飞机中部设备舱维护舱门试验设计及分析

飞机中部设备舱维护舱门试验设计及分析

张帆

中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089

摘要：疲劳试验自动化设备能够有效地解决原始的疲劳试验大多由人力完成，耗时长，稳定性和精度差的问题。本文针对飞机舱门开合疲劳试验和踩踏加载疲劳试验，设计了舱门开合疲劳试验系统及踩踏加载疲劳试验系统，试验考核表明，该系统具有良好的综合性能。

关键词：疲劳试验、自动化、舱门开合疲劳试验、踩踏加载疲劳试验

1. 引言

疲劳试验是指在短时间内多次模拟试验件的使用过程，使其迅速老化，以检测试验件强度，预测试验件使用寿命的一种重要手段，能够为优化改进设计提供重要数据。原始的疲劳试验大多由人力完成，耗时长，稳定性和精度差。疲劳试验自动化设备能够有效地解决这些问题，能极大的节约人力成本，缩短试验时间，提高试验精度。

本文针对某飞机舱门开合疲劳试验和踩踏加载疲劳试验，设计了舱门开合疲劳试验系统及踩踏加载疲劳试验系统，试验考核表明，该系统具有良好的综合性能。

2. 研究背景

某飞机舱门开合疲劳试验和踩踏加载疲劳试验需要以维护舱门在飞机上的高度和姿态，将其固定在试验台架上自动化完成维护舱门的功能性试验和踩踏加载试验，为了保证试验顺利实施，保障试验中的人员和财产安全，需要根据该试验的特点，在保证试验精度、稳定可靠的完成试验基本动作的前提下，尽量把试验机构设计的简单、美观，尽可能的节约空间和能源。

3. 舱门开合疲劳试验系统设计方案

维护舱门的开合分为五个动作：解锁、开门、解拉杆锁、关门和闭锁。舱门在实际情况下通过人力解闭锁，依靠自身重力下落开启，通过人力闭合。动力机构的设计要能实现以上动作，还要尽可能的简单可靠。所以舱门开合疲劳试验系统的设计方案如下：用解锁气缸通过连轴机构驱动锁轴实现解闭锁；用小气缸和拨叉解拉杆锁；用开关门气缸带动摇臂实现舱门开合。

图1 维护舱门试验系统的三维模型

1. 1. 动力机构的选取

根据所用动力机构不同，测试系统可采用两种设计方案。两种设计方案特点分别如下：

1. 用伺服电机作为动力机构，完成开关锁和开关门动作，用气缸伺服控制完成踩踏加载；

2. 用气缸作为动力机构，完成开关锁和开关门动作，用气缸伺服控制完成踩踏加载。

用气缸完成开关锁和开关门的动作，结构更简单，动作可靠性更高，且用气缸作为动力机构，能源统一，系统更简单，因此本文选择用气缸作为动力机构。

1. 2. 解闭锁动力机构

在实际情况下，舱门锁的开关是通过人力驱动手柄，带动旋转，进而驱动连杆机构实现开关锁。解闭锁的根本是对锁轴施加扭矩，因此本文设计了一种由键轴、键槽轴、曲柄和气缸组成的解闭锁动力机构。锁轴、键轴和键槽轴三轴同轴，键轴与锁轴连接，键槽轴与曲柄连接，通过气缸驱动曲柄提供扭矩，进而通过键轴与键槽轴的配合来实现解闭锁。

舱门闭合时，键位于键槽内，键槽开口方向与竖直面成75度；解锁时，气缸通过摇臂带动键槽轴，通过键槽与键的配合带动键轴和锁轴转动，当键槽开口竖直向下时，舱门锁销缩回，舱门依靠自身重力下落，实现开锁。闭锁过程同理，舱门闭合后，键进入键槽，在气缸的驱动下键槽重新回到开口与竖直面成75度位置，舱门锁销伸出，实现闭锁。

1. 3. 舱门开合动力机构

机构由气缸、摇臂和橡胶滑轮组成，舱门开启时，气缸缩回，带动摇臂作为阻力使舱门缓慢开启；舱门关闭时，气缸伸出，带动摇臂作为动力使舱门关闭。摇臂末端安装橡胶滑轮，使舱门与摇臂之间的接触为滚动摩擦，减小对舱门蒙皮的损伤，并具有一定的缓冲作用。

1. 4. 解拉杆锁动力机构

在舱门的一侧连杆上安装有自锁拉杆，当舱门打开到位时，自锁拉杆将舱门锁定，在关闭舱门前，要先解除拉杆锁。根据拉杆锁的机构原理，研制组设计了一个由小气缸和拨叉组成的解拉杆锁机构。小气缸与拉杆锁平行固定安装，并可以随拉杆而摆动。气缸顶部连接拨叉，拨叉扣住锁帽。解锁时，气缸回缩带动拨叉按压锁帽完成解锁动作。

4. 踩踏疲劳试验系统动力机构设计

踩踏加载系统由加载气缸、力传感器和比例方向阀等组成，加载位置为第一和第四级台阶。气缸底部安装在加载梁上，伸出杆末端连接力传感器。比例方向阀安装在加载梁上。

1. 1. 气缸的选则

踩踏加载模拟操作人员踩踏台阶的作用力。踩踏力垂直于台阶平面，采用气缸垂直加载的方式。本文选择加载力最大为1750N，选定加载气缸的几何尺寸如表1所示：

表1 加载气缸参数

1. 2. 电气伺服阀的选型

电气伺服阀是踩踏加载系统中的关键部件，其性能的好坏对加载特性有很大的影响，必须选用动态响应性能高、控制精度高的比例阀。

本方案的踩踏加载系统选用的是德国费斯托（FESTO）有限公司生产的MPYE-5-3/8-010B型比例方向阀，其主阀是动铁式双向电磁铁和阀芯固定为一体的三位五通阀。阀芯的位移经集成在阀内的位移传感器转换为电信号输入自带的控制放大器。该阀具有优越的动态特性，阀的动态响应频率极高。该阀的流量特性曲线如图2所示。

图2 MPYE-5-3/8-010B型比例方向阀流量特性曲线

其性能指标为：

1. 型号：MYPE-5-3/8-010-B；

2. 公称通径：10mm；

3. 标准额定流量：2000L/min；

4. 模拟量设定值输入：0—10V；

5. 频响：115Hz；

6. 响应时间：4.8ms；

7. 滞环：0.3%；

8. 生产厂家：德国费斯托有限公司

1. 3. 力传感器的选型

力传感器的选型要满足两个要求：一是刚度设计要求，在满足分辨率的要求条件下刚度应尽量高一些；二是要便于装卸，连接牢靠。传感器外形如下图所示：

图3 701所BK-4B型力传感器

具体指标为：

1. 型号：定制；

2. 量程：5kN；

3. 精度：±0.3%；

4. 生产厂家：701所

5. 质量保证：出厂合格证

5. 维护舱门试验系统的试验台架与总体设计

   1. 试验台架的总体结构布局

维护舱门实际距地面距离约2米，试验台架要按实际高度将维护舱门固定，并在其上安装动力执行机构。综合考虑架构强度、装卸便捷度和外观效果等因素，试验台架采用铝型材框架结构。试验台架主要由结构框架、解闭锁通道、开关门通道、踩踏加载通道、和舱门工装（由甲方提供）等部分组成。所有的动力执行结构和控制元件都可以通过连接件安装在台架上，并且铝型材自身的连接T型槽为安装定位提供了便利。

1. 2. 试验台架外形与框架设计

试验台架的外形尺寸约为2.5m×2m×1.6m，由于台架比较高大，为了减小舱门疲劳试验过程中产生的晃动和振动，在框架中加入了多个横梁和立柱，加强台架刚度。舱门的重量和几个动力执行机构都安装在顶层圈梁上，立柱的加入也起到了对顶层圈梁进行一定支撑的作用。台架通过四个角连接件固定在地轨上。进行开关门疲劳试验和踩踏加载疲劳试验的切换，只需拆装下层加载梁。

6. 结果与结论

维护舱门试验系统是一大型机电综合产品。本文设计的自动控制系统能够实现舱门实验台正常工作实验，满足所有功能控制要求，具备实验条件。其试验台架满足试验要求，具备实验功能且两个实验切换简单，能够节省框架材料，节约试验时间成本。按要求完成了功能原理性试验、维护舱门开启/关闭功能试验和机务人员踩踏载荷试验，结构检查无损伤情况，试验件在试验中未发生破坏，试验时采取了安全保护措施，确保了人员与设备的安全。

参考文献

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