)誤差

在出現(xiàn)制動門限值波動問題后，試驗臺承制單位重新調(diào)整試驗臺自身裝配精度，糾正試驗臺傳動系統(tǒng)的偏差。重新檢測試驗臺軟件，并進行校準標定。盡最大努力消除試驗臺測試系統(tǒng)誤差對測試的影響，同時給今后試驗臺設計制造提供經(jīng)驗，試驗臺的傳動精度、幾何精度及轉(zhuǎn)動慣量的指標等應與被測試對象性能指標相適應。

3.6 消除加載誤差干擾

在對試驗臺測試系統(tǒng)檢測和校準同時，試驗臺承制單位調(diào)整加載伺服電機性能及參數(shù)設置，確保加載精度符合試驗要求。對加載（輸出端）扭矩曲線進行濾波優(yōu)化，避免扭矩傳感器受到干擾。

3.7 優(yōu)化測試曲線

從前面章節(jié)關于制動門限值定義及判斷規(guī)則可知，輸入端速度曲線和扭矩曲線的光滑連續(xù)和穩(wěn)定是準確讀取制動門限值的前提和關鍵。輸入端速度-扭矩曲線經(jīng)消除干擾和濾波優(yōu)化后，曲線狀態(tài)改善明顯，讓操作者比較清晰地捕捉到“速度拐點”，輸入端扭矩曲線在“速度拐點”附近區(qū)域的扭矩值變動平緩，因此，測試值的變動量較之前明顯減小。

4 改進結果

在測試制動門限值的過程中，針對波動大的問題，經(jīng)過測試方法與條件明確統(tǒng)一、試驗臺測試環(huán)節(jié)調(diào)整優(yōu)化、傳感器校準等各方面驗證后，進行Q000003批次的驗收測試，制動門限值測試合格，結果見表1。

表1 Q000003批產(chǎn)品制動門限值驗收數(shù)據(jù)表

5 結語

經(jīng)過對試驗臺測試環(huán)節(jié)的優(yōu)化完善，對產(chǎn)品制動門限值測試條件和方法的細化，門限值測試波動的程度大幅降低，從Q000003批次產(chǎn)品最終測試結果看能滿足要求。

通過該文對襟翼絲杠作動器產(chǎn)品制動門限值波動問題的研究，筆者對襟翼絲杠作動器產(chǎn)品制動門限驗收有了較為通透的認識，認識規(guī)則、測試方法基本得到固化，有效降低了門限值的波動。同時通過該次工藝研究，也能夠發(fā)現(xiàn)之前同類型產(chǎn)品在調(diào)試和測試環(huán)節(jié)上存在的紕漏，可促進具有力矩限制功能的同類型機械產(chǎn)品調(diào)試工藝的優(yōu)化改進。