直升机飞行状态下传动系统载荷测试研究

李永寿 唐丽芳

(中国飞行试验研究院 西安 710089)

摘 要:直升机飞行状态下传动系统载荷测量是一种新的测试课题。本文从当前实际情况出发,采用飞行测量的传统方法-应变电测来解决该问题,这是一次大胆的尝试。首先,介绍了应变电测技术。包括应变片工作原理、全桥测量电路、应变片的贴片位置确定等内容;其次,介绍了标定方法及过程。最后,介绍了标定时采用多元回归分析方法得到标定结果满足飞行试验要求;同时对飞行试验实测载荷数据进行了分析及处理,并与XXX传动系统飞行载荷结果进行对比。试验结果表明应变电测方法应用于传动系统测量是可行的,结果是可信的;同时本文提出的传动系统载荷数据处理方法也是合理的,编写的FORTRAN程序也是正确的。关键词:传动系统 应变电测 多元回归分析方法 飞行试验中图分类号:V215.5文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(c)-0002-02

飞行状态下的传动系统载荷测量是传动系统研制中的一项重要任务,是在进行一系列地面试验,确定传动系统与直升机相容即对直升机不会造成破坏性损伤后,进行的最后一个环节的试验。其目的是确定不同飞行状态下传动系统各部件载荷的大小,以判断传动系统载荷水平能否满足预先的设计要求,传动系统的各项功能是否工作正常、是否达到装机要求,同时也为传动系统各部件的疲劳定寿提供试飞依据。

桥测量电路,将应变片的电阻值的微小变化转化为电压信号,同时可以最大程度提高指示应变的数值。全桥测量电路是在四个桥臂

则可得输出电压:上接电阻应变片,灵敏系数为K,组成全桥。

u

u0K1234uK4

则,输出的应变为

u0

Ku

1.3应变片的贴片位置确定

根据传动系统各部件载荷测试技术要求和自身结构特点,并结合全桥测量电路的性质及原理,在传动系统各个关键部件上进行测点布置及所测载荷量的确定,比如旋翼轴弯矩、扭矩及拉力等等。

1 应变电测技术

1.1电阻应变片工作原理

利用金属丝的应变－电阻效应把构件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量,这样就可以用电测的方法进行应变测量,电阻应变片就是利用这一原理而制成的传感元件。应变与电阻的相对变化量之间的关系可以表示为:

dR

KR

dR这里,为电阻的相对变化量,K为应变片金属丝的灵敏度

R

系数,为构件表面的应变量。1.2电桥测量电路

在传动系统载荷测试中,通过在部件表面粘贴应变片把部件表面的应变转换成ΔR/R后,由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小,既难以直接精确测量,又不便直接处理。因此需采用全

2 标定方法和过程

系统标定是在组成测试系统的基础上,在受力点上加载已知

作用力,通过测试系统的采集记录数据,根据作用力和记录数据的对应关系,采用最小二乘法拟和,得到记录数据与加载作用力的关系曲线。系统标定消除了各种中间环节的误差,提高了应变测量精度。

2.1标定方法

应变测量的标定是用静标定的方法进行的,其目的是知道记录器上的码制信号到底代表多大的应变量或力。其原理就是在测量点上加载已知恒定的力或应变,呈梯度变化,且稳定一段时间后,记录这时的码制,反复加载3次以上,最后取平均值。2.2标定过程

在每组载荷测量点加载标定前,应以标定的最大载荷加载并稳定一定的时间,检查加载后各测点的输出是否稳定。加载重复三次,检查各测点的每次输出是否相同。检查一切正常后,方可进行标定工作。由于测试系统是同时对这若干个点进行采集,所以,每加载一个量级,可以同时得到若干个点在该量级作用力下的测试数据,也保证了若干个点得出结果的一致性,还可以统一控制加载精度,满足精度≤1%。

.com.cn. All Rights Reserved.图1 某2个测点的载荷标定曲线

3 数据处理方法及结果分析

3.1多元回归分析

在对标定数据的处理上,采用的是多元回归分析的方法。回归分析是对具有相关关系的两个或两个以上变量之间数量变化的一般关系进行测定,建立一个相应的数学表达式之后,从一个已知量来推算另一个未知量,为估算预测提供一个重要的方法。图1给出了某2个测点的标定曲线。数据的相关性从判定系数R2值可以看出,R2值都大于0.98,相关性很好,标定结果满足要求。3.2试验数据处理分析方法

飞行试验数据处理方法,包括数据预处理阶段和数据二次处理阶段。

图2 载荷时域图

①作者简介:李永寿(1983—),男,助理工程师,硕士,研究生学历,研究方向:直升机强度载荷试飞专业研究。

2

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

研 究 报 告

A．数据预处理阶段:首先,判断飞行数据的有效性;其次,挑取飞行状态对应的时间段,以及该时间段对应的载荷数据;最后,通过软件、程序去除个别奇异的数据点。

b.数据二次处理阶段:按照任务要求对试飞科目对应的时间段(TOP)内的载荷测试参数计算分析,得到主旋翼每旋转一圈,即

最小值每个旋转周期beep(一个方位角信号)的最大值Maxbeep、

Minbeep、静态值Staticbeep和动态值Dynamicbeep,其计算方法如下:

MaxbeepMinbeep

Dynamicbeep (1)

2

MaxbeepMinbeep

Staticbeep (2)

2

由动态值(Dynamicbeep)和静态值(Staticbeep)可以计算整个TOP内载荷如下值:

1)最小静态值

(3)StaticminMinStaticbeep1,Staticbeep2,,Staticbeepn2)最小静态值处的动态值若Staticmin

2011 NO.06Science and Technology Innovation Herald科技创新导报的实测情况分析及处理结果。

a)由于部件载荷受到各种因素的影响,测到的载荷在时域图上表现为在某个恒定的值上下波动,典型的数据时域曲线如图2所示。从图2可以得看出:直升机做机动动作前,传动载荷相对稳定,做机动动作后后,载荷产生一个突变,载荷迅速增大到最大值,而后又迅速下降到零点,整个过程持续时间很短,最后数据趋于稳定。分析认为这是由于驾驶员恢复直升机的操纵和飞行状态造成的。

b)根据本文提出的载荷数据处理方法,结合FORTRAN语言,编程计算了直升机各种试飞科目中传动系统各个载荷参数的最小静态值、最小静态值处的动态值、静态平均值、最大静态值、最大静态值处的动态值、最小动态值、最小动态值处的静态值、动态平均值、最大动态值、最大动态值处的静态值、最小静态值与最大静态值的平均值、最小动态值与最大动态值的平均值。

c)试验结果表明,本文计算得到的结果与XXX传动系统飞行载荷之间的偏差不到1%,这也验证了本文提出的数据方法的有效性和正确性,同时计算得到的载荷最大动态值对部件的疲劳定寿及飞行时的载荷安全监控有着至关重要的作用。

MinbeepMaxbeep

Dynamic

2

MaxbeepMinbeep

2

,则最小静态值处的动态值为:

(4)

4 结语

本文探讨了在传动系统各部件的不同位置粘贴应变片,组成全桥电路测量传动系统各部件不同位置上的应变;在测试系统处于待测状态后进行静态标定,通过静态标定以确定应变输出和各个载荷的对应关系;再对重复3次的标定数据进行回归分析得出两者之间的线性关系;之后,完成对飞行状态下传动系统各部件的载荷数据的采集和处理。本文完成的研究主要有以下三方面:

(1)本文进行的传动系统载荷测量研究是应变电测基本原理的应用,采用电阻应变片组成直流全桥进行测量,利用直升机在不同飞行状态下引起传动系统各部件产生弯曲、扭转及拉伸形变,通过应变测量得出载荷的大小,试验结果表明应变电测方法应用于传动系统测量是可行的,结果是可信的;

(2)主要的测量方法是系统静态标定,利用系统静态标定确定测量应变与载荷的线性对应关系,从而通过测量传动系统部件上的应变来得到其载荷大小。所以进行系统静态标定是本文研究传动系统载荷测量的关键。

(3)根据本文提出的传动系统载荷数据处理方法,通过FOR-TRAN语言编程,得到处理传动系统载荷数据处理计算程序,并通过对载荷数据的处理及与XXX传动系统飞行载荷的对比,验证了本文提出的传动系统载荷数据处理方法及FORTRAN程序的合理性,正确性。

3)静态平均值

MinbeepiMaxbeepi

,则静态平均值为:若Statici

2

StaticStatici (5)4)最大静态值

(6)StaticmaxMaxStaticbeep1,Staticbeep2,,Staticbeepn5)最大静态值处的动态值

MinbeepMaxbeep

若Staticmax,则最大静态值处的动态值为:

2

MaxbeepMinbeep

Dynamic (7)

2

6)最小动态值

i1

n

.com.cn. All Rights Reserved.DynamicminMinDynamicbeep1,Dynamicbeep2,,Dynamicbeepn(8)

7)最小动态值处的静态值

MaxbeepMinbeep

,则最小动态值处的静态值为:若Dynamicmin

2

MaxbeepMinbeep

Static (9)

2

8)动态平均值

MaxbeepiMinbeepi

若Dynamici,则动态平均值为:

2n

DynamicDynamici (10)9)最大动态值

i1

参考文献

[1]薛同博.传动系统动部件的疲劳寿命分析,中国航空学会第十二届机械动力传输学术讨论会湖南省航空学会机械动力传输学术年会论文集.2005.10.

[2]佘定君.某型直升机减速器台架试验与分析研究.上海交通大

学.2005,01,01.

DynamicmaxMaxDynamicbeep1,Dynamicbeep2,,,Dynamicbeepn (11)10)最大动态值处的静态值若Dynamicmax为:

MaxbeepMinbeep

2

,则最大动态值处的静态值

(12)

2

11)最小静态值与最大静态值的平均值

StaticminStaticmiaxS (13)

2

12)最小动态值与最大动态值的平均值

DynamicminDynamicmiax

D (14)

2

3.3试验数据分析及处理结果

这里,以直升机做某机动试飞科目为例,介绍对传动系统载荷

Static

MaxbeepMinbeep

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