直升機飛行狀態下傳動系統載荷測試研究①

摘 要:直升機飛行狀態下傳動系統載荷測量是一種新的測試課題。本文從當前實際情況出發，采用飛行測量的傳統方法-應變電測來解決該問題，這是一次大膽的嘗試。首先，介紹了應變電測技術。包括應變片工作原理、全橋測量電路、應變片的貼片位置確定等內容;其次，介紹了標定方法及過程。最后，介紹了標定時采用多元回歸分析方法得到標定結果滿足飛行試驗要求;同時對飛行試驗實測載荷數據進行了分析及處理，并與XXX傳動系統飛行載荷結果進行對比。試驗結果表明應變電測方法應用于傳動系統測量是可行的，結果是可信的;同時本文提出的傳動系統載荷數據處理方法也是合理的，編寫的FORTRAN程序也是正確的。

關鍵詞:傳動系統應變電測多元回歸分析方法飛行試驗

中圖分類號:V215.5文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0002-02

飛行狀態下的傳動系統載荷測量是傳動系統研制中的一項重要任務，是在進行一系列地面試驗，確定傳動系統與直升機相容即對直升機不會造成破壞性損傷后，進行的最后一個環節的試驗。其目的是確定不同飛行狀態下傳動系統各部件載荷的大小，以判斷傳動系統載荷水平能否滿足預先的設計要求，傳動系統的各項功能是否工作正常、是否達到裝機要求，同時也為傳動系統各部件的疲勞定壽提供試飛依據。

1 應變電測技術

1.1 電阻應變片工作原理

利用金屬絲的應變－電阻效應把構件表面的應變量直接變換為電阻的相對變化量，這樣就可以用電測的方法進行應變測量，電阻應變片就是利用這一原理而制成的傳感元件。應變與電阻的相對變化量之間的關系可以表示為:

這里，為電阻的相對變化量，為應變片金屬絲的靈敏度系數，為構件表面的應變量。

1.2 電橋測量電路

在傳動系統載荷測試中，通過在部件表面粘貼應變片把部件表面的應變轉換成ΔR/R后，由于應變量及其應變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此需采用全橋測量電路，將應變片的電阻值的微小變化轉化為電壓信號，同時可以最大程度提高指示應變的數值。全橋測量電路是在四個橋臂上接電阻應變片，靈敏系數為K，組成全橋。則可得輸出電壓:

則，輸出的應變為

1.3 應變片的貼片位置確定

根據傳動系統各部件載荷測試技術要求和自身結構特點，并結合全橋測量電路的性質及原理，在傳動系統各個關鍵部件上進行測點布置及所測載荷量的確定，比如旋翼軸彎矩、扭矩及拉力等等。

2 標定方法和過程

系統標定是在組成測試系統的基礎上，在受力點上加載已知作用力，通過測試系統的采集記錄數據，根據作用力和記錄數據的對應關系，采用最小二乘法擬和，得到記錄數據與加載作用力的關系曲線。系統標定消除了各種中間環節的誤差，提高了應變測量精度。

2.1 標定方法

應變測量的標定是用靜標定的方法進行的，其目的是知道記錄器上的碼制信號到底代表多大的應變量或力。其原理就是在測量點上加載已知恒定的力或應變，呈梯度變化，且穩定一段時間后，記錄這時的碼制，反復加載3次以上，最后取平均值。

2.2 標定過程

在每組載荷測量點加載標定前，應以標定的最大載荷加載并穩定一定的時間，檢查加載后各測點的輸出是否穩定。加載重復三次，檢查各測點的每次輸出是否相同。檢查一切正常后，方可進行標定工作。由于測試系統是同時對這若干個點進行采集，所以，每加載一個量級，可以同時得到若干個點在該量級作用力下的測試數據，也保證了若干個點得出結果的一致性，還可以統一控制加載精度，滿足精度≤1%。

3 數據處理方法及結果分析

3.1 多元回歸分析

在對標定數據的處理上，采用的是多元回歸分析的方法。回歸分析是對具有相關關系的兩個或兩個以上變量之間數量變化的一般關系進行測定，建立一個相應的數學表達式之后，從一個已知量來推算另一個未知量，為估算預測提供一個重要的方法。圖1給出了某2個測點的標定曲線。數據的相關性從判定系數R2值可以看出，R2值都大于0.98，相關性很好，標定結果滿足要求。

3.2 試驗數據處理分析方法

飛行試驗數據處理方法，包括數據預處理階段和數據二次處理階段。

A．數據預處理階段:首先，判斷飛行數據的有效性;其次，挑取飛行狀態對應的時間段，以及該時間段對應的載荷數據;最后，通過軟件、程序去除個別奇異的數據點。

b.數據二次處理階段:按照任務要求對試飛科目對應的時間段(TOP)內的載荷測試參數計算分析，得到主旋翼每旋轉一圈，即每個旋轉周期beep(一個方位角信號)的最大值、最小值、靜態值和動態值，其計算方法如下:

(1)

(2)

由動態值()和靜態值()可以計算整個TOP內載荷如下值:

3.3 試驗數據分析及處理結果

這里，以直升機做某機動試飛科目為例，介紹對傳動系統載荷的實測情況分析及處理結果。

a)由于部件載荷受到各種因素的影響，測到的載荷在時域圖上表現為在某個恒定的值上下波動，典型的數據時域曲線如圖2所示。從圖2可以得看出:直升機做機動動作前，傳動載荷相對穩定，做機動動作后后，載荷產生一個突變，載荷迅速增大到最大值，而后又迅速下降到零點，整個過程持續時間很短，最后數據趨于穩定。分析認為這是由于駕駛員恢復直升機的操縱和飛行狀態造成的。

b)根據本文提出的載荷數據處理方法，結合FORTRAN語言，編程計算了直升機各種試飛科目中傳動系統各個載荷參數的最小靜態值、最小靜態值處的動態值、靜態平均值、最大靜態值、最大靜態值處的動態值、最小動態值、最小動態值處的靜態值、動態平均值、最大動態值、最大動態值處的靜態值、最小靜態值與最大靜態值的平均值、最小動態值與最大動態值的平均值。

c)試驗結果表明，本文計算得到的結果與XXX傳動系統飛行載荷之間的偏差不到1%，這也驗證了本文提出的數據方法的有效性和正確性，同時計算得到的載荷最大動態值對部件的疲勞定壽及飛行時的載荷安全監控有著至關重要的作用。

4 結語

本文探討了在傳動系統各部件的不同位置粘貼應變片，組成全橋電路測量傳動系統各部件不同位置上的應變;在測試系統處于待測狀態后進行靜態標定，通過靜態標定以確定應變輸出和各個載荷的對應關系;再對重復3次的標定數據進行回歸分析得出兩者之間的線性關系;之后，完成對飛行狀態下傳動系統各部件的載荷數據的采集和處理。本文完成的研究主要有以下三方面:

(1)本文進行的傳動系統載荷測量研究是應變電測基本原理的應用，采用電阻應變片組成直流全橋進行測量，利用直升機在不同飛行狀態下引起傳動系統各部件產生彎曲、扭轉及拉伸形變，通過應變測量得出載荷的大小，試驗結果表明應變電測方法應用于傳動系統測量是可行的，結果是可信的;

(2)主要的測量方法是系統靜態標定，利用系統靜態標定確定測量應變與載荷的線性對應關系，從而通過測量傳動系統部件上的應變來得到其載荷大小。所以進行系統靜態標定是本文研究傳動系統載荷測量的關鍵。

(3)根據本文提出的傳動系統載荷數據處理方法，通過FORTRAN語言編程，得到處理傳動系統載荷數據處理計算程序，并通過對載荷數據的處理及與XXX傳動系統飛行載荷的對比，驗證了本文提出的傳動系統載荷數據處理方法及FORTRAN程序的合理性，正確性。

參考文獻

[1]薛同博.傳動系統動部件的疲勞壽命分析，中國航空學會第十二屆機械動力傳輸學術討論會湖南省航空學會機械動力傳輸學術年會論文集.2005.10.

[2]佘定君.某型直升機減速器臺架試驗與分析研究.上海交通大學.2005，01，01.