馬峰濤，劉文勝，王媛媛

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；3.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039）

自動(dòng)傾斜器大軸承作為旋翼總距及周期變距操縱的一個(gè)環(huán)節(jié)，是直升機(jī)操縱系統(tǒng)的重要組成部分。如果大軸承的使用時(shí)間超出使用壽命，不僅會(huì)增加自動(dòng)傾斜器的維護(hù)成本，還會(huì)危及直升機(jī)的飛行安全。因此，通過耐久性試驗(yàn)?zāi)M大軸承真實(shí)工作環(huán)境獲取其使用壽命［1］，從而合理確定使用時(shí)間限制，對(duì)確定大軸承及自動(dòng)傾斜器的監(jiān)控檢查和維護(hù)時(shí)間等工作非常重要。

目前，直升機(jī)普遍采用環(huán)式自動(dòng)傾斜器，大軸承安裝于自動(dòng)傾斜器的動(dòng)環(huán)與不動(dòng)環(huán)之間［2］，軸承內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，外圈轉(zhuǎn)速與旋翼轉(zhuǎn)速一致，載荷主要來自主旋翼的氣動(dòng)鉸鏈力矩，包括彎矩和軸向力。為準(zhǔn)確模擬大軸承真實(shí)的安裝形式、運(yùn)動(dòng)情況、受載情況、潤(rùn)滑條件等，研制了直升機(jī)自動(dòng)傾斜器大軸承耐久性試驗(yàn)機(jī)。

1 試驗(yàn)機(jī)工作原理

直升機(jī)自動(dòng)傾斜器大軸承耐久性試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖1所示，為真實(shí)模擬直升機(jī)上大軸承的安裝形式，試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架采用立式結(jié)構(gòu)。三相異步電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸和被試大軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承內(nèi)圈與加載橫梁通過螺紋連接固定，實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。加載橫梁的兩端分別與2個(gè)加載液壓缸的輸出活塞桿桿端球鉸鉸接，加載液壓缸上端則與試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架鉸接，通過改變2個(gè)加載液壓缸的輸出組合實(shí)現(xiàn)軸向力和彎矩的加載。試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of tester

圖1 試驗(yàn)機(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of tester

2 系統(tǒng)組成及硬件配置

如圖2所示，試驗(yàn)機(jī)主要由臺(tái)架、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)和測(cè)試采集系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of tester

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（PLC）、變頻器和交流異步電動(dòng)機(jī)組成。電動(dòng)機(jī)輸出通過聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸傳遞到被試軸承上，同時(shí)通過PLC遠(yuǎn)程控制或本地變頻器控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行方向以及加減速時(shí)間等參數(shù)的控制。

液壓加載系統(tǒng)以液壓泵站產(chǎn)生的高壓油源作為動(dòng)力，以加載液壓缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過上位機(jī)、控制器、伺服閥、力傳感器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。上位機(jī)將各飛行狀態(tài)的載荷指令轉(zhuǎn)換為2個(gè)液壓缸所需加載力的指令，通過以太網(wǎng)發(fā)送給RMC控制器，控制器接受指令信號(hào)和力傳感器的反饋信號(hào)，兩者比較后經(jīng)過PID運(yùn)算及DA變換后生成電壓指令信號(hào)序列，由伺服放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服閥對(duì)液壓缸的輸出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

測(cè)試采集系統(tǒng)由各類信號(hào)的傳感器和采集設(shè)備組成。振動(dòng)信號(hào)采集選用4通道C系列動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊N9234，并通過單槽以太網(wǎng)機(jī)箱NI 9181與上位機(jī)通信。拉壓力信號(hào)由RMC控制器采集后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。轉(zhuǎn)速、溫度信號(hào)，泵站的壓力、液位和油溫等狀態(tài)信息均通過PLC的模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)置與開發(fā)

LabVIEW 是模塊化編程軟件，各模塊可以單獨(dú)編程、調(diào)試，最后集成整合［3］。本測(cè)控軟件主要包括前面板設(shè)計(jì)、載荷指令輸出模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程Fig.3 Flow of program

3.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板是人機(jī)交互的界面，包括模擬真實(shí)儀器的開關(guān)、按鈕及各種初始數(shù)據(jù)設(shè)置，用文本框、波形圖等形式實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)機(jī)的軟件前面板如圖4所示，包括泵站控制、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、加載模式選擇及加載譜的調(diào)用或編輯、數(shù)據(jù)顯示（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)、泵站狀態(tài)參數(shù)及載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等信號(hào)）。

圖4 上位機(jī)軟件前面板Fig.4 Front panel of software for upper computer

3.2 載荷指令輸出模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)傾斜器大軸承承受的載荷隨直升機(jī)飛行狀態(tài)改變，將所有飛行狀態(tài)的載荷及對(duì)應(yīng)載荷的時(shí)間百分比合在一起形成一個(gè)表格，就構(gòu)成了被試軸承的耐久性試驗(yàn)載荷譜。測(cè)控系統(tǒng)通過調(diào)用事先編制的載荷譜自動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)之間的切換。載荷指令包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令、軸承軸向力指令和軸承彎矩指令。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令通過OPC軟件輸出給PLC。LabVIEW 通過數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（DSC）模塊實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器功能。PLC為S7-200系列，在PCACESS中新建與PLC寄存器地址綁定的變量，再在LabVIEW 軟件中將變量以DataSocket方式與軟件前面板上的指示燈、文本框、按鈕綁定，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與PLC通信并遠(yuǎn)程控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能。

軸承所受的軸向力和彎矩指令由程序轉(zhuǎn)化為2個(gè)加載液壓缸的輸出力指令，通過EtheNet／IP協(xié)議發(fā)送給RMC控制器。加載液壓缸輸出力的閉環(huán)控制在控制器中實(shí)現(xiàn)。

振動(dòng)信號(hào)由NI的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊NI9234采集，并通過單槽機(jī)箱NI9181與上位機(jī)通信，用快速DAQ助手設(shè)置信號(hào)類型、傳感器系數(shù)和采樣率等，可方便的實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集，只需開發(fā)后處理程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行FFT變換、峰值查詢等運(yùn)算。

轉(zhuǎn)速信號(hào)由PLC的CPU中集成的2個(gè)定時(shí)器（T32和T96）輸出，使用T32和T96截取250 ms的時(shí)間間隔，將計(jì)時(shí)開始時(shí)的HCl值放入VDO中，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)的HCl值放入VD4中，VD4減去VD0的值即為250 ms內(nèi)的脈沖數(shù)n1。HC1采用4倍計(jì)數(shù)模式，經(jīng)換算得n1為轉(zhuǎn)速n的10倍。

溫度信號(hào)由PLC的模擬量輸入模塊采集，采用SIMATIC manager編寫采集程序。在上位機(jī)中溫度和轉(zhuǎn)速信號(hào)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令輸出一樣，通過OPC與PLC通信獲得。

4 試驗(yàn)機(jī)安裝及調(diào)試

試驗(yàn)機(jī)的實(shí)際照片如圖5所示，其通過膨脹螺栓固定在地基上。在完成各系統(tǒng)安裝、液壓油循環(huán)清洗、控制器PID參數(shù)調(diào)整及分系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試之后，開始整機(jī)調(diào)試。

圖5 軸承試驗(yàn)機(jī)Fig.5 Tester for bearing

根據(jù)對(duì)軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)機(jī)的理論研究和試驗(yàn)測(cè)試，動(dòng)態(tài)變載荷（循環(huán)加載、遞進(jìn)式加載、脈動(dòng)加載等）加載方式更有利于激發(fā)缺陷破壞從而獲得軸承壽命［1］，但風(fēng)險(xiǎn)也最高。故調(diào)試過程按照先輕載后重載、先手動(dòng)定點(diǎn)加載后自動(dòng)按譜加載、先軸承靜態(tài)加載后軸承旋轉(zhuǎn)加載的步驟逐步進(jìn)行。

靜態(tài)加載曲線及空載轉(zhuǎn)速變化曲線如圖6和圖7所示。從圖中可以看出：試驗(yàn)機(jī)滿足了加載力0～50 kN，加載力矩0～20 000 N·m，轉(zhuǎn)速0～800 r／min可調(diào)的技術(shù)指標(biāo)。

圖6 靜態(tài)加載曲線Fig.6 Static loading curves

圖7 空載轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Variation curve of rotational speed under no-load

自動(dòng)加載曲線如圖8所示，從圖中可以看出：試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了掃譜功能，被試軸承的轉(zhuǎn)速、合力、力矩能夠快速、穩(wěn)定地響應(yīng)給定值。

圖8 實(shí)際運(yùn)行曲線Fig.8 Actual running curves

經(jīng)調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)機(jī)各項(xiàng)性能均符合表1的技術(shù)要求，載荷加載精度高（誤差值ε≤5‰FS），不同狀態(tài)間的載荷轉(zhuǎn)換時(shí)間小于0.8 s。

5 結(jié)束語

直升機(jī)自動(dòng)傾斜器大軸承試驗(yàn)機(jī)可以模擬自動(dòng)傾斜器大軸承在真實(shí)工作條件下承受的來自主旋翼的軸向力和彎矩載荷。與傳統(tǒng)的軸承試驗(yàn)機(jī)相比，操作人員在遠(yuǎn)離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控間即可對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓加載狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，改善了工作環(huán)境。采用LabVIEW 開發(fā)的上位機(jī)軟件人機(jī)交互界面友好。試驗(yàn)機(jī)的操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，符合試驗(yàn)技術(shù)的智能化和個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。