航空惯性试验台倾斜调姿装置设计

2019-12-26白钧生

组合机床与自动化加工技术 2019年12期

崔雄，陈亮，白钧生，李宋，司冀

(中国飞机强度研究所，西安 710065)

0 引言

航空惯性试验台是检验航空轮胎、机轮和刹车装置的性能和可靠性的设备[1]，一般由加载设备、鼓轮组件、电机、辅助设备等组成。鼓轮组件提供相当于飞机动能的能量，加载设备模拟飞机重量和姿态带动机轮相对鼓轮表面加载。

飞机在跑道上着陆、滑行过程中，机身会产生倾斜姿态，机轮与地面会形成一定的倾斜角度。为了测试机轮在倾斜状态下的性能，试验台除能模拟飞机垂直鼓轮轴线(水平面内)加载外，还应模拟飞机倾斜加载，包括径向-侧向联合载荷试验[2]，动力矩试验等[3]。

因此，需要设计一套倾斜调姿装置完成倾斜加载试验。目前已有的航空惯性试验台，实现倾斜调姿的方法有如下几种：一种是通过行车驱动绳索、导向滑轮拉动加载设备后端在水平面旋转实现倾斜角度模拟。该设计的缺点是倾斜角度、精度难以调整且结构松散；另一种是将机轮轴依据实际倾斜角度直接设计为倾斜轴，机轮安装到轴上后即可实现倾斜角度模拟。该设计缺点是针对不同的倾斜角度需要加工对应的倾斜轴，轴数量多、成本高且不能实现倾斜角度的自动调整。

1 倾斜调姿装置设计

针对目前已有设计的不足，提出了一种多液压油缸步进式自动倾斜调姿装置设计，可驱动试验台整个加载设备后端在水平面内以步进的方式自动旋转，模拟机轮倾斜角度并进行倾斜加载试验。机轮倾斜、试验台倾斜示意分别如图1、图2所示。

图1 机轮倾斜示意图

图2 试验台倾斜调姿示意图

如图3所示，该倾斜调姿装置安装在加载设备后端，主要由步进机构、顶升机构、圆弧导轨、枢轴等组成。

其中，步进机构安装在加载设备后端底面，包含推移油缸、插销油缸、定位油缸，且插销油缸与推移油缸活塞杆相连。顶升机构数量为两套，对称安装在加载设备后端两侧，分别包含一个顶升油缸。枢轴中心位于加载设备前端，试验台鼓轮表面切线正下方。圆弧导轨支撑在加载设备底部，圆心与枢轴中心重合，表面依据步进角度设计插销孔。

图3 倾斜调姿装置结构图

整个装置在5个液压油缸逻辑运动及圆弧导轨、枢轴配合下，以步进的方式实现试验台自动倾斜调姿。

1.1 工作原理

如图4所示，运动前插销油缸、定位油缸活塞杆均伸出插入到圆弧导轨插销孔中。

倾斜调姿时，首先由两个顶升油缸将整个加载设备抬高，插销油缸活塞杆收回脱离圆弧导轨。其次，推移油缸活塞杆伸出，带动插销油缸向前移动，到达下一个插销孔位置时推移油缸停止运动，插销油缸活塞杆伸出插入到圆弧导轨插销孔中，定位油缸活塞杆收回脱离圆弧导轨。随后，推移油缸活塞杆收回，在收回过程中插销油缸在圆弧导轨插销孔反作用力下驱动整个加载设备绕枢轴旋转至下一个插销孔位置，推移油缸停止工作，定位油缸活塞杆伸出插入到圆弧导轨插销孔中，实现一个完整的步进运动过程。

上述运动中，加载设备在单个步进运动过程中调姿的角度为两插销孔间隔角度，且保持不变。如此不断地循环步进即可达到所要求的倾斜角度，最后两个顶升油缸活塞杆收回，加载设备重新落到圆弧导轨表面，即可开始试验。

图4 倾斜调姿运动原理图

1.2 圆弧导轨设计

圆弧导轨结构如图5所示，采用“工”字型结构，主要作用是支撑整个加载设备旋转，同时通过插销孔为步进机构提供驱动反作用力。导轨表面依据单次步进角度确定插销孔位置，依据试验台倾斜角度确定插销孔数量，销孔间距通过数控加工保证分度准确。

图5 圆弧导轨结构图

1.3 步进机构设计

步进机构结构如图6所示，由推移油缸、插销油缸、定位油缸、插销、底座、滑块、连接杆、导杆等结构组成，主要作用是驱动整个加载设备进行旋转。

其中推移油缸和插销油缸通过底座与加载设备固定，插销油缸通过滑块、连接杆与推移油缸活塞杆连接。工作时，推移油缸活塞杆带动插销油缸运动并驱动整个加载设备旋转。

图6 步进机构结构图

在步进机构的设计中，有如下几个关键点。

(1)插销结构设计

步进机构在运动过程中，为了保证运动精度，插销与圆弧导轨插销孔配合间隙很小。加工制造、安装、控制信号等因素所造成的误差都有可能导致插销无法插入到圆弧导轨插销孔中，进而导致整个运动过程的中断。因此，将插销顶端设计为圆锥面并倒圆角，该部分设计详见后述内容。

(2)作动筒保护设计

步进机构在运动过程中，插销油缸活塞杆受到插销孔单点侧向载荷作用，在反复的运动过程中会对作动筒造成损害。因此，在插销油缸和定位油缸插销处设计滑动轴承，相当于在作动筒活塞杆处增加一个支点，活塞杆双点承受侧向载荷，能够有效保护作动筒。

1.4 顶升机构设计

顶升机构结构如图7所示，由外壳、顶升油缸、滚轮、移动托架、限位导轨、调节螺母、夹头等结构组成。主要作用是在倾斜调姿前将整个加载设备抬高，支撑加载设备旋转。

其中，外壳与加载设备固连，顶升油缸安装在外壳顶部，滚轮通过移动托架、调节螺母与顶升油缸的活塞杆相连。工作时，顶升油缸活塞杆伸出带动移动托架沿限位导轨向下滑动，滚轮与圆弧导轨接触后在反向作用力下将整个加载设备抬高。同时滚轮可在圆弧导轨上滚动，带动整个加载设备旋转，降低运动过程中的摩擦阻力。

图7 顶升机构结构图

在顶升机构的设计中，有如下几个关键点。

(1)调节螺母设计

顶升机构对称安装在加载设备两侧，由于制造、安装误差等可能会导致两个顶升机构高度不一致，为保证整个加载设备的水平，需要在设计中预留高度调节装置。

因此，通过在顶升油缸活塞杆上安装两个调节螺母实现对顶升机构高度的调节。

(2)外壳倾斜角度设计

在运动过程中，由于加载设备在滚轮支撑下沿圆弧导轨进行旋转，滚轮运动轨迹必须与圆弧导轨中心线保持一致。因此，外壳初始设计倾斜一定角度，如图8所示，保证顶升机构运动时与圆弧导轨中心线切线方向一致。

图8 顶升机构安装示意图

(3)限位导轨设计

在倾斜调姿过程中，滚轮运动轨迹必须与圆弧导轨始终保持一致。为了防止滚轮在运动过程中方向发生改变，在顶升机构上设计有限位导轨。在运动过程中，限位导轨通过移动托架将滚轮限制在固定方向，并且支撑移动托架上下滑动，有效的防止滚轮运动方向的改变。

2 运动误差分析及解决措施

上述倾斜调姿装置采用液压驱动方式，通过5个液压油缸逻辑步进运动实现试验台倾斜角度。其基本运动原理是以推移油缸活塞杆的直线运动实现加载设备的圆弧旋转运动，如图9所示。

图9 运动原理示意图

假设圆弧导轨中心半径为R，单次步进角度分度为α，角度精度要求为β，推移油缸到达下一个插销孔中心位置活塞杆位移为L。则插销中心相对插销孔中心位置会产生偏差δ，有

(1)

(2)

式中，α为单次步进角度；L为推移油缸活塞杆位移；R为圆弧导轨中心半径；δ为插销中心相对插销孔中心位置偏差。

该偏差的产生会导致插销无法插入圆弧导轨插销孔中，整个倾斜调姿过程无法顺利进行，为此采取如下解决措施。

2.1 插销结构设计

首先，依据试验台整体受力工况确定插销直径；其次，为保证插销顺利插入，插销与圆弧导轨插销孔设计为间隙配合，且将插销顶端设计为圆锥面并倒圆角。

运动时插销与插销孔的间隙及插销圆锥面设计可保证插销圆锥面首先顺利插入插销孔中，随后在插销油缸的推动力下插销可沿圆锥面整体插入到插销孔中，保证单次步进运动完成。插销孔直径、圆锥面顶端直径及圆锥面夹角计算如下。

(3)

(4)

(5)

式中,φ1为圆弧导轨插销孔直径；φ2为插销直径；φ3为插销圆锥面顶端直径；θ为插销圆锥面夹角；L为圆锥面高度。

2.2 运动误差校正

上述插销结构设计，仅能够保证单次步进运动的顺利完成。由于插销与插销孔始终存在配合间隙，在下次步进运动时会形成误差的累积，导致机构不能实现连续步进运动。因此，采取定位油缸校正运动误差，如图10所示。

(a) 推移油缸伸出后误差产生

(b) 单次步进运动后误差仍存在

具体校正方法为：在初始设计时，依据圆弧导轨插销孔位置精确设计定位油缸位置，即定位油缸插销中心位置与圆弧导轨插销孔中心位置重合，且定位油缸与插销孔公差配合，间隙很小。将定位油缸插销同样设计为圆锥面，当插销油缸每步进运动一次产生偏差时，定位油缸通过与插销孔的配合将产生的运动误差校正，从而保证步进机构连续运动。