飛機電動前輪操縱系統(tǒng)測試裝置設計與應用

張曉娟，劉可娜，王 山，任 杰

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 技術(shù)中心，成都 610092）

現(xiàn)代飛機向全電飛機發(fā)展，飛機的機載作動系統(tǒng)已開始由液壓驅(qū)動發(fā)展為電作動方式。飛機上出現(xiàn)了電動前輪操縱系統(tǒng)[1]。任一系統(tǒng)在裝機使用之前，必須完成試驗臺試驗。試驗臺應具備對系統(tǒng)接口、功能、性能的檢驗，模擬系統(tǒng)使用中在各種載荷下的性能，模擬系統(tǒng)的故障及故障影響，對系統(tǒng)的壽命進行摸底和考核等。本文針對某電動前輪操縱系統(tǒng)設計了一套測試裝置，并于2017年10月成功應用某飛機電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的測試，2018年3月完成了故障注入、壽命等系列試驗。

1 測試裝置概述

電動前輪操縱系統(tǒng)主要功能是與飛控計算機通訊、驅(qū)動前輪偏轉(zhuǎn)、具備BIT能力、具備電氣調(diào)零等；主要性能指標有前輪轉(zhuǎn)彎角度、轉(zhuǎn)彎角度精度、響應時間、自由偏轉(zhuǎn)角度、操縱力矩等[2]。為配合電動前輪操縱系統(tǒng)的研究，需建立相應的測試裝置。電動前輪操縱裝置通過齒輪副傳動實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)彎。測試裝置應模擬機上的電氣及機械接口、對電動前輪操縱裝置的功能和性能進行檢驗，應能進行系統(tǒng)壽命試驗。

2 測試裝置技術(shù)要求及組成

2.1 技術(shù)要求

測試裝置應模擬機上的電氣及機械接口、對電動前輪操縱裝置的功能和性能進行檢驗，應能進行系統(tǒng)壽命試驗。

測試裝置應能模擬電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的電氣和機械接口。電氣接口：電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)與機上飛管計算機通過RS422通訊、由配電裝置提供28 V電源。機械接口：電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)通過2個螺栓安裝在前起落架上，其輸出齒輪與前起落架上的齒輪嚙合。

測試裝置應能對電動前輪操縱系統(tǒng)進行加載，測試操縱力矩，操縱力矩范圍0～70 Nm。

測試裝置應配備位置傳感器，測量前輪轉(zhuǎn)彎角度，角度范圍 0～25°，角度誤差±0.5°。測試裝置需提供28 V電源，并監(jiān)測、采集電流。測試裝置需設置安全保護裝置，防止損壞機載產(chǎn)品。

測試裝置應能對電動前輪操縱系統(tǒng)的啟動力矩進行測試，產(chǎn)品啟動力矩范圍0～8 Nm。

2.2 測試裝置組成

依據(jù)以上技術(shù)要求，設計了一套測試裝置。測試裝置包括測控系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩部分[3-5]。

測控系統(tǒng)主要包括便攜式計算機、加載控制器、電機驅(qū)動器、USB采集卡、調(diào)理電路、28 V直流電源、24 V直流電源等。

機械系統(tǒng)主要包括移動小車、聯(lián)軸器、力矩電機、編碼器、扭矩傳感器、支架、起落架齒輪試驗件、起落架套筒安裝接口試驗件等。

測試裝置示意圖如圖1所示。機械系統(tǒng)安裝在移動小車臺面上，移動小車具有剎車功能，防止試驗過程中小車移動；測控系統(tǒng)放置在小車下部柜子里，小車車體上設有抽屜，放置便攜式計算機。整個測試裝置安裝布局緊湊、體積小、具有可移動性。

圖1 測試裝置外形示意Fig.1 Appearance of the test device

3 測試裝置原理

測試裝置原理框圖如圖2所示。便攜式計算機模擬機上飛管計算機，通過RS422與前輪操縱控制盒通訊，對電動前輪操縱系統(tǒng)進行控制。測試前輪操縱系統(tǒng)的輸出扭矩指標、額定加載下的轉(zhuǎn)彎速率時，由便攜式計算機通過以太網(wǎng)給加載控制器發(fā)送加載信號，通過電機驅(qū)動器控制加載電機，加載控制器采集力矩信號，進行加載電機的閉環(huán)控制。便攜式計算機通過USB采集卡實時監(jiān)控前輪操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎角度、供電電流及加載力矩。

圖2 測試裝置原理框圖Fig.2 Principle diagram of the test device

便攜式計算機實時監(jiān)控加載力矩值，當超過力矩門限值時，切斷力矩電機供電，保護機載產(chǎn)品，防止出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。

轉(zhuǎn)彎角度、速率、供電電流測量：便攜式計算機控制加載電機輸出一定扭矩（即前輪操縱系統(tǒng)的額定輸出力矩），發(fā)送轉(zhuǎn)彎角度，采集編碼器角度值，對比指令、編碼器及前輪操縱系統(tǒng)反饋的角度，進行轉(zhuǎn)彎角度測量及轉(zhuǎn)彎精度測量，同時可測得轉(zhuǎn)彎速率；便攜式計算機采集電流信號，記錄啟動電流及加載過程中電流值。

自由偏轉(zhuǎn)角度測量：前輪操縱系統(tǒng)不工作，由加載電機帶動旋轉(zhuǎn)至限位位置，讀取角度值；

啟動力矩測量：前輪操縱系統(tǒng)的啟動力矩過大，會影響前輪的回中能力。測量啟動力矩時，前輪操縱系統(tǒng)不工作，由便攜式計算機發(fā)送緩慢的力矩斜坡上升指令，觀察轉(zhuǎn)彎角度反饋值，當角度發(fā)生變化時，記錄扭矩傳感器的值，此值為起落架端的力矩，需除以減速比即前輪轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)的啟動力矩。

機械系統(tǒng)的安裝示意圖如圖3所示。圖中4和5模擬起落架上的機械接口，電動前輪操縱系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)安裝在5上，其輸出齒輪與4進行嚙合傳動；6檢測前輪偏轉(zhuǎn)角度；3檢測扭矩；1為加載電機，其輸出軸設有限位塊，模擬起落架上的自由偏轉(zhuǎn)角度限制。

圖3 機械系統(tǒng)安裝示意Fig.3 Installation diagram of the mechanical part

4 測試裝置主要元件及參數(shù)

1）加載電機

前輪操縱系統(tǒng)所需加載力矩為逆向載荷，前輪操縱系統(tǒng)工作時，加載電機工作在連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，本試驗臺選力矩電機，額定電壓28 VDC，連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩94.9 Nm，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩284.6 Nm，連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流5.4 A；力矩電機加載時工作在連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，最大加載力矩60 Nm，小于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，滿足使用要求。

2）編碼器

編碼器選用POSITAL的絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器，具有尺寸小、抗高振動和沖擊等優(yōu)點。輸入24 VDC，單圈分辨率12位，保證測試精度要求。

3）扭矩傳感器

扭矩傳感器采用應變式原理，通過集流環(huán)，電刷實現(xiàn)供電和信號輸出，精度高，穩(wěn)定可靠，可測量正反方向的扭矩值。測量范圍0～100 Nm，直線度±0.2，輸出靈敏度1。

4）DSP加載控制器

加載控制器以TI公司的TMS320F28335為核心，DSP主頻為150 MHz，指令6.67 ns，具有豐富的外設，滿足加載控制器需求。

5）數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選用研華的USB-4716采集卡，該采集卡為即插即用數(shù)據(jù)采集模塊，無需打開機箱來安裝板卡，僅需插上模塊即可采集到數(shù)據(jù)。USB-4716提供了帶有16位分辯率的16SE/8Diff輸入，高達200 kS/s吞吐量，16路數(shù)字I/O和1個用戶計數(shù)器，以及一個16位的模擬輸出。

6）信號調(diào)理箱

信號調(diào)理箱具有隔離、濾波、放大和電流轉(zhuǎn)電壓的功能，USB采集卡放置在信號調(diào)理箱內(nèi)，調(diào)理箱的尺寸大小為400 mm*350 mm*150 mm。

7）便攜式計算機

工業(yè)便攜式計算機選用具有Intelcore i5CPU、4 GB內(nèi)存、1 TB硬盤、獨立顯卡筆記本。軟件開發(fā)環(huán)境為Labwindows/CVI。

5 測試裝置應用

該測試裝置已經(jīng)通過檢驗認證，具備資質(zhì)，已完成對某型號電動前輪操縱系統(tǒng)的功能、性能檢測、產(chǎn)品的出廠驗收，并且在該測試裝置上對電動前輪操縱系統(tǒng)進行了20000次加載工作循環(huán)的壽命試驗。該測試裝置能夠?qū)﹄妱忧拜啿倏v系統(tǒng)的所有功能、性能指標進行測試，開展系統(tǒng)壽命試驗，試驗過程中測試裝置工作穩(wěn)定、可靠，無故障出現(xiàn)。試驗完成后，測試裝置完好、可繼續(xù)后續(xù)產(chǎn)品的相關(guān)試驗工作。某型號電動前輪操縱系統(tǒng)的輸出角度跟隨指令的曲線如圖4所示。

圖4 前輪角度隨指令變化曲線Fig.4 Nosewheel steering angle

6 結(jié)語

本文針對飛機電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)，設計了一套地面測試設備，實現(xiàn)對電動前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的接口、功能、性能及壽命進行試驗驗證。該測試裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、空間布局緊湊、占用空間較小、用電功耗低、噪聲小、操作方便，且具有可移動性，拆裝運輸方便。