CN107389338A - 一种航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置 - Google Patents

Abstract

一种航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，驱动盘套装在轮轴上并使驱动盘开口端圆周外表面均布的机轮驱动槽与该轮毂内圆表面均布的内导轨嵌合。齿轮盘位于所述驱动盘外端面与加载头的侧壁板内表面之间，并与齿轮轴啮合。轮毂、轮轴、驱动盘、齿轮盘之间同轴。磁粉制动器分别与水泵和冷却塔连通；磁粉制动器的励磁控制端口与控制器的控制输出端口连通，通过改变磁粉制动器的励磁电流调节加载于滚转机轮上的阻力矩。本发明以磁粉作介质，利用磁粉链传递转矩，具有激磁电流和传递转矩成线性关系的特点，实现高精度的转矩控制，从而为机轮提供准确数值的阻力矩。并且由于磁粉的磁气特性，滑动转矩稳定，与相对回转数没有关系，能保持恒定的转矩。

Description

一种航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置

技术领域

本发明涉及航空机轮试验技术，具体是一种用于飞机机轮加速寿命试验的阻力矩加载装置。

背景技术

航空机轮寿命试验台是在航空机轮产品设计定型前，考核其设计寿命能否满足技术规范要求试验设备，机轮在寿命试验台上按照载荷谱要求进行加载滚转试验，累计滚转试验里程，对其寿命进行评估。目前国内航空机轮疲劳滚转寿命试验方法是：调速电动机通过减速器驱动模拟飞机跑道的鼓轮旋转，鼓轮规定速度条件下，被试机轮通过液压加载系统按规定载荷紧靠在鼓轮表面，并随鼓轮同速滚转，机轮的寿命按滚转里程来评估，试验记录被试机轮在规定载荷条件下总滚转里程。

随着我国航空技术的迅速发展，飞机性能不断提高，对航空机轮的使用寿命要求大幅度提高，特别是碳刹车机轮使用寿命指标均超过1000起落，某些军用飞机的机轮使用寿命要求达到3000起落、民用飞机的机轮使用寿命要求达到5000起落。我国航空机轮寿命试验现行的国军标、航标和企业标准基本上是沿用前苏联和美国军用标准的疲劳寿命试验方法,如继续按照HB5651和GJB1184A所规定的试验方法评估机轮使用寿命，需要耗费很长的时间，每个型号的机轮至少需要一年以上的试验时间进行寿命评估试验，试验周期长影响新机研制。

美国在上世纪九十年代，ARP597(C)《民用运输机机轮和刹车设计耐久性补充准则》规定了航空机轮加速疲劳寿命试验方法，该方法在美国军用标准的基础上增大了偏航侧向载荷，并增加滚转阻力载荷，按此载荷谱方法，机轮在进行加速寿命试验时，场内试验1个起落，相当外场飞行使用5个起落的寿命，这样可大大的缩短航空机轮疲劳寿命试验时间，且加速寿命试验方法西方发达国家也大量采用，国内在TY154民航飞机国产化机轮上也采用了ARP597(C)方法进行了寿命评估，按此方法现有试验台难以完成试验内容，因此需新建造航空机轮加速寿命试验台。

由于机轮的使用寿命要求增长，原有试验方法的试验周期很长，试验成本高，根据国外机轮加速寿命试验方法，机轮疲劳滚转寿命试验时，给机轮施加一定的阻力扭矩进行滚转试验，按此规定要求的载荷谱滚转试验的里程相当于常规试验的五倍，达到加速测试机轮的疲劳寿命。为了实现机轮加速寿命试验，在现有机轮滚转疲劳寿命试验中，是通过机轮刹车装置直接给被试机轮加载阻力扭矩，但这种加载方式有两个缺点：一是由于刹车装置的热库是按飞机起飞着陆刹车过程设计，刹车装置设计的热库重量小，如果长时间带刹车进行滚转疲劳试验，刹车能量会致使刹车装置的刹车盘温度越来越高，温度升高容易造成轮胎爆破，因此，在试验一段时间后必须中断试验，等待刹车装置温度降低，然后继续试验，结果是延长试验周期。二是机轮刹车装置刹车产生阻力扭矩过程中，刹车盘会磨损，机轮疲劳试验会消耗大量的刹车盘，刹车盘的制造成本高，最终导致试验费用增加、产品研制周期加长。

中国发明专利CN201210123879.X公开了一种航空机轮疲劳阻力加载试验台及试验方法，其实现阻力矩加载的方式是：当机轮转动时，机轮速度通过传动齿轮和增速器的两级加速，再驱动液压泵；而液压泵、软管、液压马达和散热器构成一个液压的闭环系统，液压泵输出的液压功率通过软管传送给地面的液压马达，液压马达的出口油液经散热器冷却后再由软管把油液送回到液压泵的进油口，这个闭环的液压系统由液压泵将机械能转化为液压能，再由液压马达将液压能转化为机械能，软管的连接使加载托架在移动加载过程中能不受结构刚性的约束，并减轻加载托架的自重和负载；液压马达驱动变频发电机发电，把机械能转化为电能，在变频发电机受到的拖动力矩确定的情况下，它输出的电功率与其转速呈正比。输出的电能经过发电逆变单元转化为直流电送到整流单元的输出端，整流单元把电网送来的交流电变成直流电与发电逆变单元送来的直流电一起给第一逆变器供电，用以驱动鼓轮。变频发电机工作在恒力矩模式，力矩的大小通过控制器改变施加在变频发电机励磁绕组上的励磁电流实现连续可调，调节力矩的大小使由力矩传感器检测到的作用在机轮导轨上的阻力矩与规定的试验技术要求值相同，实现对刹车阻力矩的闭环控制；同时通过控制器改变液压泵的斜盘角度来改变液压泵的输出流量，对应调整变频发电机的工作频率，使变频发电机始终处于有效工作频率范围内。

以上方式看似可行，实际实现需解决诸多技术难题。其一，机轮疲劳试验的转速较低，一般5～20KM/h，因试验机型不一样，转速也就不一样，因此想让液压马达固定功率运转并不容易实现；其二，变频电机的接入对试验台测量系统会造成额外的干扰，以及对试验厂房带来额外的噪音；其三，造价成本高，不便于维护；其四，试验台厂房所用电网为特供的专用大功率高压电网，变频电机发电所产生的能力，如想反馈回供电电网，实际实现难度大，造价极高，因此一般是采用大功率电阻进行电能的消耗而不是反馈回电网，但又会衍生出长时间试验方式必然需要增加散热系统的问题；其五，阻力矩施加的控制系统比较复杂，变频电机在启动期间，其力矩不可控，恒力矩控制模式只适用于恒力矩负载时才起作用，当负载低于所设定的力矩时会产生失控，如需避免此类问题只能增加复杂的控制系统，另外，变频发电机的前端是通过液压马达来转换机械动能，中间必然消耗能量，调节变频发电机的恒力矩值虽然会对机轮端的阻力矩产生影响但并非线性可调，为不可控的阻力矩调节方式，这是此设备最大的缺陷。因此需寻求阻力矩可控且更为经济、更为简单、无污染无噪音的方式。

发明内容

为克服现有技术中存在的成本高、周期长或阻力矩不可控、带来额外干扰和噪音污染的不足，本发明提出了一种航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置。

本发明包括加载系统、驱动系统，通过加载系统驱动安装在机轮上的U型加载头压向鼓轮，向机轮施加载荷用于模拟飞机载荷。通过驱动系统驱动鼓轮，并以该鼓轮的外圆周表面模拟飞机跑道.其特征在于，还包括阻力加载系统；所述的阻力加载系统包括驱动盘、齿轮盘、齿轮轴、磁粉制动器、冷却塔、控制器、水泵和水泵电机。其中：驱动盘位于轮毂一端端面的空腔内，并使驱动盘开口端圆周外表面均布的机轮驱动槽与该轮毂内圆表面均布的内导轨嵌合；所述驱动盘套装在轮轴上，并使该驱动盘与所述轮轴之间间隙配合。所述齿轮盘套装在轮轴上，并位于所述驱动盘外端面与加载头的侧壁板内表面之间；该齿轮盘与齿轮轴啮合。机轮位于所述加载头的U形腔内并安装在所述轮轴上。所述的轮毂中心线、轮轴中心线、驱动盘中心线和齿轮盘的中心线均同轴。所述磁粉制动器的进水口通过水管与水泵的出水口连通，该磁粉制动器的出水口通过水管与冷却塔的入水口连通。所述磁粉制动器的励磁控制端口与控制器的控制输出端口连通。通过水泵电机驱动所述水泵。

所述的驱动盘为一端为敞口的圆形筒体。该驱动盘的内孔与轮轴的外表面之间间隙配合；该驱动盘的外径与所述的机轮轮毂端面的空腔相配合。在该驱动盘的外圆周表面均布有用于与分别在机轮轮毂内表面的内导轨相配合的多个机轮驱动槽，并且所述个机轮驱动槽宽度方向的中心线均平行于该驱动盘的轴线。所述的驱动盘一端端盖中心有轮轴过孔；在所述轮轴过孔的周边均布有多个用于连接齿轮盘的连接孔。

所述的齿轮盘中心有通孔，该通孔内两端分别安装有轴承；所述支持的内径与轮轴的外径相配合。该齿轮盘的外圆周表面为与齿轮轴啮合的齿。在该齿轮盘内端的端面有轴向凸出的法兰盘,通过该法兰盘与驱动盘的端盖连接。

所述齿轮轴的一端为与所述齿轮盘啮合的齿轮；该齿轮轴另一端的轴杆上有用于与所述扭矩传感器配合的键槽。所述的齿轮轴的中间部分的外径与所选型的轴承内径相配合，并通过轴承座安装在U型加载头与所述磁粉制动器相邻一侧的加载臂上。

所述齿轮轴的一端位于加载头的U形腔内,另一端穿过所述加载头的侧壁板，与位于该加载头一侧的磁粉制动器通过扭矩传感器连接。所述轮轴的两端分别安装在所述加载头的两个侧壁板上；

本发明利用磁粉制动器来进行阻力的加载，通过对磁粉制动器的励磁电流进行控制,以实现对阻力矩大小的控制。

本发明中,磁粉制动器是在通电情况下形成磁粉来传递扭矩的传动元件，主要由内转子、外转子、激磁线圈及磁粉组成。单线圈不通电时，主动转子旋转，由于离心力的作用，磁粉被甩在主动转子的内壁上，磁粉与从动转子之间没有接触，主动转子空转。

本发明通过改变磁粉制动器的励磁电流大小，调节加载于滚转机轮上的阻力矩大小。阻力加载系统与机轮连接，径向加载装置使鼓轮与机轮轮胎压紧，通过机轮带动磁粉制动器旋转。控制器与磁粉制动器导线连接，可改变磁粉制动器阻力大小，制动力在磁粉制动器内部产生热量，循环水被加热，水泵将热水抽出，并给磁粉制动器注入冷却后的水，水冷却塔将制动产生的热量散发到大气中。磁粉制动器前端的转矩传感器测量制动力矩。

本发明根据电磁原理，采用磁粉作介质，利用磁粉链传递转矩，具有激磁电流和传递转矩成线性关系的特点，可实现高精度的转矩控制，从而为机轮提供准确数值的阻力矩。并且由于磁粉的磁气特性，滑动转矩稳定，与相对回转数没有关系，能保持恒定的转矩。

本发明阻力矩的提供，由于静摩擦系数和动摩擦系数几乎一样，所有完全连结时不会产生震荡，可以因应负载加减速，达到平顺的连续及驱动状态。

机轮在滚转疲劳寿命试验时随着拖动鼓轮旋转，在机轮上设置一套传动装置，带动磁粉制动器的转子旋转，使转子产生附加阻力扭矩，作用力和反作用力下，通过传动机构从而在机轮上施加一反力，实现机轮的阻力载荷加载，阻力载荷的大小通过调节磁粉制动器激磁电流的大小来控制，并通过扭矩传感器进行闭环调节，达到精确控制的要求。本发明阻力载荷控制方便，精确，使用维护简单，经济实用，具有响应快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动、节约能源并可长时间连续运转等优点。

利用本发明进行机轮滚转疲劳试验时无需装刹车装置，降低试验成本。不受刹车装置热库所限，阻力矩产生的热量，通过循环的冷却水进行冷却散发，保证本发明可处于长期工作状态，可以进行连续试验。

根据《民用运输机机轮和刹车设计耐久性补充准则》ARP597(C版)中的说明，采用阻力加载载荷谱进行的机轮疲劳试验，试验滚转里程相当于常规试验的五倍，可以节省五分之四试验时间。如果目前飞机机轮寿命试验需持续一年到一年半时间，采用机轮加速寿命试验方法，其试验时间可缩短至两个半月到三个半月。机轮疲劳寿命试验费用约为每小时500元，每种机轮疲劳寿命试验费用在438万元到657万元。如果通过加速疲劳试验方法，可节省费用350.4万元到525.6万元。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是驱动盘结构示意图，其中图a是正视图，图b是侧视图。

图3是齿轮盘结构示意图，其中图a是正视图，图b是侧视图。

图4是齿轮轴结构示意图，其中图a是正视图，图b是侧视图。图中：

1.鼓轮；2.机轮；3.轮轴；4.加载头；5.轮毂；6.驱动盘；7.齿轮盘；8.齿轮轴；9.扭矩传感器；10.磁粉制动器；11.冷却塔；12.控制器；13.水泵；14.水泵电机；15.电缆；16.水管。

具体实施方式

本实施例是某型机轮加速寿命试验台的阻力加载系统。

所述的机轮加速寿命试验台主要包含加载系统、驱动系统和阻力加载系统三部分。通过加载系统驱动安装在机轮2上的U型加载头4压向鼓轮，向机轮施加载荷用于模拟飞机载荷。通过驱动系统驱动大直径、大惯量的鼓轮1，所述鼓轮的外圆周表面用模拟飞机跑道；所述的鼓轮为现有技术，周长为7m，滚转速度为0～30km/h。

加载系统和驱动系统均为现有技术所使用的常规系统。

所述的阻力加载系统包括驱动盘6、齿轮盘7、齿轮轴8、扭矩传感器9、磁粉制动器10、冷却塔11、控制器12、水泵13、水泵电机14、电缆15和水管16。其中：

驱动盘6位于轮毂5一端端面的空腔内，并使驱动盘开口端圆周外表面均布的机轮驱动槽与该轮毂内圆表面均布的内导轨嵌合；所述驱动盘套装在轮轴3上，并使该驱动盘与所述轮轴3之间间隙配合。所述齿轮盘7通过轴承套装在轮轴3上，并位于所述驱动盘外端面与加载头4的侧壁板内表面之间；该齿轮盘与齿轮轴8啮合。所述齿轮轴的一端位于加载头4的U形腔内,另一端穿过所述加载头的侧壁板，与位于该加载头一侧的磁粉制动器10通过扭矩传感器9连接。所述轮轴3的两端分别安装在所述加载头的两个侧壁板上；安装在所述轮轴上的机轮2位于该加载头的U形腔内。所述的轮毂中心线、轮轴中心线、驱动盘中心线和齿轮盘的中心线均同轴。

所述轮轴3的两端通过卡具固定安装在U型加载头4上。

所述磁粉制动器10的进水口通过水管16与水泵13的出水口连通，该磁粉制动器的出水口通过水管与冷却塔11的入水口连通。所述磁粉制动器10的励磁控制端口通过电缆15与控制器12的控制输出端口连通。通过水泵电机14驱动所述水泵13。

所述的驱动盘6为一端为敞口的圆形筒体。该驱动盘的内孔与轮轴的外表面之间间隙配合；该驱动盘的外径与所述的机轮轮毂端面的空腔相配合。在该驱动盘的外圆周表面均布有用于与分别在机轮轮毂内表面的内导轨相配合的多个机轮驱动槽，并且所述个机轮驱动槽宽度方向的中心线均平行于该驱动盘的轴线。所述的驱动盘一端端盖中心有轮轴过孔；在所述轮轴过孔的周边均布有多个用于连接齿轮盘的连接孔。

所述的齿轮盘7中心有通孔，该通孔内两端分别安装有轴承；所述支持的内径与林周3的外径相配合。该齿轮盘的外圆周表面为与齿轮轴8啮合的齿。在该齿轮盘内端的端面有轴向凸出的法兰盘,通过该法兰盘与驱动盘的端盖连接。

所述齿轮轴8的一端为与所述齿轮盘啮合的齿轮；该齿轮轴另一端的轴杆上有用于与所述扭矩传感器9配合的键槽。所述的齿轮轴的中间部分的外径与所选型的轴承内径相配合，并通过轴承座安装在U型加载头与所述磁粉制动器相邻一侧的加载臂上。

所述的轴承的选型为现有常规轴承。所述的扭矩传感器是量程为10000Nm的常规扭矩传感器。所述的磁粉制动器为功率为50KW，输入转速为0～3000rpm，最大制动力矩为10000Nm的磁粉制动器，其激励电流小于5A。

所述的控制器12是用于给磁粉制动器提供稳定激励电流的激励源，输出电流最大为5A的直流电流。

所述的冷却塔11、水泵13和水泵电机14均为成品件，用于提供0.3Mpa冷却水水压。

所述的机轮直径为810mm，径向加载63.45KN,加载后滚动直径为790mm。阻力载荷12.7KN,则阻力矩为5KNm。

实施时，机轮通过轮轴安装于U型加载头上，将驱动盘安装于轮毂的形腔内，驱动盘的驱动槽与轮毂的内导轨向配合安装，使得驱动盘可以随机轮同步旋转并能承受一定扭矩；将齿轮盘通过两个轴承安装于轮轴上，并将其一端通过法兰与驱动盘用螺钉固定，使得齿轮盘可随驱动盘、机轮同轴和同步旋转；将齿轮轴通过轴承座安装于与齿轮盘同侧的U型加载头的加载臂上，并使得齿轮轴的齿轮端齿轮与齿轮盘的齿轮相配合，及齿轮盘可通过齿轮带动齿轮轴运动，齿轮轴的另一端安装有扭矩传感器，并通过扭矩传感器与磁粉制动器的输入轴同轴相连。控制器通过电缆连接磁粉制动器的控制插座，通过此电缆对磁粉制动器进行制动电流的激励。水泵输出端通过水管连接磁粉制动器的水冷进水口，磁粉制动器水冷出水端通过水管与冷却塔的进水端连接，冷却塔的出水端通过水管与水泵的进水端连接。

因激励电流与磁粉制动器输出力矩成线性关系，试验前直接调节控制器的激磁电流至额定试验电流，本实施例所需阻力矩为5KNm，及调节激磁电流为2500mA。

试验时，开启水泵电机带动水泵，输出3.0Mpa的水压，使得冷却水从水泵流至磁粉制动器，从磁粉制动器流出进入冷却塔后又流回水泵，形成循环。驱动系统带动鼓轮旋转，使得鼓轮圆周表面线速度达到额定转速，本实施例为20km/h。加载系统带动安装有机轮的加载头前进，压向鼓轮表面进行载荷加载至额定试验载荷，本实施例载荷为63.45KN。此时机轮在鼓轮表面与机轮轮胎表面摩擦力的作用下被动旋转，由此通过驱动盘带动齿轮盘同步转动，齿轮盘通过齿轮带动齿轮轴旋转，齿轮轴带动磁粉制动器旋转，磁粉制动器在激磁电流的作用下，其输出转子在转动时带阻尼转动，从而为机轮在旋转时提供阻力载荷，并且阻力矩可通过扭矩传感器9进行测量，同时可反馈至控制器进行闭环控制，使得阻力矩的控制更为精准可信，也方便了计量校准；磁粉制动器所产生的热量通过冷却水传递至冷却塔散发，使得磁粉制动器可处于长期工作状态。磁粉制动器转子在转动时阻力矩与激磁电流成正比，并且启动时静摩擦系数与动摩擦系数一致，在最高限速范围内其扭力矩的输出与转速无关，因此使得机轮受到了一个类似于刹车力矩的阻力矩，本实施例是在2500mA激磁电流作用下输出5KNm的阻力矩。

Claims (5)

1.一种航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，包括加载系统、驱动系统，通过加载系统驱动安装在机轮上的U型加载头压向鼓轮，向机轮施加载荷用于模拟飞机载荷；通过驱动系统驱动鼓轮，并以该鼓轮的外圆周表面模拟飞机跑道；其特征在于，还包括阻力加载系统；所述的阻力加载系统包括驱动盘、齿轮盘、齿轮轴、磁粉制动器、冷却塔、控制器、水泵和水泵电机；其中：

驱动盘位于轮毂一端端面的空腔内，并使驱动盘开口端圆周外表面均布的机轮驱动槽与该轮毂内圆表面均布的内导轨嵌合；所述驱动盘套装在轮轴上，并使该驱动盘与所述轮轴之间间隙配合；所述齿轮盘套装在轮轴上，并位于所述驱动盘外端面与加载头的侧壁板内表面之间；该齿轮盘与齿轮轴啮合；机轮位于所述加载头的U形腔内并安装在所述轮轴上；所述的轮毂中心线、轮轴中心线、驱动盘中心线和齿轮盘的中心线均同轴；所述磁粉制动器的进水口通过水管与水泵的出水口连通，该磁粉制动器的出水口通过水管与冷却塔的入水口连通；所述磁粉制动器的励磁控制端口与控制器的控制输出端口连通；通过水泵电机驱动所述水泵。

2.如权利要求1所述航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，其特征在于，所述的驱动盘为一端为敞口的圆形筒体；该驱动盘的内孔与轮轴的外表面之间间隙配合；该驱动盘的外径与所述的机轮轮毂端面的空腔相配合；在该驱动盘的外圆周表面均布有用于与分别在机轮轮毂内表面的内导轨相配合的多个机轮驱动槽，并且所述个机轮驱动槽宽度方向的中心线均平行于该驱动盘的轴线；所述的驱动盘一端端盖中心有轮轴过孔；在所述轮轴过孔的周边均布有多个用于连接齿轮盘的连接孔。

3.如权利要求1所述航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，其特征在于，所述的齿轮盘中心有通孔，该通孔内两端分别安装有轴承；所述支持的内径与轮轴的外径相配合；该齿轮盘的外圆周表面为与齿轮轴啮合的齿；在该齿轮盘内端的端面有轴向凸出的法兰盘,通过该法兰盘与驱动盘的端盖连接。

4.如权利要求1所述航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，其特征在于，所述齿轮轴的一端为与所述齿轮盘啮合的齿轮；该齿轮轴另一端的轴杆上有用于与所述扭矩传感器配合的键槽；所述的齿轮轴的中间部分的外径与所选型的轴承内径相配合，并通过轴承座安装在U型加载头与所述磁粉制动器相邻一侧的加载臂上。

5.如权利要求1所述航空机轮加速寿命试验阻力矩加载装置，其特征在于，所述齿轮轴的一端位于加载头的U形腔内,另一端穿过所述加载头的侧壁板，与位于该加载头一侧的磁粉制动器通过扭矩传感器连接；所述轮轴的两端分别安装在所述加载头的两个侧壁板上。