CN110243564A - 拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置及试验方法，装置包括由台架、竖直导轨、提升电机、吊篮、缓冲、缓冲器地基和拦阻钩组成拦阻钩落钩系统和挂索系统。本发明实现对着舰过程中拦阻钩挂索冲击动态过程的模拟，可以简单方便地获取该过程中拦阻钩的动态响应数据，避免舰上试验或陆基试验中获取该数据危险性高、难度大、费用昂贵等缺点，解决难以在实验室内获取拦阻钩挂索冲击载荷的问题。

Description

拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于获取拦阻钩挂索冲击载荷技术领域，具体指代一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置及试验方法。

背景技术

拦阻钩是舰载飞机较之陆基飞机的一个显著区别，其主要作用是在飞机顺利进场后钩住航母拦阻索，将拦阻力传递到机身上，强制飞机减速。通常，舰载飞机着舰时拦阻钩先后经历与甲板和拦阻索的两次冲击碰撞，拦阻钩组件及其连接区都处于动态冲击载荷的工作环境下，受载形式非常复杂，给拦阻钩的载荷分析带来很大困难。

早在1956年，国外学者Ringleb对绳索的碰撞动力学问题进行了详细的研究，建立了索受冲击过程的理论模型及分析结构响应的响应，给出了飞机拦阻过程中钩索冲击载荷的理论计算方法，此后几乎所有关于拦阻索动力学方面的理论研究都是以此为基础的。国内外关于拦阻钩挂索载荷方面的试验研究多为实测试验，在实验室中进行拦阻钩挂索冲击方面的试验研究尚未有公开报道。

国外在拦阻钩载荷方面的研究已有几十年的历史，已很成熟。如美国在舰载飞机舰载适配性飞行试验中，进行了大量的拦阻钩载荷实测，形成了规范；而我国的舰载飞机正处于发展初期，还没进行条件进行大量的舰上实测试验，陆基飞行试验也存在危险性高、难度大、费用昂贵等问题。

为了解决着舰过程中拦阻钩挂索冲击载荷难以获取的问题，设计了一套模拟拦阻钩挂索冲击的试验装置，拦阻钩自由落体以获得相应的下沉速度，拦阻索高速旋转来模拟飞机的航向速度，这样就可以在没有舰上试验和陆基试验的情况下获得拦阻钩挂索冲击的动态响应，在实验室中进行挂索冲击试验，测量拦阻钩挂索冲击载荷，解决了危险性高、难度大、费用昂贵的问题。

近年来我国进行了少量的陆基飞行试验以获得拦阻钩挂索后的动态响应，但这些试验都是针对某一特定机型及其对应的拦阻钩，数据十分有限。该试验装置在实验室环境中实现最大限度的模拟钩索挂索时的状态，准确测量拦阻钩挂索时的冲击载荷，满足不同舰载飞机以及不同拦阻钩的试验要求，在已公开的文献中还没有出现过类似的试验装置。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置及试验方法，以解决现有技术中舰载飞机着舰过程中拦阻钩挂索冲击动态响应难以获取的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，包括：拦阻钩落钩系统和挂索系统，该拦阻钩落钩系统包括试验台架系统、缓冲系统及拦阻钩；

试验台架系统包括台架、安装于台架上的竖直导轨、安装于台架上方的提升电机及通过绳索安装于提升电机下端的吊篮，绳索与吊篮之间还装有自动脱钩器，吊篮上安装有与所述竖直导轨相配合的导向轮；吊篮上安装有试验所用的拦阻钩；

缓冲系统位于吊篮下方，其由安装在地面上的缓冲器地基和安装在缓冲器地基上的缓冲器组成；试验时吊篮带有一定速度下落撞击缓冲器，用于模拟飞机降落时起落架缓冲器，试验结束状态吊篮由缓冲器支撑；

挂索系统包括：电机、主动轮、从动轮、支座、钢索及转轴，电机带动主动轮来驱动通过离合器连接于转轴上的从动轮转动，转轴随之转动，进而带动转轴上的钢索旋转运动；转轴的两端分别通过轴承安装在支座上；挂索系统安装于台架前方地面上的姿态角调整小车上，拦阻钩下落时钩头与钢索最高点啮合。

优选地，所述缓冲器与拦阻钩落钩系统无干涉，缓冲器安装位置和缓冲器长度，能满足落钩系统的吊篮下落钩头与钢索啮合，且钩头不与转轴撞击。

优选地，所述钢索通过钢索夹具与转轴连接，钢索夹具与转轴固定连接；轴承套设于转轴的外侧，二者相对转动，轴减少摩擦，加快转轴转动。

所述转轴上还套设有多个挡片，用于锁定各个部件的位置，能有效避免高速旋转时部件之间产生滑移或者干涉，也减少了安装难度，钢索夹具、轴承等套装在转轴上，使用挡片锁定。

优选地，所述支座与水平面平行，其安装位置使得拦阻钩的钩头与钢索的上段切向运动方向相同；且钢索与拦阻钩的碰撞时的接触点的轨迹的线速度在啮合时沿水平方向。

本发明的一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置的试验方法，包括步骤如下：

调整拦阻钩与钢索的位置，使拦阻钩的钩头与钢索的啮合点在钢索旋转最高点的切向上，将安装有拦阻钩的吊篮提升到预定高度，将自动脱钩器锁定，电机开机，挂索系统加速旋转至指定转速并稳定；打开测量系统，断开离合器，并打开自动脱钩器，吊篮在重力作用下沿竖直滑轨自由下滑，使得拦阻钩的钩头挂索后制动挂索系统，来模拟舰载飞机着舰时拦阻钩与拦阻索挂索啮合的过程；

吊篮在提升电机的作用下垂直向上运动，通过调整吊篮自由下滑前的投放高度，使得吊篮的下落速度在拦阻时达到舰载飞机的下沉速度，电机通过皮带轮来带动转轴转动，使得钢索达到钩--索接触点(啮合点)相对速度的规定值，达到预定转速后保持不变；在挂索之前，利用离合器，将电机与转轴断开，使拦阻钩的钩头与钢索的碰撞点处的速度达到飞机着舰时的航向速度；

调整缓冲器的参数使得其缓冲效果和舰载飞机着舰时主起落架的缓冲效果一致。

优选地，所述测量系统由测量仪器(应变片、位移计、测力计)和计算机组成；计算机对测量仪器数据采集到的数据进行分析，并计算冲击载荷。

优选地，所述试验方法具体包括：由试验结果推算出拦阻钩受到的冲击载荷，其计算方法为：通过载荷标定试验的结果，得到每个应变片在每个方向上输入载荷和应变的对应关系，再任意选取三个应变片，由这三个应变片的读数和载荷-应变对应关系，推算出每个方向上的输入载荷；某一个输入载荷分解为三个方向载荷F_x、F_y、F_z，任意选取三个应变片，其编号为i、j、k，其应变分别为ε_i、ε_j、ε_k，记第i号应变片在三个方向上载荷与应变的对应关系分别为i_x、i_y、i_z，由此，建立以下方程：

求解该方程得：

式中，ε_i、ε_j、ε_k分别为编号为i、j、k应变片的应变；i_x、i_y、i_z是标定数据；F_ix，F_iy，F_iz分别为静态下拦阻钩受轴向、侧向和垂向的拉力，ε_ix,ε_iy,ε_iz分别是对应静态拉力下轴向、侧向和垂向的应变。

本发明的有益效果：

1、本发明试验装置实现舰上各种复杂环境的模拟，包括下沉速度、航向速度、起落架缓冲等，获得和实际着舰时相一致的拦阻钩动响应数据；

2、本发明试验装置在有限的试验场地模拟舰载飞机的航向速度，最大化简化试验过程以及最大化提高试验安全性

3、本发明试验装置适用于不同着舰速度的舰载飞机，同时也适用于不同形式的拦阻钩。

4、本发明的方法通过调整转轴姿态角调整小车四个支架的高度使得钢索姿态变化，模拟航空母舰的姿态角。

附图说明

图1为模拟拦阻钩冲击挂索试验装置的结构示意图；

图2为模拟拦阻钩冲击挂索试验装置的左视图；

图3为挂索系统的轴侧图；

图4为转轴装配图；

图5为拦阻钩与钢索啮合瞬间的正视图；

图6为拦阻钩与钢索啮合瞬间的左视图；

图7为姿态角调整小车示意图；

图8a为钩臂上表面应变片贴片位置图；

图8b为钩臂下表面应变片贴片位置图；

图中：1、提升电机，2、竖直导轨，3、台架，4、吊篮，5、缓冲器，6、缓冲器地基，7、电机，8、主动轮，9、从动轮，10、支座，11、钢索，12、转轴，13、挡片，14、轴承，15、钢索夹具，16、拦阻钩，17、导向轮，18、离合器，19、姿态角调整小车，20、自动脱钩器， 21，绳索，G挂索系统。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1至图5所示，本发明的一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，包括：拦阻钩落钩系统和挂索系统G，该拦阻钩落钩系统包括试验台架系统、缓冲系统及拦阻钩；

试验台架系统包括台架3、安装于台架上的竖直导轨2、安装于台架3上部的提升电机1 及通过绳索21安装于提升电机1下端的吊篮4，吊篮4上安装有与所述竖直导轨2相配合的导向轮17，导向轮17固定在吊篮4上，吊篮4沿竖直方向运动；

缓冲系统位于吊篮4正下方，由缓冲器地基6和一对缓冲器5组成；所述缓冲器5与拦阻钩落钩系统无干涉，缓冲器安装位置和缓冲器长度，能满足落钩系统的吊篮下落钩头与钢索啮合，且钩头不与转轴撞击。

挂索系统包括：电机7、主动轮8、从动轮9、支座10、钢索11及转轴12，电机7带动主动轮8和从动轮9经过离合器连接于转轴12上，转轴12带动其上的钢索11旋转运动，钢索11通过钢索夹具15与转轴12连接；转轴12的两端分别通过轴承14安装在支座10上。支座10与水平面平行，其安装位置使得拦阻钩的钩头与钢索的上段切向运动方向相同；且啮合点(挂索系统的钢索和拦阻钩首次接触的点)的轨迹线速度在啮合时沿水平方向。挂索系统安装于台架前方地面上的姿态角调整小车19上。

所述转轴上还套设有多个挡片13，用于锁定各个部件的位置，能有效避免高速旋转时部件之间产生滑移或者干涉，也减少了安装难度，钢索夹具、轴承等套装在转轴上，使用挡片锁定。

本发明的拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置的试验方法，如下：

一、首先进行调参试验，确定吊篮4的投放高度，使拦阻钩16与钢索11接触时吊篮4的下落速度达到所需的下沉速度；缓冲器5为液压式，调整一对液压缓冲器的油孔参数，使其与吊篮4接触后的缓冲效果和舰载飞机着舰时主起落架的缓冲效果一致；调整拦阻钩16与钢索11的位置，使拦阻钩钩头与钢索旋转时索最高点的圆周相切，且钩头啮合位置正好作用于索上，紧接着吊篮4再撞击缓冲器5，这和舰载飞机着舰时的情况一致。

二、启动提升电机1将吊篮4提升到预定投放高度后锁定，用电机7驱动转轴12旋转达到一定的转速，使得钢索11上预定拦阻部分的线速度达到舰载飞机着舰时的航向速度。打开测量系统，断开挂索系统的离合器，脱开吊篮上部的锁定机构，使其沿竖直导轨2自由下落，拦阻钩与钢索发生啮合，钩头挂上钢索后挂索系统制动，同时吊篮4撞击缓冲器5制动；采集所需的各种数据并进行数据处理。拦阻钩和钢索啮合瞬间拦阻钩的状态如附图6、7所示。

三、启动提升电机将吊篮提升到投放高度后锁定，在姿态角调整小车上四个固定位置a， b，c，d组合添加垫片调整支座和水平面的夹角，模拟所需的航母姿态角。当钢索达到预定转速时，脱开吊篮4上部的锁定机构，拦阻钩与钢索发生啮合拦阻，采集所需的各种数据并进行数据处理。

由试验结果推算出拦阻钩受到的冲击载荷，其计算方法为：通过载荷标定试验的结果，得到每个应变片在每个方向上输入载荷和应变的对应关系，再任意选取三个应变片，由这三个应变片的读数和载荷-应变对应关系，推算出每个方向上的输入载荷；某一个输入载荷分解为三个方向载荷F_x、F_y、F_z，任意选取三个应变片，其编号为i、j、k，其应变分别为ε_i、ε_j、ε_k，记第i号应变片在三个方向上载荷与应变的对应关系分别为i_x、i_y、i_z，由此，建立以下方程：

求解该方程得：

式中，ε_i、ε_j、ε_k分别为编号为i、j、k应变片的应变；i_x、i_y、i_z是标定数据；F_ix，F_iy，F_iz分别为静态下拦阻钩受轴向、侧向和垂向的拉力，ε_ix,ε_iy,ε_iz分别是对应静态拉力下轴向、侧向和垂向的应变。

测量时，钩臂上的应变片应均匀分布，且对应的应变片都做过载荷标定试验，获取对应关系；试验时编号便于试验应变片的选取，采集数据的读取与整理。本发明中给出了一种布应变片位置如图8a-图8b中的所示。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，其特征在于，包括：拦阻钩落钩系统和挂索系统，该拦阻钩落钩系统包括试验台架系统、缓冲系统及拦阻钩(16)；

试验台架系统包括台架(3)、安装于台架(3)上的竖直导轨(2)、安装于台架(3)上方的提升电机(1)及通过绳索(21)安装于提升电机(1)下端的吊篮(4)，绳索(21)与吊篮(4)间还装有自动脱钩器(20)，吊篮(4)上安装有与所述竖直导轨(2)相配合的导向轮(17)；吊篮(4)上还安装有拦阻钩(16)；

缓冲系统位于吊篮(4)下方，其由安装在地面上的缓冲器地基(6)和安装在缓冲器地基上的缓冲器(5)组成；

挂索系统包括：电机(7)、主动轮(8)、从动轮(9)、支座(10)、钢索(11)及转轴(12)，电机(7)带动主动轮(8)来驱动通过离合器(18)连接于转轴(12)上的从动轮(9)转动，转轴(12)随之转动，进而带动转轴(12)上的钢索(11)旋转运动；转轴(12)的两端分别通过轴承(14)安装在支座(10)上。

2.根据权利要求1所述的拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，其特征在于，所述缓冲器(5)与拦阻钩落钩系统无干涉。

3.根据权利要求1所述的拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，其特征在于，所述钢索(11)通过钢索夹具(15)与转轴(12)连接，钢索夹具(15)与转轴(12)固定连接；轴承(14)套设于转轴(12)的外侧，二者相对转动。

4.根据权利要求1所述的拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置，其特征在于，所述支座(10)与水平面平行，其安装位置使得拦阻钩的钩头与钢索(11)的上段切向运动方向相同；且钢索(11)与拦阻钩的碰撞时的接触点的轨迹的线速度在啮合时沿水平方向。

5.一种拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤如下：

调整拦阻钩与钢索的位置，使拦阻钩的钩头与钢索的啮合点在钢索旋转最高点的切向上，将安装有拦阻钩的吊篮提升到预定高度，将自动脱钩器锁定，电机开机，挂索系统加速旋转至指定转速并稳定；打开测量系统，断开离合器，并打开自动脱钩器，吊篮在重力作用下沿竖直滑轨自由下滑，使得拦阻钩的钩头挂索后制动挂索系统，来模拟舰载飞机着舰时拦阻钩与拦阻索挂索啮合的过程；

吊篮在提升电机的作用下垂直向上运动，通过调整吊篮自由下滑前的投放高度，使得吊篮的下落速度在拦阻时达到舰载飞机的下沉速度，电机通过皮带轮来带动转轴转动，使得钢索达到钩--索接触点相对速度的规定值，达到预定转速后保持不变；在挂索之前，利用离合器，将电机与转轴断开，使拦阻钩的钩头与钢索的碰撞点处的速度达到飞机着舰时的航向速度。

6.根据权利要求5所述的拦阻钩挂索冲击载荷测试试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法具体包括：由试验结果推算出拦阻钩受到的冲击载荷，其计算方法为：通过载荷标定试验的结果，得到每个应变片在每个方向上输入载荷和应变的对应关系，再任意选取三个应变片，由这三个应变片的读数和载荷-应变对应关系，推算出每个方向上的输入载荷；某一个输入载荷分解为三个方向载荷F_x、F_y、F_z，任意选取三个应变片，其编号为i、j、k，其应变分别为ε_i、ε_j、ε_k，记第i号应变片在三个方向上载荷与应变的对应关系分别为i_x、i_y、i_z，由此，建立以下方程：

求解该方程得：

式中，ε_i、ε_j、ε_k分别为编号为i、j、k应变片的应变；i_x、i_y、i_z是标定数据；F_ix，F_iy，F_iz分别为静态下拦阻钩受轴向、侧向和垂向的拉力，ε_ix,ε_iy,ε_iz分别是对应静态拉力下轴向、侧向和垂向的应变。