一種直線彈性推力負載加載設(shè)備的設(shè)計與分析*

(貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著全電概念的不斷推進，機載和運載火箭的液壓系統(tǒng)電動化替代工作正如火如荼。電動直線推桿的推力需求和頻響要求越來越高。對于電動直線推桿的負載能力測試的要求也越來越高。在測試過程中需要對系統(tǒng)的響應(yīng)特性、滯環(huán)和跟蹤特性進行記錄、判斷。為了實現(xiàn)系統(tǒng)測試的自動化，設(shè)計制造了一種利用高剛度彈簧提供負載推力、高精度光柵傳感器進行位移信息采集、高精度推拉傳感器進行負載幅值實時檢測的直線推力彈性負載測試設(shè)備。通過通用采集卡對位移、推力曲線與系統(tǒng)給定波形進行采集，并將各路信號匯集在測控上位機界面，進行判讀，并計算出關(guān)鍵指標。試驗結(jié)果表明：該設(shè)備實現(xiàn)了自動測試功能，負載特性更加接近系統(tǒng)實際需要，降低了測量過程中的誤差，提高了測試效率，同時避免了當前伺服加載試驗臺對產(chǎn)品帶來的危害[1-4]。

1 負載特性分析及當前測試存在的問題

1.1 負載特性分析

電動直線推桿的能力測試主要是對其輸出特性對實際驅(qū)動的外部負載特性的覆蓋性進行測試和能力判斷。因此，對負載特性的精確把控可以使電動直線推桿的設(shè)計更加精巧，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，對負載特性的適應(yīng)性更加優(yōu)良，從而大大提高系統(tǒng)效能。負載測試的覆蓋性取決于加載設(shè)備與用戶負載特性的一致性。飛機襟翼受到氣流的影響產(chǎn)生的負載特性和火箭發(fā)動機噴管(圖1)受到燃氣流的作用產(chǎn)生的負載特性類似，均為帶有一定阻尼的彈性負載特性。

圖1 噴管伺服機構(gòu)的位置

1.2 當前測試方案存在的問題

當前對于旋轉(zhuǎn)方式輸出的機電設(shè)備的負載能力測試，通常采用力矩桿獲取彈性特性負載，而且為純彈性負載特性，而負載的阻尼特性往往未能附加進去，使得測試過程無法模擬真實系統(tǒng)中產(chǎn)生的震顫，測試覆蓋性不夠。對于電動直線推桿來說，通常采用力矩桿轉(zhuǎn)換，將力矩桿的旋轉(zhuǎn)彈性負載轉(zhuǎn)換為直線彈性負載考核模式，同樣存在上述問題。由于力矩桿利用材料的彈性特性，隨著大負載測試的需要，通過增大力矩桿的體積提高扭矩，會使得力矩桿外表面產(chǎn)生過大線性位移，發(fā)生塑性變形，因此，隨著大功率伺服系統(tǒng)發(fā)展，測量直線推力和行程的增大，通過力矩桿的加載檢測方式已經(jīng)無法適應(yīng)。

隨著伺服系統(tǒng)的發(fā)展，近年來，舵機類產(chǎn)品的測試，出現(xiàn)了采用更高頻響的伺服系統(tǒng)加載的測試方式，通過推力閉環(huán)和上位機軟件規(guī)劃，獲得更加精確的不同類型的負載特性輸出模型，但是研制更高頻響、更大推力的測試設(shè)備相比于舵機本身的研制，顯得更加困難，需要更高的成本，而且由于系統(tǒng)的復(fù)雜化，在系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，做出運動判斷的閉環(huán)過程中存在著滯后性，往往無法適應(yīng)被測系統(tǒng)瞬時加速度而產(chǎn)生沖擊載荷，導(dǎo)致設(shè)備在加速瞬間受到巨大的沖擊載荷，根據(jù)測試情況來看，這個負載遠超過產(chǎn)品本身所能承受的破壞負載，從而導(dǎo)致產(chǎn)品受損。

2 測試設(shè)備工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 測試設(shè)備工作原理

本測試設(shè)備為彈性被動式加載方式，通過壓縮彈簧產(chǎn)生推力負載，加載平臺采用導(dǎo)軌支撐，在連接桿處設(shè)置絲杠止轉(zhuǎn)裝置和阻尼裝置，從而獲得附加阻尼推力。通過設(shè)置在測試設(shè)備傳動環(huán)節(jié)上的力傳感器、位移傳感器，精確測量被測系統(tǒng)輸出的推力和直線位移。

測試設(shè)備工作原理圖如圖2所示，通過上位機測試平臺發(fā)送控制器運行指令，控制被測系統(tǒng)運行，通過加載平臺對被測系統(tǒng)進行加載，連接在加載平臺上的傳感器實時將被測系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果向上位機系統(tǒng)反饋。通過多通道采集模塊，對給定信號、被測系統(tǒng)執(zhí)行情況和末端實際運行情況進行數(shù)據(jù)采集，集中反映在上位機采集界面。系統(tǒng)對采集到的波形進行計算、判讀，并自動生成測試報告。

圖2 系統(tǒng)測試原理圖

圖3 上位機檢測平臺及 數(shù)據(jù)采集界面

上位機采用基于Labview軟件圖形化編程環(huán)境開發(fā)的上位機系統(tǒng)，可將被測系統(tǒng)運動過程中加載平臺上力傳感器和位移傳感器信號進行采集，與發(fā)送的控制信號同屏顯示，便于對比，通過計算評估系統(tǒng)的跟隨特性、響應(yīng)特性，同時生成測試報告，實現(xiàn)自動測試。上位機采集界面如圖3所示。

上位機檢測平臺與各系統(tǒng)參數(shù)接口采用通用VGA接口。

2.2 加載平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

加載平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。由平臺、阻尼設(shè)置裝置、推拉力傳感器、加載桿、直線導(dǎo)軌、拉力調(diào)節(jié)裝置、推力調(diào)節(jié)裝置和光柵傳感器構(gòu)成。調(diào)節(jié)阻尼設(shè)置裝置，增大或減小系統(tǒng)加載的摩擦力值；調(diào)節(jié)推力調(diào)節(jié)裝置，增大或減小彈性負載最大值范圍。被測系統(tǒng)直線推桿通過兩端鉸鏈與加載平臺連接，通過上位機采集界面將推拉力傳感器數(shù)據(jù)和光柵傳感器數(shù)據(jù)繪制成時間軸曲線，并生成檢測報告。

圖4 加載平臺結(jié)構(gòu)圖

3 試驗測試情況

負載設(shè)備完成了三項在制產(chǎn)品的系統(tǒng)測試，圖5所示為ZL-47一體化交流伺服電機組件測試實物圖；圖6所示為J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機組件測試實物圖。

圖5 ZL-47一體化交流伺服電機組件測試實物圖

圖6 J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機組件測試實物圖

先后有多重類似直線位移輸出形式的產(chǎn)品在本系統(tǒng)上完成了階躍響應(yīng)測試、頻率掃描測試和滯環(huán)測試(圖7-圖9)，測試結(jié)果采用曲線實時顯示，對數(shù)據(jù)的判讀以及圖標的自動保存，與傳統(tǒng)的測試方法相比，杜絕了人工判讀測試人員主管因素的影響，使測試變得方便，測試效率大幅度提高。兩種產(chǎn)品在平臺上完成了80 h連續(xù)壽命試驗，產(chǎn)品在試驗過程中通過負載實時反饋數(shù)據(jù)可以看到，在高頻工作過程中，過載沖擊不超過1.5%，對產(chǎn)品本身不會造成任何過載損傷，而且又能夠準確反映出負載的特性。

圖7 ZL-47一體化交流伺服電機組件10 mm階躍響應(yīng)特性測試

圖8 J55ST-XDZ01-CJ交流伺服電機組件15 mm階躍響應(yīng)特性測試

圖9 ZL-47一體化交流伺服電機組件±2 mm幅值20Hz掃頻測試

4 結(jié)束語

本文從工程實際出發(fā)，分析了大推力直線推桿的負載特性以及主流測試方法存在的問題。通過對加載臺的工作原理的分析和加載方式的選取，設(shè)計一種直線形式的彈性推力加載測試平臺，更加準確的模擬實際負載狀況。在實際產(chǎn)品的測試過程中檢驗并驗證了測試方式的可行性。采用該設(shè)備進行產(chǎn)品檢測、試驗，實現(xiàn)了測試自動化，減少操作人員，提高檢測的精度和準確性，提高了試驗的效率。