飛機試車鋼索拉伸試驗技術研究

黃玥蕾,劉慶杰,許 飛

(成都飛機工業(集團)有限責任公司,四川 成都 610092)

1 引 言

鋼索是工程中應用比較廣泛的一種撓性構件,具有強度高、自重輕、彈性好、工作平穩可靠、承受動載和過載能力強以及在高速工作條件下運行和卷繞無噪聲等優點,在航空、建筑、交通、旅游等國民經濟主要領域得到了廣泛的應用[1-4]。

發動機進行地面試車試驗時,尾噴口具有偏轉特性。當尾噴管發生偏轉時,飛機會承受其產生的側向力、軸向力和偏轉力矩。當這些力及力矩超過飛機起落架能夠承受的最大值時,飛機就會發生俯仰、滾轉等現象。為避免產生這些現象時危及飛機和現場試驗人員,需要在試驗中配備安全保障措施,用未進行預緊鋼索的一端連接在地面的系留樁上,另一端與飛機的作用點連接,將飛機與地面進行連接并固定,防止飛機試車時發生抬頭、偏轉和側向位移等現象。

鋼索在使用過程中會發生疲勞、腐蝕、磨損甚至斷裂等現象[5-7],可能帶來嚴重的后果,因此,使鋼索的抗拉強度符合使用要求變得尤為重要。在使用前對鋼索進行拉伸試驗,能夠判斷鋼索的抗拉強度是否滿足要求,從而避免事故發生。鋼索在使用一定時間后,因承受多次拉向載荷,可能導致其抗拉強度降低。同時,由于儲存時間過長,在空氣濕度較高的情況下鋼索可能會產生銹蝕[8-10],需要再次對鋼索進行拉伸試驗,對其抗拉強度進行驗證。

2 影響試驗件安全的控制參數

進行鋼索拉伸試驗的試驗裝置主要由協調加載控制系統及載荷傳力裝置、反饋裝置構成,試驗現場示意見圖1。試驗件受力情況形成一個負反饋來保證加載的精度,從而對試驗進程進行控制。鋼索拉伸試驗控制系統框圖如圖2所示。

圖1 試驗現場示意圖

圖2 鋼索拉伸試驗控制系統框圖

鋼索拉伸試驗的試驗步驟主要包括硬件連接、系統資源配置、控制通道配置、試驗參數配置以及試驗調試,上述步驟正確無誤后可進行正式試驗。鋼索拉伸試驗的流程如圖3所示。

圖3 試驗流程圖

在鋼索拉伸試驗中,需要考慮兩個因素,即載荷大小及載荷施加方向。試驗開始前會由設計人員依據設計要求給出具體的加載任務。在加載控制環節中,試驗人員需依據加載任務書編制對應的載荷譜,并配置相應的控制參數,以保證試驗的正常開展。試驗配置過程流程圖如圖4所示。

圖4 試驗配置過程流程圖

2.1 力傳感器

力傳感器作為試驗過程中的力感知元件,負責將鋼索受力大小反饋給控制系統,控制系統判斷鋼索的實際受力是否達到目標值。如果力不夠,繼續施加加載命令;如果力超過目標值,施加減載命令;如果結果相等,則停止繼續施加命令。

力傳感器的轉換公式為:

(1)

式中,V實時為實時電壓值;V滿量程為滿量程電壓值;F實時為實時力值;F滿量程為滿量程力值。

V滿量程=SE

(2)

式中,S為靈敏度;E為激勵電壓。

由式(1)、式(2)可推導出:

(3)

由以上公式可見,力傳感器影響試驗件安全的因素有靈敏度系數、量程及極性。靈敏度系數決定受力值大小的準確,力傳感器極性則決定試驗件受力的方向,力傳感器的量程影響反饋數據的精度。在控制系統中,力傳感器的量程輸入錯誤則可能導致載荷輸出錯誤,且產生的誤差值可能極大,導致試驗件破壞。試驗配置過程中力傳感器的參數設置如圖5所示。

圖5 力傳感器參數設置界面

2.2 電液伺服閥

電液伺服閥具有響應速度快、輸出功率大以及控制精確度高的優點,用于電液伺服系統的位置、速度、加速度和力的控制,能將小功率的電信號轉換為大功率的液壓輸出,通過液壓執行機構即液壓作動筒來實現機械設備的自動化控制,是電液伺服控制系統中的關鍵部件。

電液伺服閥接收來自控制系統的指令信號,按一定比例將電流信號轉變成液壓作動筒油缸量,推動作動筒油缸運動。電液伺服閥的極性決定閥接受指令后的開合方向,即液壓作動筒油缸的運動方向,從而決定施加在試驗件上力的方向。改變閥的極性,即改變了試驗件的受力方向。液壓回路原理如圖6所示。

圖6 液壓回路原理圖

拉伸試驗的兩個關鍵因素為載荷大小及載荷方向。為保證試驗的安全進行,需要保證液壓作動筒施加載荷的大小和方向滿足試驗的要求。若電液伺服閥的極性設置不當,將直接造成實際載荷施加的方向與預期載荷方向相反,導致試驗件損傷,嚴重時可能造成試驗現場的人員傷亡。試驗配置過程中電液伺服閥的極性配置界面見圖7。

圖7 電液伺服閥極性配置界面

2.3 載荷譜的編制

載荷譜的編制包括創建試驗控制加載載荷表Load Tables、選取Load Tables表、設置相應參數、創建試驗載荷譜段Profiles、選取不同的Profiles組合、創建試驗過程Procedure。載荷譜的編制,需要在加載載荷表Load Tables的100% lever中輸入正確的載荷,保證加載值與目標一致;且需要在載荷譜段Profiles中設置合適的加載時間和保載時間,因加載過快或過慢都可能導致試驗件的損傷。

3 參量正確設置的保證策略

3.1 極限載荷的設置及載荷譜的檢查校對

完成載荷譜的編制后,需反復檢查載荷輸入是否正確,嚴格執行雙人雙崗檢查機制,確保輸入參數無誤。完成載荷譜編制后,在確保油源關閉的情況下進行載荷譜的空跑,對試驗加載時間和保載時間進行確認。

3.2 力傳感器量程及極性的檢查方法

傳感器參數設置完畢后,除進行常規的雙人雙崗檢查外,還應采用人員拉或壓傳感器,觀察傳感器信號極性。如果條件允許,可選擇已知重量的物體施加于傳感器上,檢查傳感器靈敏度設置是否正確。

3.3 電液伺服閥極性的檢查方法

電液伺服閥的極性表現為協調加載控制系統輸出信號后液壓作動筒運動的方向,通常規定輸出正值液壓作動筒收縮,輸出負值液壓作動筒打出。由于使用場景不同,可以對電液伺服閥的極性做出修改,因此在試驗前需要對電液伺服閥的極性進行檢查。未連接試驗件的情況下,在協調加載控制系統中輸出一定值,當液壓作動筒按照目標方向移動,則證明電液伺服閥的極性正確。

3.4 PID參數的設置方法

力傳感器信號和伺服閥輸出信號形成閉環,通過控制回路的PIDF參數進行控制。PID控制回路如圖8所示。

圖8 PID控制回路

比例增益(P Gain):比例增益能夠直接影響伺服閥開度的系數,其大小直接影響系統控制的精度。提高比例增益能夠提高系統響應速度,但比例增益過高會影響系統的穩定性,比例增益過低則可能導致反饋的滯后,故一般在任何情況下都不為0。比例增益設置值的影響如圖9所示。

圖9 比例增益設置值的影響

積分增益(I Gain):對誤差信號進行積分逐漸地影響系統的低頻響應。積分增益的大小可以決定達到控制精度要求所需時間的長短,提高積分增益可以提高系統的響應速度,但是積分增益過高會影響系統的穩定性,積分增益過低則可能出現反饋無法跟上命令導致誤差較大的情況。通常在力傳感器開始受力之后再添加積分增益。積分增益值的影響如圖10所示。

圖10 積分增益值的影響

鋼索拉伸試驗為單通道加載,通常只需要進行比例增益和積分增益的設置,保證反饋信號與命令跟隨性良好,實現平滑、穩定加載,避免出現反饋過沖導致試驗件損傷。

PID控制參數整定有很多種方法,比如試湊法、極點配置法、響應曲線法,試驗中一般采用試湊法。在參數調定過程中,先確定P參數,當參數P調節到可以使系統比較穩定,且能夠在一定程度上達到控制要求時,可以將P在20%的范圍內進行變動,調節參數I,參數調節可以由小變大進行調節,最終達到比較好的控制效果。參數調試界面如圖11所示。

圖11 PID參數調試界面

3.5 誤差控制策略

踏步誤差:踏步是一種針對單個通道的多通道試驗補償技術,可以調節試驗的整體進程,確保所有通道在統一的速率下實現加載操作。單通道加載時,不需要進行踏步誤差的設置。

LIMIT誤差帶限位:LIMIT設置系統各加載點的限位值,這組數據在系統加載過程中起保護作用。在加載過程中,系統一旦檢測到載荷超出此限位,則作為超限故障判斷。各加載點的限位值=(各點的最大載荷+扣重值)×110%。為避免出現反向加載的問題,也需要在LIMIT誤差帶限位界面中設置反向限位,避免因為電液伺服閥或力傳感器極性設置錯誤出現反向加載的情況,導致鋼索的斷裂;初始加載時反饋值波動較大,可能超過反向限位值,故反向限位值不宜設置得過小。LIMIT誤差帶限位如圖12所示。

圖12 LIMIT誤差帶限位圖

內外誤差控制:對控制通道設置內外誤差兩級誤差控制模式,超限觸發保持或卸載指令等保護動作。通常情況下,內誤差設置為傳感器量程的1%,保護動作設置為保持;外誤差設置為傳感器量程的3%,保護動作設置為卸載。誤差控制如圖13所示。

圖13 誤差控制圖

4 結束語

鋼索拉伸試驗通過協調加載控制系統來實現載荷的施加,通過試驗參數的輸入來確定載荷執行機構即液壓作動筒的運動。在試驗過程中,存在諸多影響試驗安全的因素,因此需要特別注意液壓伺服閥的極性、力傳感器的量程和極性、PID參數及誤差和限位保護的設置。在完成參數設置后,需要再對參數設置保護,并執行雙人雙崗檢查機制,通過與現場配合進行調試,保證參數的正確。試驗時,鋼索能夠平穩地加載至規定的試驗載荷,保持到規定的時間,再平穩地卸載到0,期間無異響產生。以上方法能夠保證鋼索拉伸試驗的安全實施,并可推廣應用于其他結構強度試驗。