CN104048880A - 一种机场跑道三向载荷实验系统 - Google Patents

Abstract

一种机场跑道三向载荷实验系统，包括三套电液伺服作动器、水平承载架、低摩擦运动机构和双轮试验装置；双轮试验装置上的两个实心轮胎由内部加载框架设备下端的轮轴固定；内部加载框架设备顶端与外部框架通过设备导轨相连，外部框架的顶端和侧面装有50kN垂向、侧向电液伺服作动器，其加载端穿过外部框架固定于内部加载框架设备上；外部框架通过下部安置的导轨运动件坐落于低摩擦运动机构的直线导轨上；水平承载架上的两个水平反力斜支撑中间的横梁固定有100kN水平电液伺服作动器，其加载端作用于双轮试验装置的外部框架上。本发明用于模拟飞机起飞、降落、滑行与转弯过程中机场跑道所承受的起落架负荷及冲击和循环加载。

Description

一种机场跑道三向载荷实验系统

技术领域：

本发明涉及一种机场跑道加载实验系统，尤其涉及一种模拟施加三向载荷的机场跑道实验系统，属于交通运输工程技术领域。

背景技术

近些年，随着我国经济的快速发展，机场建设密度逐渐加大。为了更好地测试机场跑道路基路面的力学性能，机场跑道加载实验系统或不可缺。

国内目前已有的实验室机场跑道加载实验系统包括交通部的ALF系统、空军工程大学的机场道面加载系统以及长沙理工大学的直线式加速加载试验系统。ALF系统是由自身可移动汽车模拟飞机移动，水平方向动力由汽车本身提供，垂向荷载是固定配置，不能对道面施加侧向剪力；空军工程大学的加载系统由一个完整的飞机起落架施加荷载在机场道面上，垂向荷载可以变化，但是水平方向不可移动，只能定点进行测试且不能对机场道面施加侧向剪力；长沙理工大学的加速加载试验系统是由自制设备车在轨道一端从高处向下自由滑下，以此获得一个行进速度，实现设备在行进中对路面进行加载的功能，其垂向荷载是固定配置，为设备车自重，且其前进速度是由重力势能转换而得，行进中无法控制，且其同样无法对道面施加侧向力。

本发明机场跑道三向载荷模拟实验系统由三套电液伺服作动器、水平承载架、低摩擦运动机构和双轮实验装置等设备构成，能同时对机场道面施加垂向荷载、水平荷载及侧向剪力，如图1所示。实验系统利用两个实心轮胎模拟飞机双轮起落架，水平方向荷载由水平电液伺服作动器施加，垂向荷载由垂向电液伺服作动器施加，侧向剪力则由侧向电液伺服作动器施加。三个方向可单独加载或同时随机组合加载。可对飞机起飞、降落、滑行与转弯过程中机场跑道所承受的起落架负荷进行模拟，同时还可以模拟冲击和循环加载。

发明内容

(1)发明目的：

本发明的目的是提供一种机场跑道三向载荷实验系统，它能模拟机场跑道三向载荷的施加，同时对机场跑道路基路面施加竖向、水平及侧向剪力三个方向的荷载，从而获得飞机起飞、降落、滑行与转弯过程中机场跑道路基路面力学性能。

(2)技术方案：

本发明为一种机场跑道三向载荷实验系统，它包括三套电液伺服作动器、水平承载架、低摩擦运动机构和双轮试验装置。它们之间的位置连接关系是：以跑道为中心，跑道长边为南北方向，短边为东西方向。跑道表面直接受双轮试验装置上的两个实心轮胎作用，实心轮胎位置由双轮试验装置中内部加载框架设备下端的轮轴固定。内部加载框架设备顶端与外部框架通过设备导轨相连，设备导轨沿东西方向，可以保证内部加载框架设备沿东西方向运行。外部框架的顶端装有50kN垂向电液伺服作动器，该垂向电液伺服作动器加载端穿过外部框架固定于内部加载框架设备上。同其一样，固定于外部框架西部的50kN侧向电液伺服作动器，其加载端也穿过外部框架作用于内部加载框架设备上。整个双轮试验装置的外部框架通过下部安置的导轨运动件坐落于低摩擦运动机构的直线导轨上，这两条直线导轨沿南北方向分别位于跑道试件两侧，可使得双轮试验装置沿导轨南北方向往复运动。直线导轨的北端连接有水平承载架，它位于该实验系统的最北部，其中水平承载架上的两个水平反力斜支撑中间的横梁固定有100kN水平电液伺服作动器，其加载端作用于双轮试验装置的外部框架上。

所述电液伺服作动器是一种液压执行机构，能把来自液压源的液压能转换为机械能，同时可根据自带的位移传感器和力传感器进行伺服控制。用于执行主控制器的命令，控制负载的速度、方向、位移、力，同时反馈给主控制器信号。该实验系统配备作动器包括50kN电液伺服作动器两台以及100kN电液伺服作动器一台。两台50kN电液伺服作动器分别安装在双轮试验装置的外部框架的上端及侧面，末端作用在双轮试验装置的内部加载框架设备上，可以给双轮试验装置上的实心橡胶轮胎提供垂向以及侧向剪力，用来模拟机场跑道在飞机起降、滑行和转弯过程中承受的不同方向荷载。100kN电液伺服作动器安装在双轮试验装置外部框架后部，其尾端由水平承载架中间的横梁进行固定，主要用于控制起落架载荷模拟试验装置的水平往复运动。

所述水平承载架是控制该实验系统在运行期间稳定性的机械组成部分，其锚固于地面上，用来将实验系统运行产生的反作用力传递到地基上，从而保持该实验系统整体的平衡及结构稳定。它包括两个水平反力斜支撑、横梁等部件。水平反力斜支撑是由工字钢制成的金属结构件，外轮廓呈直角梯形状，中间配置有工字钢腹杆，其底部锚固于地面上，且分别与低摩擦运动机构中的直线导轨相连，两个水平反力斜支撑在中部由一横梁相连接，其用来固定水平电液伺服作动器。

所述低摩擦运动机构是保障整体加载装置能够以一个低阻力状态行进的运动机构。它主要由固定于地面上的两条低摩擦直线导轨和双轮试验装置外部框架下端安置的导轨运动件组成。整个直线导轨为液压摩擦导轨，双轮试验装置沿直线导轨长度方向往复运动。

所述双轮试验装置是该实验系统中模拟轮胎的加载装置，是该实验系统用来模拟真实飞机对机场道面作用的主体装置。它由连接有两个实心轮胎的内部加载框架设备和外部框架、设备导轨及轮轴组成。实心轮胎位置由内部加载框架设备下端的轮轴固定，内部加载框架设备通过其上部固定的两条设备导轨与外部框架相连接，50kN垂向及侧向电液伺服作动器末端固定于外部框架上，然后直接作用到内部加载框架设备上，进而通过由垂向轮轴连接的下部实心轮胎对道面施加竖向及垂向荷载。整个双轮试验装置的外部框架位于低摩擦运动直线导轨上，整个双轮试验装置额定承载力为200kN。该外部框架是上部开有方孔的Π形状件，该内部加载框架设备的外形为H状。

本发明工况简介如下：

利用两实心橡胶轮模拟飞机双轮，安装在双轮试验装置上，作用于已经铺好的机场道面板上，轮径500mm。双轮试验装置构造如图2所示，具体荷载施加方式见图3。

1、水平荷载施加：水平电液伺服作动器安装在水平承载架上，通过水平承载架施加荷载于双轮试验装置上，水平承载架固定于地面上，水平作动器行程为2500mm，最大施加荷载为100kN。双轮试验装置沿着道面两侧的水平运动直线导轨在水平作动器的推动下行进，水平运动直线导轨固定于地面上，长度3000mm。

2、垂向荷载施加：垂向电液伺服作动器通过双轮试验装置施加垂向荷载于双轮，双轮试验装置设置在两侧的水平直线导轨上，可以沿水平向移动，但是垂向位置固定。垂向荷载的大小可以任意进行调整。垂向作动器最大施加荷载为50kN。

3、侧向荷载施加：侧向电液伺服作动器同样是通过双轮试验装置施加侧向荷载于双轮，双轮试验装置通过水平直线导轨提供反力。侧向作动器最大施加荷载为50kN，一般采用位移加载的方式以防双轮在运动过程中与机场道面摩擦力过小而被侧向推出。

(3)优点及功效：同已有的机场道面荷载模拟实验系统相比，本发明有如下技术特点：

1)能对机场道面施加侧向剪力；

2)能模拟飞机行进过程中对机场道面同时施加可变的垂向荷载及侧向剪力，使道机道面处于三向受力状态；

3)能模拟飞机起飞、降落、滑行与转弯过程中机场跑道路基路面力学性能，同时能进行水平向的往复循环加载和垂向的振动加载。

总之，本发明开创了可以对机场道面施加侧向剪力的实验系统的先河，且完全可行。

附图说明

图1为本发明机场跑道三向载荷模拟实验系统结构示意图

图2为本发明双轮试验装置结构示意图

图3为本发明的另一视图

图中符号说明如下：

1、水平承载架；1a、水平反力斜支撑；1b、横梁；2、50kN垂向电液伺服作动器；3、50kN侧向电液伺服作动器；4、100kN水平电液伺服作动器；5、双轮试验装置；5a、外部框架；5b、内部加载框架设备；5c、设备导轨；5d、实心轮胎；5e、轮轴；6、低摩擦运动机构；6a、直线导轨；6b、导轨运动件。

具体实施方式

见图1—图3，本发明为一种机场跑道三向载荷实验系统，它包括三套电液伺服作动器2,3,4、水平承载架1、低摩擦运动机构6和双轮试验装置5等。它们之间的位置连接关系是：以跑道为中心，跑道长边为南北方向，短边为东西方向。跑道表面直接受两个实心轮胎5d作用，实心轮胎5d的位置由双轮试验装置5中内部加载框架设备5b下端的轮轴5e固定。内部加载框架设备5b顶端与外部框架5a通过设备导轨5c相连，设备导轨5c沿东西方向，可以保证内部加载框架设备5b沿东西方向运行。外部框架5a的顶端装备有50kN垂向电液伺服作动器2，该50kN垂向电液伺服作动器2加载端穿过外部框架5a固定于内部加载框架加载5b上。同其一样，固定于外部框架5a西部的50kN侧向电液伺服作动器3，其加载端也穿过外部框架5a作用于内部加载框架设备5b上。整个双轮试验装置5的外部框架5a通过下部安置的导轨运动件6b坐落于低摩擦运动机构6的直线导轨6a上，这两条直线导轨6a沿南北方向分别位于跑道试件两侧，可使得双轮试验装置5沿直线导轨6a南北方向往复运动。直线导轨6a的北端连接有水平承载架1，其位于系统的最北部，其中两个水平反力斜支撑1a中间的横梁1b固定有100kN水平电液伺服作动器4，其加载端作用于双轮试验装置5的外部框架5a上。

所述电液伺服作动器是一种液压执行机构，能把来自液压源的液压能转换为机械能，同时可根据自带的位移传感器和力传感器进行伺服控制。用于执行主控制器的命令，控制负载的速度、方向、位移、力，同时反馈给主控制器信号。实验系统配备作动器包括50kN垂向、侧向电液伺服作动器2、3两台以及100kN水平电液伺服作动器4一台。两台50kN垂向、侧向电液伺服作动器2、3安装在双轮试验装置5的外部框架5a上，末端作用在双轮试验装置5的内部加载框架设备5b上，可以给双轮试验装置5上的实心轮胎5d提供垂向以及侧向剪力，用来模拟机场跑道在飞机起降、滑行和转弯过程中承受的不同方向荷载。100kN电液伺服作动器4安装在双轮试验装置5的外部框架5a后部，其尾端由水平承载架1中间的横梁1b进行固定，主要用于控制起落架载荷模拟试验装置的水平往复运动。

所述水平承载架1是控制实验系统在运行期间稳定性的机械组成部分，其锚固于实验室地面上，用来将实验系统运行产生的反作用力传递到实验室地基上，从而保持实验系统整体的平衡及结构稳定。其包括两个水平反力斜支撑1a和横梁1b等。水平反力斜支撑1a是由工字钢制成的金属结构件，外轮廓呈直角梯形状，中间配置有工字钢腹杆，其整体高度为4550mm，其底部锚固于地面上，且分别与低摩擦运动机构6中的直线导轨6a相连，两个水平反力斜支撑1a在中部由一横梁1b相连接，其用来固定100kN水平电液伺服作动器4。

所述低摩擦运动机构6是保障整体加载装置能够以一个低阻力状态行进的运动机构。其主要由固定于地面上的两条低摩擦直线导轨6a和双轮试验装置5的外部框架5a下端安置的导轨运动件6b组成。整个直线导轨6a为液压摩擦导轨，其长度为3000mm，直线导轨6a中心线之间相距2000mm，装置沿直线导轨6a长度方向往复运动行程可达到2500mm。

所述双轮试验装置5是该实验系统中模拟轮胎的加载装置，是该实验系统用来模拟真实飞机对机场道面作用的主体装置。它由连接有两个实心轮胎5d的内部加载框架设备5b和外部框架5a、设备导轨5c、及轮轴5e组成。50kN垂向及侧向电液伺服作动器2、3末端固定于外部框架5a上，然后直接作用到内部加载框架设备5b上，进而通过由垂向的轮轴5e连接的下部实心轮胎5d对道面施加竖向及垂向荷载。内部加载框架设备5b通过其上部固定的两条设备导轨5c与外部框架5a相连接，整个双轮试验装置5的外部框架5a位于低摩擦运动直线导轨6a上，整个双轮试验装置5的额定承载力为200kN。该外部框架5a是上部开有方孔的Π形状件，该内部加载框架设备5b的外形为H状。

Claims (1)

1.一种机场跑道三向载荷实验系统，其特征在于：它包括三套电液伺服作动器、水平承载架、低摩擦运动机构和双轮试验装置；以跑道为中心，跑道长边为南北方向，短边为东西方向，跑道表面直接受双轮试验装置上的两个实心轮胎作用，实心轮胎位置由双轮试验装置中内部加载框架设备下端的轮轴固定；内部加载框架设备顶端与外部框架通过设备导轨相连，设备导轨沿东西方向，保证内部加载框架设备沿东西方向运行；外部框架的顶端装有50kN垂向电液伺服作动器，该垂向电液伺服作动器加载端穿过外部框架固定于内部加载框架设备上；同其一样，固定于外部框架西部的50kN侧向电液伺服作动器，其加载端也穿过外部框架作用于内部加载框架设备上；整个双轮试验装置的外部框架通过下部安置的导轨运动件坐落于低摩擦运动机构的直线导轨上，这两条直线导轨沿南北方向分别位于跑道试件两侧，使得双轮试验装置沿导轨南北方向往复运动；直线导轨的北端连接有水平承载架，它位于该实验系统的最北部，其中水平承载架上的两个水平反力斜支撑中间的横梁固定有100kN水平电液伺服作动器，其加载端作用于双轮试验装置的外部框架上；

所述电液伺服作动器是一种液压执行机构，能把来自液压源的液压能转换为机械能，同时根据自带的位移传感器和力传感器进行伺服控制，用于执行主控制器的命令，控制负载的速度、方向、位移、力，同时反馈给主控制器信号；该实验系统配备作动器包括50kN电液伺服作动器两台以及100kN电液伺服作动器一台，两台50kN电液伺服作动器分别安装在双轮试验装置的外部框架的上端及侧面，末端作用在双轮试验装置的内部加载框架设备上，给双轮试验装置上的实心橡胶轮胎提供垂向以及侧向剪力，用来模拟机场跑道在飞机起降、滑行和转弯过程中承受的不同方向荷载；100kN电液伺服作动器安装在双轮试验装置外部框架后部，其尾端由水平承载架中间的横梁进行固定，用于控制起落架载荷模拟试验装置的水平往复运动；

所述水平承载架是控制该实验系统在运行期间稳定性的机械组成部分，其锚固于地面上，用来将实验系统运行产生的反作用力传递到地基上，从而保持该实验系统整体的平衡及结构稳定；它包括两个水平反力斜支撑、横梁部件，水平反力斜支撑是由工字钢制成的金属结构件，外轮廓呈直角梯形状，中间配置有工字钢腹杆，其底部锚固于地面上，且分别与低摩擦运动机构中的直线导轨相连，两个水平反力斜支撑在中部由一横梁相连接，其用来固定100kN水平电液伺服作动器；

所述低摩擦运动机构是保障整体加载装置能够以一个低阻力状态行进的运动机构，它由固定于地面上的两条低摩擦直线导轨和双轮试验装置外部框架下端安置的导轨运动件组成，整个直线导轨为液压摩擦导轨，双轮试验装置沿直线导轨长度方向往复运动；

所述双轮试验装置是该实验系统中模拟轮胎的加载装置，是该实验系统用来模拟真实飞机对机场道面作用的主体装置，它由连接有两个实心轮胎的内部加载框架设备和外部框架、设备导轨及轮轴组成，实心轮胎位置由内部加载框架设备下端的轮轴固定，内部加载框架设备通过其上部固定的两条设备导轨与外部框架相连接，50kN垂向及侧向电液伺服作动器末端固定于外部框架上，然后直接作用到内部加载框架设备上，进而通过由垂向轮轴连接的下部实心轮胎对道面施加竖向及垂向荷载；整个双轮试验装置的外部框架位于低摩擦运动直线导轨上，整个双轮试验装置额定承载力为200kN，该外部框架是上部开有方孔的Π形状件，该内部加载框架设备的外形为H状。