基于電液比例控制的襟翼驅動器液壓加載系統

于之靖，郭威

(中國民航大學航空地面特種設備研究基地，天津300300)

隨著我國國民經濟的快速發展，民航運輸業也進入一個快速發展時期。隨著機隊規模的快速發展，飛機故障頻次逐漸加大，對維修時間要求越來越嚴。在飛機起飛以及著陸等低速階段，安裝在機翼前緣和后緣的襟翼是飛機的重要的增升裝置。襟翼的傳動機構復雜，所以由于襟翼系統故障造成的飛行安全事故時有發生。例如2007年6月22日北京飛往英國希思羅機場的A340 飛機就因襟翼卡阻故障而兩度放油返航。襟翼內部傳動結構中襟翼驅動器起到類似減速箱的作用，是實現襟翼收放動作的核心部件。通過315∶1的傳動比，將高速運轉的襟翼驅動軸的小扭矩轉換成為襟翼驅動搖桿的大扭矩，從而控制襟翼的展開和收回，起到改變翼型彎度、增加機翼面積和保持層流流動的作用，使飛機可以在機翼面積有限的情況下，產生足夠的升力。因此，襟翼驅動器是襟翼傳動機構的關鍵部件，對其進行定期維護、故障檢修以及性能測試就顯得尤為重要。

在國外，只有豪富(Goodrich)針對其本身生產的襟翼驅動器開發的測試系統和Emprise 公司與相關大學為Curtiss-Wright Flight Systems 開發的針對Boeing 747/767 等系列機型的襟翼驅動器測試臺。由于技術封鎖，上述襟翼驅動器測試系統沒有對外發售和展示，因此極大地影響到國內的維修與測試能力。目前，國內對襟翼驅動器及其傳動系統的深度維修和測試工作在國內尚屬空白，在適航規定周期(每300 飛行小時)的檢修和測試工作一般要返回國外進行，維修周期較長，這就需要相應航空公司增加航材的備件種類和數量。如對應空客A319/A320 系列，就有791、792、793、794 等系列多個型號襟翼驅動器，單臺價格在100 ～200 萬元人民幣，極大地增加了維修成本，同時嚴重地影響到飛機的維修效率，不利于我國大力發展大飛機項目的長遠規劃。為此，針對空客A319/A320 飛機研制了一套襟翼驅動器測試系統，對襟翼驅動器進行性能、故障測試，減小飛機飛行事故的概率，提高國內襟翼驅動器的深度維修能力。

文中介紹的襟翼驅動器液壓加載系統是整個測試系統的液壓加載部分。襟翼驅動器在工作過程中，其輸出軸端最大扭矩將達到5 000 N·m 的動態載荷，并且在扭矩限制器失效時，為了避免襟翼驅動器損壞，還要實現可靠保護。故需要對襟翼驅動器在實際工作中的輸出軸端工況進行模擬，檢測其是否達到適航要求，必須采取穩定可靠的加載方式。如果采用常規的機械加載或電加載模式，將極大地增加測試系統的體積或造價，并且安全防護措施難于實現，造成可能的被測襟翼驅動器二次損壞。為此研究采用電液比例控制的液壓馬達加載方式，減小系統的體積，增加系統測試的靈活性和可靠性。以S-300PLC 為核心，通過模擬量輸出模塊按照一定的邏輯順序通過輸出電壓信號連續、按比例地對液壓回路壓力進行調節，控制液壓馬達對被測襟翼驅動器的扭矩加載。

1 系統電氣組成

被測襟翼驅動器結構上為不規則小型齒輪箱，安裝在特殊設計的測試臺上。平臺采用導軌和微調機構，便于被試件的拆裝和測試系統的調校;輸入軸端輸入扭矩由伺服電機給出，在此不作詳細介紹;輸出軸端連接扭矩傳感器和液壓馬達。電氣控制系統安裝在電氣控制柜中，采用西門子面板式工控機PC670作為上位機，通過組態軟件WinCC 與下位機PLC 實現通訊和監控。

S7-300PLC 是西門子公司出品的一種經典的工業控制單元，其良好的性能、豐富的擴展模塊和人性化的人機交互方式使其在工業控制領域的應用日趨廣泛。采用S7-300PLC 作為下位機，控制液壓回路主要元件并采集傳感器數據實現反饋;傳感器負責現場模擬信號的采集。整個測試系統結構框圖及液壓加載系統實物圖如圖1所示。

圖1 測試系統及液壓站

2 液壓加載回路原理

液壓加載回路如圖2所示。測試項目要求加載馬達能夠提供0 ～5 000 N·m 的雙向轉矩。系統中，加載電機和泵源為系統提供壓力;溢流閥控制系統壓力上限從而保證測試安全性;PLC 通過數字開關量控制中間繼電器，控制電磁換向閥閥芯位置改變油液流向，從而改變加載馬達轉向實現正反向測試;PLC 通過模擬量輸出模塊向比例溢流閥輸出電壓信號，通過控制系統壓力在0 ～5 000 N·m 范圍內調節馬達輸出扭矩。

圖2 加載系統液壓回路

3 系統選型和軟件程序實現

3.1 系統元件選擇

對加載馬達的要求是實現0 ～5 000 N·m 的扭矩加載。測試時被測件驅動軸轉速維持在0 ～392 r/min，根據傳動比得出馬達轉速應在0 ～1.25 r/min。故選擇低速大轉矩徑向柱塞式馬達INM5-2000。該馬達活塞與擺缸不存在側向力，活塞底部設計成靜壓平衡，活塞與曲軸之間通過滾動軸承傳遞扭力，這些均減少了傳力過程中的摩擦損失，具有高的機械效率、啟動扭矩(啟動時機械效率0.92以上)等特點;液壓泵源選擇CBN-F308 型齒輪泵，該型泵結構簡單、效率高、使用可靠，額定輸出壓力為20 MPa，最高可達到25 MPa，滿足回路控制壓力要求;比例溢流閥選擇ATOS 的RZMO 型直動溢流閥。PLC 輸出的模擬電壓信號不能直接控制比例閥，必須經過放大器的轉換。選用ATOS 的E-MI-AC 型電子放大器，將輸入(電壓)信號轉化成比例閥所需適當的驅動電流以校準閥的調整量，使之與輸入(電壓)信號相對應。轉換過程如圖3所示。

圖3 比例閥控制方式示意圖

為了穩定地控制系統壓力，必須確定比例溢流閥的死區。比例閥的輸入電壓U 與壓力輸出信號p 關系如圖4所示。圖中曲線表明:電壓高于0.1 V 時，比例閥打開，故為保證比例閥連續可調，PLC 程序設計中輸入放大器的模擬電壓必須大于0.1 V。

圖4 比例閥U(V)－p(MPa)特性曲線

3.2 PLC 控制程序的設計與實現

選用314C-2DP 型PLC。電源模塊提供24 V 直流電，自帶24 入/16 出數字量單元和5 入/2 出模擬量單元。CPU 主要負責程序的設計、存儲、數據處理等功能;數字量單元主要負責接受現場開關量信號，經過光電隔離與濾波，把信號輸送到輸入緩沖區等待采樣，并通過背部總線把開關信號以二進制方式寫入輸入過程映像表;模擬量單元通過A/D 或D/A 轉換器實現模擬信號數據的寫入或輸出。輸入模擬量包括:扭矩(0 ～10 V)、系統壓力(0 ～10 V)、油溫(Pt100)，反饋模擬量經由PLC 的模/數轉換模塊轉化為信號的實際值，顯示在監控界面上。監控程序設有報警功能，當系統油溫或壓力超過一定值時，監控界面點亮紅燈報警。輸出為比例閥進口壓力控制信號(0 ～10 V)。

加載程序根據實驗要求設計為兩種加載方式:定值加載模式和曲線加載模式。定值加載模式下，通過模擬量輸出直接控制輸出電壓調整系統壓力，快速對被測件實現1 000 N·m/2 300 N·m 的加載并維持;當設為曲線加載模式時，由0 線性加載到5 000 N·m，通過用戶給定加載時間t(ms)，通過OB35的循環掃描實現每次掃描增加 ［(5 000 t)/20］N·m。模擬量輸出對應的電壓關系為10 V，對應馬達扭矩上限6 573 N·m，加載扭矩輸入通過操作數MD50 加以控制，故:

Vout=(nMD50/6 573)×10 +0.1

最后加0.1 是為了防止比例閥關死。加載程序框圖如圖5所示。

圖5 PLC 扭矩控制流程圖

3.3 加載試驗過程及結果

(1)定值加載實驗。襟翼驅動器輸出端扭矩(加載扭矩)保持在1 000 N·m/2 300 N·m，輸入端由伺服電機驅動速度從0 直至120 r/min 并保持，此時的輸入端力矩若小于6.74/13.04 N·m，表明被測件運轉正常。

(2)曲線加載實驗:輸入端速度維持在392 r/min，在設定時間內輸出端扭矩從0 線性加載到5 000 N·m，當加載到3 400 ～3 900 N·m 時，襟翼驅動器上的力矩限制器起作用，扭矩不再增加，此時輸入端扭矩應小于70 N·m。反向測試方式同上。監控程序中加載扭矩和加載電壓隨加載時間t 的變化趨勢如圖6所示。

圖6 扭矩、電壓隨時間t 變化趨勢圖

4 結論

實驗結果表明:電液比例技術在襟翼驅動器液壓測試系統中的使用，能夠使系統實現對扭矩的線性調節，調節范圍廣，精度高，響應快;通過S7-300PLC模擬量模塊直接控制比例閥，并通過軟件程序實現了對比例閥死區的補償，提高了測試的準確度;操作簡單，WinCC 監控界面能夠直接對系統進行控制和監控;系統實現了襟翼驅動器的扭矩測試，解決了結構上的難題，填補了飛機襟翼關鍵部件適航審定測試在機務維修領域的空白。能夠應用到相關維修公司/維修基地等單位，一方面能夠打破國外公司的技術封鎖和維修測試壟斷，提高國內對襟翼驅動器的深度維修測試能力，降低維修測試成本;同時也可以減少備件庫存、縮短維修時間、提高維修效率。

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