多點協調加載系統加載單元定位系統設計

楊家奎 張建

摘 要：多點協調加載系統廣泛應用于航空、船舶、汽車等工業領域大型結構件靜力和疲勞試驗，本文基于航空懸掛發射系統靜力試驗特點，對加載單元如何高效準確定位進行了研究，提出了一套用于水平承載的兩自由度加載單元定位系統，該系統采用激光器精準標記，步進電機高效定位，大大提高試驗安裝效率，減少試驗由于加載方向偏離而帶來的影響。

關鍵詞：多點協調加載系統；懸掛發射系統靜力試驗；加載單元定位

1引言

利用多點協調加載系統進行飛機結構靜強度試驗，需要一整套工裝系統固定試驗件和加載單元，實現高強度承載。傳統的工裝以龍門架和承力柱為主，樣品固定在龍門架上，通過吊裝移動承力柱到指定位置，用螺栓與地軌連接，再安裝加載單元到指定高度與承力柱緊固。這種安裝方法不僅操作繁瑣，效率低下，還很難定位試驗件的加載點，導致傳力路徑偏離，載荷加載不真實。較差的定位結果會直接導致加載方向的偏離，引起結構件的提前破壞或試驗的不準確。由此可見，加載單元良好的定位效果，對靜力試驗尤為重要。

為了解決加載單元定位不準和安裝繁瑣的問題，本文基于懸掛發射系統靜力試驗要求，擬設計制作一套加載單元定位系統，使多點協調加載系統加載單元與工裝連接后，能夠在安裝平面進行一到兩個自由度的自由移動和定位，從而大大提高安裝效率，提高定位精度。

2方案設計

懸掛發射系統靜力試驗如圖1所示，通常將樣品掛裝在龍門架上，通過多點協調加載系統在各個方向進行加載，從而模擬飛機在飛行過程中各種動作下的載荷工況。常用的加載方向有航向（X向）、側向（Z向）和垂向（Y向），加載單元需要固定于工裝立柱上進行水平加載，那么對于工裝立柱來講往往會受到較大的橫向載荷。如果要求工裝立柱實現兩自由度（X向和Y向）的運動，尤其是垂向（Y向）運動，只能采取電機帶動滾珠絲杠的運動方式，但滾珠絲杠的橫向承載能力較差，很難在試驗中起到應有的承載作用。如果使用碟簧受壓產生的變形，將外部橫向載荷傳遞至承力框架，則能避免滾珠絲杠等運動部件承受橫向載荷，滿足工裝自動升降的同時也能承受較大的橫向載荷。

基于以上考慮，并根據實際使用情況，加載單元定位系統以如下技術指標為例進行設計：

（1）垂向負載≥10kN，水平最大承載250kN；

（2）高度2000mm，可升降有效行程≥1600mm，水平行程（0～3000）mm可調，行程最小離地高度≤400mm；

（3）升降速率≤60mm/s，重復定位精度不低于0.1mm，可任意位置鎖死。

2.1設計思路

2.1.1水平承載

因為現有絲杠或滑塊均無法承受250kN載荷，而分布承載又對加工精度的要求太高，調試難度太大，且壽命無法保證。因此，考慮使用承力框架承受250kN載荷，則需要設計一套載荷轉換裝置。在導軌的運動單元上設計轉接碟簧，可在任意位置定位后，使用螺栓預緊固定。當碟簧壓縮時，運動單元與承力框架接觸，通過承力架傳遞載荷。

試驗載荷的施加則考慮使用柔性鋼絲繩加載，加載單元和鋼絲繩的接頭相連，安裝于承力框架基座處，在框架內經過滑輪轉向，由運動單元處導出，通過調節拉桿與試驗鋼絲繩相連。

2.1.2兩自由度運動

由于加載單元定位系統負載重，水平承載大，有較大的傾覆力矩，在承力地軌水平面很難通過電機帶動滾珠絲杠的方式實現水平運動。因此，設計時考慮使用專門的鋼軌和電動拖車，安裝于承力地軌上，再將定位系統安裝于電動拖車上，在讓電動拖車沿地軌進行水平移動。為了防止承載時工裝傾覆，在承力地軌兩端設置專用的承力墻，將電動拖車限位固定，以保障在加載時結構穩定。

垂向運動有兩種方案有兩種設想，一種是電動吊車配合圓柱導軌，一種方案是步進電機帶動滾珠絲杠。電動吊車的優點是可靠性高，缺點是定位精度較差；而步進電機的優點是定位精度高，缺點是安裝精度高，需要編制控制程序。綜合考慮定位精度的要求，推薦使用方案二步進電機帶動滾珠絲杠的方式實現垂向運動如圖2所示。

2.2系統原理

一套加載單元定位系統如圖3所示，包括具備大承載能力的承力框架；用于實施目標拉力的鋼絲繩；調整鋼絲繩方向的導入滑輪及導出滑輪；用于實現空間運動的電機、電機支座、絲杠、滑塊、滑板；用于實現位移補償能力的碟簧；實現空間定位的激光器及鎖緊的承力螺栓等。

承力框架為柱形鋼材的主承力結構，設置有導入孔、導出孔、定位導向孔；承力框架與導入滑輪的支座、電機支座、絲杠支座均固定螺接。多點協調加載單元位于承力框架外部，加載單元伸出端與鋼絲繩相連，鋼絲繩通過導入孔進入承力框架內部，并在導入滑輪處換向，再經過導出滑輪換向，通過滑輪座上的滑輪座導向孔、滑板導向孔、導出孔伸出承力框架外，對外部樣品施加載荷。

滑塊與滑板用螺栓固定連接，導出滑輪用螺栓固定安裝在滑輪座上。滑輪座上還設置有導向螺栓定位孔、承力螺栓定位孔。導向螺栓穿過滑輪座上的導向螺栓定位孔與滑板固定連接，且滑輪座與滑板之間為碟黃，導向螺栓穿過碟黃中心，起到導向作用。導向螺栓定位孔的直徑大于導向螺栓的直徑，因此，在受力時，滑輪座可沿導向螺栓的軸向自由運動。

電機帶動絲杠旋轉，并驅動滑塊運動，進而帶動滑板、滑輪座、滑輪一起運動。滑輪座與滑板之間形成的間隙為主動間隙。滑輪座與承力框架形成的間隙為被動間隙。當到達指定位置后，通過激光器斑點對樣品加載點進行精準定位，以保證最優結果。定位后，承力螺栓通過承力框架上的定位導向孔與承力螺栓定位孔連接；在擰緊過程中，碟黃受力壓縮，主動間隙和被動間隙均減小；當被動間隙減小至零時，滑輪座與承力框架緊密相連；此時，滑板所受的力，也即為絲杠所受的橫向力為碟黃的彈力。實現空間定位后，作動器帶動鋼絲繩產生拉力F，滑輪上的力通過滑輪座傳遞至承力框架，可見絲杠并不承受F的作用，即實現了承載結構的轉移。

2.3仿真分析

為了考核加載單元定位系統結構強度和剛度的安全性，針對其最嚴工況，即垂直最高升限位置施加水平載荷250kN為條件進行有限元分析。分析結果如圖4圖5所示，其最大應力為156MPa，最大變形量為0.7mm，結構設計滿足強度和剛度要求。

3結束語

本文基于懸掛發射系統靜力試驗，提出了一套加載單元定位系統的設計方案，以實現多點協調加載系統加載單元的高效定位。其優點是大大提高了靜力試驗安裝效率，節約了人力和時間成本；通過激光定位提高了定位精度，減少加載方向的偏移引起的誤差。缺點是水平位移拖車笨重，占用承力地軌，對場地要求較高。

該系統目前僅能用于靜力試驗水平加載，對于非水平方向的加載，系統還可以繼續優化設計。譬如飛機平尾垂直向上的加載，亦可通過本文提出的運動單元在水平橫梁的移動定位而實現，又或者是結構件帶角度斜向加載，也可集成在三角工裝上。總之，這種通過碟簧變形實現力轉移的裝置，讓傳統固定的加載單元擁有了運動的屬性，對大型結構件靜力試驗施力點的精準定位起到了積極作用，使多點協調加載系統的應用更為廣泛。

參考文獻：

[1]劉博，王有杰.多通道靜力協調加載系統[J]. 四川兵工學報， 2014， 35（3）： 126-129.

[2]邢佶慧，黃河，張家云，楊慶山.碟形彈簧力學性能研究[J]. 振動與沖擊， 2015， 34（22）： 167-172.

作者簡介：

楊家奎，男，漢，籍貫河南信陽，出生年月1991年5月，研究方向力學環境試驗方向。

張建，男，漢，籍貫四川成都，職稱高級工程師，1984年3月，研究方向力學環境試驗方向。