某轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)臺(tái)扭矩檢測(cè)設(shè)備供電系統(tǒng)改造

張采泉

（航空工業(yè)直升機(jī)所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

1 某轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)臺(tái)扭矩檢測(cè)使用現(xiàn)狀

軸的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試，主要分為測(cè)應(yīng)變測(cè)扭矩、測(cè)轉(zhuǎn)角測(cè)扭矩和測(cè)反作用力測(cè)扭矩等3類方式。本文所述某轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)臺(tái)需要測(cè)量豎直向上軸系統(tǒng)的功率，但功率數(shù)據(jù)較難獲得，通常采取測(cè)量軸的扭矩和相應(yīng)轉(zhuǎn)速，通過(guò)換算得到。該測(cè)試軸為空心軸，且軸內(nèi)有控制機(jī)械組件，空間緊湊，無(wú)法安裝傳統(tǒng)的集流環(huán)測(cè)扭矩的不動(dòng)組件，因此采用貼應(yīng)變片測(cè)扭矩的方法。由于測(cè)試軸周圍環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備安裝尺寸不足，無(wú)法安裝有線供電系統(tǒng)和短距離信號(hào)接收設(shè)備，因此使用隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的供電模塊和無(wú)線采集/發(fā)射模塊。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）采集/發(fā)射模塊在試驗(yàn)臺(tái)使用200Hz工況發(fā)射頻率下電量消耗較大，且原電路安裝方式經(jīng)常拆裝容易造成接線損耗和松脫，扭矩檢測(cè)設(shè)備在未使用情況下不進(jìn)行斷電操作會(huì)持續(xù)消耗電量，導(dǎo)致試驗(yàn)期間電池使用時(shí)間遠(yuǎn)低于預(yù)期，試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常因?yàn)殡姵仉娏坎蛔銓?dǎo)致無(wú)扭矩信號(hào)，不能滿足連續(xù)在線使用3小時(shí)的要求。

（2）斷開(kāi)接線進(jìn)行斷電操作，3天內(nèi)未使用連續(xù)發(fā)現(xiàn)2次電池鼓包現(xiàn)象，排故后發(fā)現(xiàn)原因是在不使用期間僅斷開(kāi)正極，負(fù)極仍然連接著電路，在環(huán)境潮濕情況下短路造成的。

（3）反復(fù)拆裝電池蓋板進(jìn)行充電，已造成基座和蓋板螺紋受損。

2 供電系統(tǒng)改造

試驗(yàn)過(guò)程中隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的除了供電模塊與發(fā)射生模塊外，還有用于固定模塊的夾具，對(duì)于轉(zhuǎn)速較大軸來(lái)說(shuō)，其動(dòng)特性影響非常大。針對(duì)已發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，還需考慮以下內(nèi)容：

■2.1 問(wèn)題描述

原有供電系統(tǒng)的通斷電方式（見(jiàn)圖2）是通過(guò)固定螺釘?shù)牟鹧b從而實(shí)現(xiàn)接頭的插拔，這種方式容易破壞線纜接頭，且充電時(shí)需要將電池拆卸下來(lái)，會(huì)造成前后測(cè)試一致性較差。對(duì)于尾傳動(dòng)軸（此軸上的供電模塊與采集/發(fā)射模塊之間通過(guò)專用膠帶進(jìn)行固定），每次充電均需要拆除膠帶，試驗(yàn)時(shí)又要重新纏繞膠帶以固定各模塊，重復(fù)拆裝會(huì)增加額外的人力和物力。由于原有供電系統(tǒng)通斷電方式為接線螺柱固定式，使用時(shí)需要將內(nèi)芯裸露的電源線固定在螺柱內(nèi)，反復(fù)使用對(duì)電源線的損耗大，且試驗(yàn)臺(tái)在工作狀態(tài)下有松脫風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)造成試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)不穩(wěn)定，甚至斷線影響試驗(yàn)安全。

圖1 改造方法設(shè)計(jì)框圖

圖2 原有供電系統(tǒng)接線實(shí)物圖

圖3 原有供電系統(tǒng)工作和充電時(shí)的電路圖

■2.2 第一次改造

基于原有供電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，使用接線端子對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改造，如圖4所示。改造后，試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定且不斷線，但多次通斷電后，發(fā)現(xiàn)接線螺柱的損耗也比預(yù)期的大，且在線充電時(shí)仍需要將接線端子斷開(kāi)后連接充電器以進(jìn)行充電。所以，通過(guò)接線端子改進(jìn)后的通斷電方式并沒(méi)有完全解決原有供電系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，不滿足扭矩測(cè)試系統(tǒng)的要求。

圖4 改造過(guò)程及改造后的接頭

■2.3 第二次改造

為了徹底解決原有供電系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)特殊的通斷電方式。在設(shè)計(jì)此通斷電方式時(shí)，使用CATIA軟件在供電模塊和采集/發(fā)射模塊之間設(shè)計(jì)一個(gè)充電接口安裝控件，要求如下：

（1）滿足電池在不拆卸情況下直接充電；

（2）充電過(guò)程中供電模塊需要與采集/發(fā)射模塊斷開(kāi)；

（3）充電過(guò)程中采集/發(fā)射模塊不能帶電。

手機(jī)等電子設(shè)備的Ф5.5耳機(jī)插口的電路對(duì)應(yīng)的插座滿足使用要求，為DC電源插座，它是由橫向插口、縱向插口、絕緣基座、交叉接觸彈片、定向鍵槽組成，叉型接觸彈片一端為接線口，外露在基座圓柱體頂面，供連接輸入電源用，叉型接觸彈片另一端由基體互連的兩只彈性臂組成，設(shè)置在DC插頭插入方向絕緣基座插孔內(nèi)，供給電器使用，使之正常工作。插入配套Ф5.5插頭后，能夠自動(dòng)斷開(kāi)電路內(nèi)部電源。插座內(nèi)芯采用PC耐高溫塑料材質(zhì)組成，即使在工作溫度高達(dá)125℃時(shí)候，插座也不易產(chǎn)生自燃或起火。

為保證接線的便利性，以及反復(fù)插拔的可靠性、插頭的具體結(jié)構(gòu)和固定方式等因素，DC-017基座方便在電池蓋板上進(jìn)行限位，且插座引腳布置便于在蓋板中空部分進(jìn)行接線，因此設(shè)計(jì)使用DC-017插座（見(jiàn)圖5），主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖5 DC-017插座

①拔出和插入力度2.94-29.4N；

②機(jī)械壽命：5000次；

③額定：DC 12V 1A；

④接觸電阻≤0.03Ω；

⑤絕緣電阻≥100MΩ。

DC-017引腳定義：⑤電源正極，②負(fù)極靜觸點(diǎn)，③負(fù)極動(dòng)觸點(diǎn)。

基于DC-017插座進(jìn)行充電接頭安裝控件的設(shè)計(jì)，最終控件如圖6所示。充電接口安裝控件由DC-017插座和電池蓋板組成，通過(guò)左右兩排螺釘進(jìn)行連接。

圖6 新充電接口安裝控件

本裝置使用DC-017電源插座進(jìn)行充電，電源插頭插入插座時(shí)，供電模塊與采集/發(fā)射模塊間的連接自動(dòng)斷開(kāi)，充電器給電池進(jìn)行充電，如圖7所示。

當(dāng)插入插頭后，頂開(kāi)動(dòng)觸電③，切斷電路內(nèi)部電池負(fù)極通路，內(nèi)部電源停止供電，隨即接入外電源負(fù)極，與⑤③腳組成外電源供電通路，具體電路圖如圖7所示。

圖7 改造后電路圖

3 機(jī)械固定方式校核

旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)平衡直接影響其振動(dòng)水平，不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生噪聲和發(fā)生故障的主要原[1]，降低振動(dòng)值可以使得關(guān)鍵部件磨損、疲勞斷裂和突然失效的可能性降低，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的使用安全，提高運(yùn)行的可靠性。

若軸上設(shè)備質(zhì)量不均勻或上面存在不平衡力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外的離心力，造成主軸振動(dòng)[2]。在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)平衡考慮的軸以及相關(guān)部件，由于制造和裝配的不精確，材質(zhì)不均勻等原因，又會(huì)產(chǎn)生新的不平衡。因此軸上安裝完所有測(cè)試系統(tǒng)后，需要進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，降低其振動(dòng)值至可接受的范圍。

系統(tǒng)供電插頭設(shè)計(jì)的安裝方向與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于不存在制動(dòng)系統(tǒng)，插頭不會(huì)甩出。而頻繁拆裝隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的供電模塊較繁瑣，且容易影響動(dòng)平衡，因此需要設(shè)計(jì)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)電源模塊的快速通斷電，且電源模塊的轉(zhuǎn)換效率需要高、體積小、質(zhì)量輕，隨轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)小，以及不拆卸充電結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則如下：

（1）由于設(shè)備跟隨測(cè)試軸一同旋轉(zhuǎn)，需要制作專用夾具固定安裝設(shè)備，夾具質(zhì)量需要足夠小，且兩側(cè)質(zhì)量相等，盡可能考慮到圓周方向上質(zhì)量的均勻分布，不影響軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)平衡；

（2）頻繁拆裝隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的供電模塊較繁瑣，且容易影響動(dòng)平衡，設(shè)計(jì)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)電源模塊的快速通斷電以及不拆卸充電結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)。

在本文扭矩測(cè)試系統(tǒng)中，安裝軸為直徑56.6mm，豎直向上。根據(jù)需要固定的各模塊的重量、尺寸（如表1所示），并考慮安裝空間和質(zhì)量在圓周上的分布設(shè)計(jì)了工裝夾具。

表1 安裝在軸上的模塊尺寸和重量

如圖8所示，已設(shè)計(jì)安裝的工裝夾具（白色）由兩瓣緊湊的組件組成，組件之間通過(guò)兩排左右對(duì)稱的螺栓（每排3個(gè)且不共線）連接，從而確保電源模塊和采集/發(fā)射模塊測(cè)試過(guò)程中不松動(dòng)；由于電源模塊和采集/發(fā)射模塊的重量和尺寸都相差不大，兩瓣組件幾乎為對(duì)稱設(shè)計(jì)，僅在與各模塊安裝接口存在較小的差異，從而可盡量保證質(zhì)量在圓周上均勻分布；組件材料為鋁合金，其具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、尺寸小、易固定等特點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)的工裝夾具供電模塊和采集/發(fā)射模塊安裝在軸上的效果如下圖所示，圖中藍(lán)色為可充電電池，綠色為采集/發(fā)射模塊，紅色為防滑膠墊（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可選裝）。

圖8 工裝夾具及其安裝效果（軸直徑=56.6mm）

安裝在軸上各模塊實(shí)物重量測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，電源模塊與采集/發(fā)射模塊的重量差為28g，對(duì)稱安裝，兩者的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)相互抵消一部分，經(jīng)過(guò)校核，剩余部分對(duì)于整機(jī)動(dòng)平衡水平的影響在允許范圍內(nèi)，滿足扭矩測(cè)試系統(tǒng)的使用要求。

表2 模塊（含夾具）對(duì)應(yīng)重量、重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

圖9為電池蓋板及其詳細(xì)尺寸，除插座處的安裝面外，其形狀和尺寸與原蓋板相近；其重量為12.3g，較原蓋板重1.1g。通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算[3]后，質(zhì)量影響遠(yuǎn)小于軸系統(tǒng)，滿足使用要求。

圖9 電池蓋板及其尺寸

4 使用對(duì)比

軸上新供電系統(tǒng)的安裝效果如圖10所示，可通過(guò)帶紅色警示帆布袋的插頭快速進(jìn)行通斷電操作且可進(jìn)行電池的不拆卸充電。

圖10 新供電系統(tǒng)安裝效果

通過(guò)對(duì)新供電系統(tǒng)的使用，可以省去每次試驗(yàn)安裝拆卸供電模塊和采集/發(fā)射模塊的復(fù)雜程序，可以大大優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，提高可靠性，并提升工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

扭矩檢測(cè)設(shè)備供電系統(tǒng)改造后的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、充電斷電操作簡(jiǎn)單、易于管理和維護(hù)，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)供電系統(tǒng)的改造，可直接在線進(jìn)行充電，不需要反復(fù)拆裝供電模塊蓋板和插接線纜操作，提高了電路和模塊的可靠性和安全性。從目前試驗(yàn)的情況來(lái)看，扭矩檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行較好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，安全性好。