一種直線彈性推力負(fù)載加載設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析*

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著全電概念的不斷推進(jìn)，機(jī)載和運(yùn)載火箭的液壓系統(tǒng)電動(dòng)化替代工作正如火如荼。電動(dòng)直線推桿的推力需求和頻響要求越來越高。對(duì)于電動(dòng)直線推桿的負(fù)載能力測(cè)試的要求也越來越高。在測(cè)試過程中需要對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特性、滯環(huán)和跟蹤特性進(jìn)行記錄、判斷。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)制造了一種利用高剛度彈簧提供負(fù)載推力、高精度光柵傳感器進(jìn)行位移信息采集、高精度推拉傳感器進(jìn)行負(fù)載幅值實(shí)時(shí)檢測(cè)的直線推力彈性負(fù)載測(cè)試設(shè)備。通過通用采集卡對(duì)位移、推力曲線與系統(tǒng)給定波形進(jìn)行采集，并將各路信號(hào)匯集在測(cè)控上位機(jī)界面，進(jìn)行判讀，并計(jì)算出關(guān)鍵指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試功能，負(fù)載特性更加接近系統(tǒng)實(shí)際需要，降低了測(cè)量過程中的誤差，提高了測(cè)試效率，同時(shí)避免了當(dāng)前伺服加載試驗(yàn)臺(tái)對(duì)產(chǎn)品帶來的危害[1-4]。

1 負(fù)載特性分析及當(dāng)前測(cè)試存在的問題

1.1 負(fù)載特性分析

電動(dòng)直線推桿的能力測(cè)試主要是對(duì)其輸出特性對(duì)實(shí)際驅(qū)動(dòng)的外部負(fù)載特性的覆蓋性進(jìn)行測(cè)試和能力判斷。因此，對(duì)負(fù)載特性的精確把控可以使電動(dòng)直線推桿的設(shè)計(jì)更加精巧，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，對(duì)負(fù)載特性的適應(yīng)性更加優(yōu)良，從而大大提高系統(tǒng)效能。負(fù)載測(cè)試的覆蓋性取決于加載設(shè)備與用戶負(fù)載特性的一致性。飛機(jī)襟翼受到氣流的影響產(chǎn)生的負(fù)載特性和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管(圖1)受到燃?xì)饬鞯淖饔卯a(chǎn)生的負(fù)載特性類似，均為帶有一定阻尼的彈性負(fù)載特性。

圖1 噴管伺服機(jī)構(gòu)的位置

1.2 當(dāng)前測(cè)試方案存在的問題

當(dāng)前對(duì)于旋轉(zhuǎn)方式輸出的機(jī)電設(shè)備的負(fù)載能力測(cè)試，通常采用力矩桿獲取彈性特性負(fù)載，而且為純彈性負(fù)載特性，而負(fù)載的阻尼特性往往未能附加進(jìn)去，使得測(cè)試過程無法模擬真實(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生的震顫，測(cè)試覆蓋性不夠。對(duì)于電動(dòng)直線推桿來說，通常采用力矩桿轉(zhuǎn)換，將力矩桿的旋轉(zhuǎn)彈性負(fù)載轉(zhuǎn)換為直線彈性負(fù)載考核模式，同樣存在上述問題。由于力矩桿利用材料的彈性特性，隨著大負(fù)載測(cè)試的需要，通過增大力矩桿的體積提高扭矩，會(huì)使得力矩桿外表面產(chǎn)生過大線性位移，發(fā)生塑性變形，因此，隨著大功率伺服系統(tǒng)發(fā)展，測(cè)量直線推力和行程的增大，通過力矩桿的加載檢測(cè)方式已經(jīng)無法適應(yīng)。

隨著伺服系統(tǒng)的發(fā)展，近年來，舵機(jī)類產(chǎn)品的測(cè)試，出現(xiàn)了采用更高頻響的伺服系統(tǒng)加載的測(cè)試方式，通過推力閉環(huán)和上位機(jī)軟件規(guī)劃，獲得更加精確的不同類型的負(fù)載特性輸出模型，但是研制更高頻響、更大推力的測(cè)試設(shè)備相比于舵機(jī)本身的研制，顯得更加困難，需要更高的成本，而且由于系統(tǒng)的復(fù)雜化，在系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，做出運(yùn)動(dòng)判斷的閉環(huán)過程中存在著滯后性，往往無法適應(yīng)被測(cè)系統(tǒng)瞬時(shí)加速度而產(chǎn)生沖擊載荷，導(dǎo)致設(shè)備在加速瞬間受到巨大的沖擊載荷，根據(jù)測(cè)試情況來看，這個(gè)負(fù)載遠(yuǎn)超過產(chǎn)品本身所能承受的破壞負(fù)載，從而導(dǎo)致產(chǎn)品受損。

2 測(cè)試設(shè)備工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試設(shè)備工作原理

本測(cè)試設(shè)備為彈性被動(dòng)式加載方式，通過壓縮彈簧產(chǎn)生推力負(fù)載，加載平臺(tái)采用導(dǎo)軌支撐，在連接桿處設(shè)置絲杠止轉(zhuǎn)裝置和阻尼裝置，從而獲得附加阻尼推力。通過設(shè)置在測(cè)試設(shè)備傳動(dòng)環(huán)節(jié)上的力傳感器、位移傳感器，精確測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)輸出的推力和直線位移。

測(cè)試設(shè)備工作原理圖如圖2所示，通過上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)發(fā)送控制器運(yùn)行指令，控制被測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，通過加載平臺(tái)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行加載，連接在加載平臺(tái)上的傳感器實(shí)時(shí)將被測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果向上位機(jī)系統(tǒng)反饋。通過多通道采集模塊，對(duì)給定信號(hào)、被測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行情況和末端實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，集中反映在上位機(jī)采集界面。系統(tǒng)對(duì)采集到的波形進(jìn)行計(jì)算、判讀，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試原理圖

圖3 上位機(jī)檢測(cè)平臺(tái)及 數(shù)據(jù)采集界面

上位機(jī)采用基于Labview軟件圖形化編程環(huán)境開發(fā)的上位機(jī)系統(tǒng)，可將被測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中加載平臺(tái)上力傳感器和位移傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，與發(fā)送的控制信號(hào)同屏顯示，便于對(duì)比，通過計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)的跟隨特性、響應(yīng)特性，同時(shí)生成測(cè)試報(bào)告，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。上位機(jī)采集界面如圖3所示。

上位機(jī)檢測(cè)平臺(tái)與各系統(tǒng)參數(shù)接口采用通用VGA接口。

2.2 加載平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加載平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。由平臺(tái)、阻尼設(shè)置裝置、推拉力傳感器、加載桿、直線導(dǎo)軌、拉力調(diào)節(jié)裝置、推力調(diào)節(jié)裝置和光柵傳感器構(gòu)成。調(diào)節(jié)阻尼設(shè)置裝置，增大或減小系統(tǒng)加載的摩擦力值；調(diào)節(jié)推力調(diào)節(jié)裝置，增大或減小彈性負(fù)載最大值范圍。被測(cè)系統(tǒng)直線推桿通過兩端鉸鏈與加載平臺(tái)連接，通過上位機(jī)采集界面將推拉力傳感器數(shù)據(jù)和光柵傳感器數(shù)據(jù)繪制成時(shí)間軸曲線，并生成檢測(cè)報(bào)告。

圖4 加載平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)測(cè)試情況

負(fù)載設(shè)備完成了三項(xiàng)在制產(chǎn)品的系統(tǒng)測(cè)試，圖5所示為ZL-47一體化交流伺服電機(jī)組件測(cè)試實(shí)物圖；圖6所示為J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機(jī)組件測(cè)試實(shí)物圖。

圖5 ZL-47一體化交流伺服電機(jī)組件測(cè)試實(shí)物圖

圖6 J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機(jī)組件測(cè)試實(shí)物圖

先后有多重類似直線位移輸出形式的產(chǎn)品在本系統(tǒng)上完成了階躍響應(yīng)測(cè)試、頻率掃描測(cè)試和滯環(huán)測(cè)試(圖7-圖9)，測(cè)試結(jié)果采用曲線實(shí)時(shí)顯示，對(duì)數(shù)據(jù)的判讀以及圖標(biāo)的自動(dòng)保存，與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，杜絕了人工判讀測(cè)試人員主管因素的影響，使測(cè)試變得方便，測(cè)試效率大幅度提高。兩種產(chǎn)品在平臺(tái)上完成了80 h連續(xù)壽命試驗(yàn)，產(chǎn)品在試驗(yàn)過程中通過負(fù)載實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)可以看到，在高頻工作過程中，過載沖擊不超過1.5%，對(duì)產(chǎn)品本身不會(huì)造成任何過載損傷，而且又能夠準(zhǔn)確反映出負(fù)載的特性。

圖7 ZL-47一體化交流伺服電機(jī)組件10 mm階躍響應(yīng)特性測(cè)試

圖8 J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機(jī)組件15 mm階躍響應(yīng)特性測(cè)試

圖9 ZL-47一體化交流伺服電機(jī)組件±2 mm幅值20Hz掃頻測(cè)試

4 結(jié)束語

本文從工程實(shí)際出發(fā)，分析了大推力直線推桿的負(fù)載特性以及主流測(cè)試方法存在的問題。通過對(duì)加載臺(tái)的工作原理的分析和加載方式的選取，設(shè)計(jì)一種直線形式的彈性推力加載測(cè)試平臺(tái)，更加準(zhǔn)確的模擬實(shí)際負(fù)載狀況。在實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試過程中檢驗(yàn)并驗(yàn)證了測(cè)試方式的可行性。采用該設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)、試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試自動(dòng)化，減少操作人員，提高檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性，提高了試驗(yàn)的效率。