某型直升機旋翼槳轂離心試驗臺設計

冶西原 魏莉莉 張鶴/ 國營錦江機器廠 中部戰區

0 引言

直升機旋翼是直升機關鍵傳動部件之一，也是引導直升機發展和技術革新的重要技術。直升機旋翼由槳葉、槳轂以及自動傾斜器等組成，某型直升機旋翼槳轂構型主要為全鉸接式，由揮舞鉸、擺振鉸、變距鉸實現槳葉的揮舞、擺振和變距運動[1]。離心限動器主要限制槳葉過度揮舞，避免在強風條件下直升機起動和停車時主槳葉過度揮舞造成結構損傷[2]。在旋翼槳轂維修過程中，離心限動器是否正常工作對旋翼保護有著重要影響，對離心限動器的性能試驗決定其是否達到維修、安裝合格狀態。離心限動器性能試驗可通過設計離心試驗臺模擬直升機旋翼槳轂的工作狀態，進而實現對其性能的試驗和測量。

1 概述

設計一臺直升機旋翼槳轂離心試驗臺，通過變頻器調節電機的轉速，經過減速器后輸出試驗要求的轉速驅動被測旋翼槳轂進行旋轉，被測旋翼槳轂轉速的升高/降低使離心限動器進行打開/復位動作，通過位移傳感器測量打開/復位動作（被測件上的5 個限動器）的位移量，當位移量達到設定值時，判斷被測旋翼槳轂是否完全打開/復位，系統記錄完全打開和復位時被測件的轉速，對比實際轉速和技術要求轉速，判斷被測件安裝是否合格。

試驗臺由外罩、測試系統、控制系統組成。外罩起防護作用，測試系統為被測件試驗提供滿足要求的轉速，控制系統對試驗過程中的參數進行監控、顯示、儲存、打印等。

2 改造性能指標

驅動電機選用22kW、1500r/min，滿足主軸轉速0 ～300r/min 的試驗范圍并可調；主軸承重1t 以上；能夠滿足在試驗狀態下模擬直升機旋翼槳轂動態穩定工作狀態的要求，并對限動器完全打開和閉合時的位移量進行測量，實現自動記錄及試驗結果打??；試驗臺臺體內部有高強度鋼絲防護網，確保零件飛出時不會傷及試驗臺外部人員。

3 改造方案

3.1 機械部分

3.1.1 外殼組件

外殼組件由外殼底座、外殼、移動門等組成，外殼應有足夠強度和剛度，外殼內部四周加裝鋼絲防護網，防止試驗過程中飛車。移動門完全打開時，被測件可以從試驗臺上方或者前方進入試驗臺安裝，移動門最大開合距離為1950mm。移動門上安裝電磁鎖，若未完全閉鎖，電機將無法啟動。外殼組件具體構成如圖1 所示。

3.1.2 測試系統

圖1 外罩組件示意圖

測試系統驅動被測件旋轉，系統由臺架底座、電機、減速器、聯軸器、傳動軸、穿孔滑環、調平托盤、轉盤軸承、軸承座、支架等組成，傳動布局如圖2所示。

測試系統原理：由電機提供0 ～1500r/min 的轉速，經過減速器減速后為0 ～300r/min，驅動主軸旋轉，從而帶動安裝在主軸上的被測件同步旋轉。電機為變頻電機，通過變頻器改變電機的頻率實現調速。被測件通過花鍵副與主軸對中定位，5 個支腳放置在托盤上的5 個調平螺栓上，最后用鎖緊螺母壓緊被測件。托盤上安裝有5 個位移傳感器，與被測件的1 ～5 號限動器對應，用于測量被測件旋轉過程中限動器移動的位移量。調節轉速時，隨著轉速持續升高，限動器進行打開動作，當動作位移量達到或超過設定值時，系統判定限動器完全打開，并記錄達到此位移量時的轉速；然后轉速持續降低，限動器進行復位動作，當動作位移量達到或超過設定值時，系統判定限動器完全復位，并記錄達到此位移量時的轉速。調平托盤外側5mm 處有一個接近開關，用于測量調平托盤的轉速（即被測件的轉速）。

3.1.3 主要傳動參數計算及選型

1）驅動電機選型

傳動軸最高轉速n=300r/min，理想旋轉半徑r=0.9m，傳動軸轉速從0 加速到300r/min 時間為25s，傳動軸及軸上零件總重1200kg。

經計算，被測件相對于自身軸線：慣性半徑r=0.9m；離心慣性力F離心≈1064836.8N；切 向 慣 性 力F切向≈1357N；轉動慣量J=486kg·m2；角加速度為1.26rad/s2；轉矩T=J·Е=486×1.26=612.36N·m； 功 率P=Tn/9550≈19kW；減速比為5:1，所需電機的扭矩為122.472N·m，轉速為1500r/min。

按上述結果選用低壓變頻電機，額定轉速為0 ～1470r/min（50Hz 時同步轉速1500r/min），標稱功率22KW，額定轉矩140N·m。

圖2 測試系統傳動示意圖

2）減速器選型

試驗需求轉速為0 ～300r/min，電 機 轉 速 為1500r/min（50Hz），所 以減速比為1500r/min÷300r/min=5。因試驗需求的轉速低，試驗時間短，減速器發熱量較少，冷卻潤滑選擇油浸方式，選擇直角軸減速器，減速比5:1，輸入轉速0 ～1500r/min，輸出轉速0 ～300r/min，公稱功率310kW，公稱扭矩9800N·m，輸出軸為內花鍵軸，傳動軸通過花鍵副與減速器相連，傳遞功率和扭矩。

3）傳動軸選型

傳動軸為試驗臺關鍵元件，穿孔滑環、調平托盤、被測件均安裝在傳動軸上，因此傳動軸需要較高的強度和剛度，還需承受1t 的重量。

a.按扭轉強度計算

主軸豎直安裝，只受扭矩作用，故A值取小，材料選用40Cr，調質處理，A值取103，代入式（1）得

傳動軸最小軸徑為外花鍵軸（增加5% ～7%），故軸徑最小為φ46.13mm，圓整后取φ50mm 為最小軸徑。

b.按扭轉剛度計算

因傳動要求較高，式（2）中的B取129，則傳動軸最小軸徑為外花鍵軸（增加5%～7%），故軸徑最小為φ71.82mm，圓整后取φ75mm 為最小軸徑。根據被測件的定位尺寸及對原有設備相關結構的測繪數據，確定階梯軸各段的軸徑及長度。其余各部件按計算完成選型。

3.2 控制系統

控制系統控制變頻電機和測量限動器的狀態等。通過PLC 采集接近開關、位移傳感器信號、急停按鈕、滑動門鎖等開關信號，經由數據通信傳輸至工控機，控制輸出各指示燈、電機的運行指令。測量限動器的位移達到打開設定值時，認為限動器打開，并記錄此時的轉速；測量限動器的位移達到閉合設定值時認為限動器閉合，記錄此時的轉速。操作臺及控制原理如圖3 所示。

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件概述

試驗臺軟件采用成都銳能科技有限責任公司專門為離試驗臺開發的測試軟件，工控機操作系統為Win10/Win7。

軟件可實現自動/手動執行、設備參數配置、采集通道標定、用戶管理等多種功能，人機界面友好，操作方便快捷，能較好地滿足旋翼限動作動塊的測試需求。操作人員通過軟件界面執行簡單配置后即可建立適用于不同試驗臺的測試流程。

本軟件也能完成測試流程的執行，測試界面可顯示動態波形圖、數據表等，操作人員可定義界面顯示模式、參數等。測試過程中，本軟件可對實時采集信號提供多種信號處理及通道計算方法，試驗數據可動態存儲。試驗數據可通過回放、格式轉換等實現離線數據的分析和后處理。

3.3.2 軟件特點

本軟件采用測控領域軟件專業架構，具備測控常用的測試方法，集成多種數據處理、分析算法和控制模式，采用模塊化設計結構，能幫助用戶快速構建滿足需求的測試流程。模塊化設計的優點是：將操作步驟按功能劃分，創建可配置的操作步驟模塊，使測試步驟的編寫人員不需編寫代碼，根據測試要求，逐條配置測試步驟即可完成復雜的測試流程。

圖4 軟件主界面

軟件采用的模塊化設計思想，在不改變系統架構的基礎上，添加、取消或更改硬件配置后，軟件只需進行簡單的修改更新即能使用。針對不同的測試對象，可創建自定義的硬件配置方式，滿足不同測試需求。在軟件應用層，測試界面具備靈活配置性，測試界面的建立將滿足大多數液壓測試需求，界面顯示參數可由用戶配置，成為具有用戶自定義效果的測試界面。軟件主界面如圖4所示。

4 結束語

本文提出一種直升機旋翼槳轂離心試驗臺設計理念，能夠有效實現某型直升機旋翼槳轂離心限動器維修后的性能檢測，并做出是否合格的評估。同時引入在線測量和設備健康管理的新思路方法，在設計環節考慮預留接口和余量，為之后的改型及改造留下空間。該型試驗臺設計方法不唯一，重點是如何有效模擬直升機旋翼槳轂的工作狀態并實現需求指標的實現。