专利名称：伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法
技术领域：
本发明涉及一种伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法，属于一类起落架试验技术领域。
背景技术：
起落架收放系统是飞机的重要组成部分，该系统的工作性能直接影响到飞机的机动性和安全性。为改善飞机飞行中的空气动力，现代飞机起落架通常设计为可收放的，空中飞行时收起在机身或机翼内部，起飞、降落时放下承受地面载荷。再者，现代飞机空地循环周期短，寿命期内地面运动距离长，致使起落架结构出现故障较多。因此，在地面对飞机进行收放功能的验证是飞机设计的一个重要环节。起落架收放试验是模拟飞机起飞、着陆的一种动力特性试验，通过收放试验进行起落架系统研究、设计与验证。在起落架收放试验中，气动载荷模拟一直是试验的重点和难点，关键在于需要随时保证模拟载荷方向水平以及载荷大小的精度。发达国家对于起落架收放系统的研究已经相当成熟，普遍采用起落架现代设计技术，将起落架置于风洞中进行试验，波音777飞机主起落架的收放试验就是在美国航空航天局艾姆斯研究机构的风洞中进行的。该方法比较接近实际飞行中起落架的收放，结果可靠度高，但试验准备周期长、耗资大、过程复杂，不易在短时间内进行。国内在研究起落架收放系统时一般在无风洞条件下进行试验，由于起落架在真实收放过程中受到的力为一个分布力系，因此要将分布力系简化为一个或几个集中力施加于起落架上，并且需要通过添加外载荷来模拟气动载荷，因此在地面试验台上准确模拟起落架收放过程中的气动载荷对试验至关重要。目前模拟起落架收放过程中的气动载荷主要有直接气动力加载法和主支柱铰点力矩等效法。王洪宪等在《飞机起落架收放动态性能研究及试验验证》([J].实验力学，2010，(02).) 一文中对直接气动力加载法进行了研究，该方法采用质量块直接加载模拟气动力，用滑轨保证气动力加载方向的水平，用变半径凸轮保证载荷大小的精度。沈凤林等在《飞机液压起落架电液伺服加载系统的研究》([D].西北工业大学，2002.) 一文中对主支柱铰点力矩等效法进行了研究，该方法采用作动筒加载模拟气动力力矩等效，并以电液伺服系统控制载荷的大小。分析国内现有收放试验加载方案的不足之处(a)质量块-凸轮加载方案该方案载荷方向性较好，但有其不足之处第一，结构复杂，绳索过多且拉扯线路冗乱，不利于起落架收放；第二，对于尺寸较大的起落架而言，受空间限制，可能无法安置质量块加载机构；第三，质量块加载方法的精度不高；第四，在收放过程中，质量块由于自身惯性力的作用会出现晃动从而产生碰撞，存在安全隐患；第五，设计的凸轮形状唯一，只能对应于一种载荷工况，而且可能在某些工况下无法设计出相对应的凸轮。(b)液压作动筒加载方案该方案载荷模拟的跟踪性能较好，其不足之处在于对液压作动筒的要求较高第一，加载作动筒的行程有限，可能无法满足大尺寸起落架收到所要求的高度；第二，加载作动筒的速度比较小，可能无法满足起落架收放时所需要的速度；第三，力矩等效法会产生附加力，导致收放过程中受力模型不准确；第四，需要建一套完备的液压伺服控制系统，试验成本高、周期长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、加载精确、安全可靠、经济适用，以及保证模拟载荷始终处于水平方向的伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法。本发明的技术方案包括装夹承载机构、载荷方向跟随机构、载荷大小模拟机构；其中装夹承载机构由固定安装于试验地面上的试验台架，安装于试验台架上的吊板，安装于吊板下表面用于装夹起落架主支柱的主支柱夹具、安装于吊板下表面用于装夹起落架收放作动筒的收放作动筒夹具组成；其中载荷方向跟随机构包括安装于试验地面上的支撑架、 安装于支撑架上的滚珠丝杆和垂直导轨，还包括安装于支撑架下部且输出轴与滚珠丝杆下端相连的竖直伺服电机，还包括通过升降螺母安装于垂直滚珠丝杆上，同时通过法兰轴承安装于垂直导轨上的升降台；其中载荷大小模拟机构包括与支撑架相对固定的固定台、安装于固定台上的水平伺服电机、安装于水平伺服电机输出轴的减速器、安装于减速器上的圆盘，还包括固定于起落架加载点处的加载板，加载板上安装有定滑轮，还包括安装于上述升降台上的转向滑轮，还包括一端固定于所述圆盘另一端绕过所述转向滑轮并固定于所述定滑轮上的钢丝绳。本发明的技术方案还包括上述伺服电机式起落架收放随动加载系统实现的加载方法，其过程如下(a)、设起落架的加载点到转轴的距离为L，起落架转过的角度为θ，水平伺服电机需要绕过的钢丝绳的长度为AL，钢丝绳在某时刻的微变形为Δ1; (b)、在起落架收起过程中，利用载荷方向跟随机构保证转向滑轮与定滑轮之间的钢丝绳保持水平；(C)、由于钢丝绳在某时刻的微变形Δ1为水平伺服电机需要绕过的钢丝绳的长度AL的几千万分之一，因而在确定水平伺服电机转过多少钢丝绳的长度的时候忽略△ 1对其的影响；起落架收起过程设收起过程中，起落架完全放下位置为0度； AL = Lsine-L(l-cose);当0°彡θ°彡45 °时，水平伺服电机释放钢丝绳；当 45° < θ <90°时，水平伺服电机收进钢丝绳；起落架放下过程设放下过程中，起落架完全收起位置为0度；AL = Lsin θ-L(1-C0S θ );当0°彡θ °彡45°时，水平伺服电机收进钢丝绳；当45° < θ <90°时，水平伺服电机释放钢丝绳；(d)、提前设定起落架收放过程中相应时刻所需要的加载载荷，在加载点附近的钢丝绳上安装载荷传感器用于测量对应时刻下钢丝绳上的载荷，并实时反馈给水平伺服电机以保证钢丝绳的微位移Δ1，从而产生对应的加载力；同时，载荷传感器测量出的对应时刻下钢丝绳上的载荷实时反馈给竖直伺服电机以保证升降台的上下位移，从而保证载荷方向水平。本发明的原理在于以固定安装于试验地面上的试验台架、安装于试验台架上的吊板、吊板下表面安装有用于装夹起落架主支柱的主支柱夹具和装夹起落架收放作动筒的收放作动筒夹具，构成收放试验中的装夹承载机构，可以使起落架悬空实现收放；以固定安装于试验地面上的支撑架、安装于支撑架上的滚珠丝杆、连接于滚珠丝杆下端的竖直伺服电机、安装于滚珠丝杆和垂直导轨上的升降台，构成载荷方向跟随机构，通过控制竖直伺服电机的转速来控制升降台上下运动，从而保证横向钢丝绳始终处于水平方向，实现起落架收放过程中模拟载荷方向始终保持水平，满足与实际收放情况一致；以安装于滚珠丝杆上端且相对于支撑架固定的固定台、固定安装于固定台上的减速器、安装于减速器一端的水平伺服电机、安装于减速器输出端的圆盘、一端固定于圆盘上的钢丝绳、固定于起落架加载点处的加载板、固定于加载板上连接钢丝绳另一端的定滑轮、安装于所述升降台上的转向滑轮，构成载荷大小模拟机构，通过控制水平伺服电机的转速来控制钢丝绳上的载荷，此载荷大小由载荷传感器实时测出并反馈，可以精确地模拟收放过程中载荷的大小。本发明的有益效果1、采用伺服电机控制载荷的方向和大小，相比较传统的液压作动筒加载方案，响应速度快，加载精度高，安全性能好。2、采用竖直伺服电机带动滚珠丝杆转动，从而升降台会上下运动以保证横向钢丝绳水平，使钢丝绳的水平方向伸长(缩短)量与竖直方向缩短(伸长)量在收起(放下) 的单一过程中不断抵消，减少了圆盘需要绕过的钢丝绳长度，避免了钢丝绳绕圈产生摩擦的问题，提高了加载精度。由于圆盘上需要绕过的钢丝绳长度减少，则可以设计半径更小的圆盘，提高在同样电机输出功率情况下的载荷大小。3、将水平伺服电机安装在固定台上，减轻了升降台的负重，降低了对竖直伺服电机的功率要求，减少成本。同时，将水平伺服电机安装在固定台而不是升降台上，水平伺服电机就无需跟随运动，大大降低了电机的振荡程度，提高加载精度，同时也更加方便了电机电源线与数据线的布置，增强安全性与可靠性。如果上述滚珠丝杆为1根，垂直导轨为2根且分别位于所述滚珠丝杆的外侧，形成稳定三角形形式，则不仅保证了升降台水平，而且能够防止升降台在运动过程中出现卡滞。如果上述垂直导轨底部套有对升降台起缓冲作用的弹簧，则可以在升降台下落时起缓冲作用，削弱振荡程度。如果上述载荷大小模拟机构为相同的两套，且对称安装于升降台和固定台上，则保证了对称于起落架两侧的钢丝绳上的拉力不会对起落架产生扭矩影响，而且每侧钢丝绳上的拉力只需总载荷值的一半，则可以降低对水平伺服电机的功率要求，减少成本。如果上述固定台一侧伸长至试验台架并与其固定，则降低了支撑架上整体机构的振荡，提高加载精度与安全性。
图1是完整的伺服电机式起落架收放随动加载系统的结构示意图；图2是起落架安装于试验台架内的结构示意图；图3是该收放随动加载系统的加载机构示意图；图4是图2的主视图；图5是图2的左视图；图6是图2的俯视图；图7是收起过程的加载方法原理图；箭头方向代表起落架收起方向；图8是放下过程的加载方法原理图；箭头方向代表起落架放下方向；图中标号名称1、试验台架，2、支撑架，3、地脚螺栓，4、吊板，5、主支柱夹具，6、收
6放作动筒夹具，7、起落架，8、定滑轮，9、加载板，10、水平伺服电机，11、减速器，12、圆盘，13、 钢丝绳，14、固定台，15、垂直导轨，16、滚珠丝杆，17、转向滑轮，18、转向滑轮支座，19、升降台，20、法兰盘，21、升降螺母，22、法兰轴承，23、弹簧，24、垂直导轨支座，25、竖直伺服电机。
具体实施例方式本发明的伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法包括固定安装于试验地面上的试验台架1，安装于试验台架1上的吊板4，吊板4 下表面安装有用于装夹起落架7的主支柱夹具5和收放作动筒夹具6，构成装夹承载机构； 还包括固定安装于试验地面上的支撑架2，安装于支撑架2上的滚珠丝杆16，滚珠丝杆16 的下端与竖直伺服电机25输出轴连接，安装于滚珠丝杆16和垂直导轨15上随动的升降台 19，构成载荷方向跟随机构；还包括安装于滚珠丝杆16上端且相对于支撑架固定的固定台 14，固定安装于固定台14上的减速器11，安装于减速器11 一端的水平伺服电机10，安装于减速器11输出端的圆盘12，固定安装于升降台19上的转向滑轮17，支撑转向滑轮17的转向滑轮支座18，固定安装于起落架7加载点处的加载板9，一端固定于圆盘12上的钢丝绳 13，钢丝绳I3另一端连到固定安装于加载板9上的定滑轮8处，构成载荷大小模拟机构。对于一般起落架而言，主要机构包括主支柱、缓冲活塞杆、侧撑杆、收放作动筒、解锁作动筒、上/下位锁、扭力臂、机轮。本发明的试验机构中，起落架7的主支柱的上端安装于主支柱夹具5上，起落架7 的收放作动筒的一端安装于收放作动筒夹具6上，起落架7的加载点处固定安装了加载板 9，加载板9两侧对称固定安装了定滑轮8，用于连接钢丝绳13以保证加载载荷对称；固定台14与试验台架1焊接为一体，避免试验过程中出现抖动影响试验精度；支撑架2下端安装有地脚螺栓3，保证支撑架2与地面固定且处于水平状态；垂直导轨15下端安装有弹簧 23，在试验中起缓冲作用，减小振动。伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法如附图1-附图8所示。这里将说明该试验的工作原理。结合图3、图7说明起落架的收起过程，试验系统的工作过程如下1、试验开始前，起落架7处于放下锁定状态，调整升降台19的高度使横向钢丝绳 13处于水平拉直。当起落架7收到“收起”命令时，解锁作动筒解锁，收放作动筒推动起落架7向上收起，当收起到某个角度时，角度传感器测出角度，并传到伺服电机系统，同时水平伺服电机10和竖直伺服电机25分别以相应的转速转动。2、与此同时，一旦竖直伺服电机25转动，竖直伺服电机25的输出轴则带动滚珠丝杆16转动，安装于滚珠丝杆16上的升降螺母21随滚珠丝杆16的转动而竖直运动，从而固定安装于升降螺母21上的升降台19也作竖直运动，且使得钢丝绳13保持水平。3、与此同时，一旦水平伺服电机10转动，固定安装于固定台14上且一端安装了水平伺服电机10的减速器11工作，安装于减速器11输出端的圆盘12转动并拉动钢丝绳13 运动。当起落架7从放下位置解锁并开始收起时，起落架7拉动钢丝绳13运动，横向钢丝绳13伸长，其值为Lsin θ，同时升降台19上升以保证横向钢丝绳13始终水平，导致竖直方向的钢丝绳13缩短，其值为L(1-C0S θ )。此时水平伺服电机10需要转过的钢丝绳13的长度为
AL = Lsin θ -L(l_cos θ ) = L(sin θ +cos θ -1)当0° ( θ彡45°时，AL不断变大，说明水平伺服电机10需要释放的钢丝绳13的长度变大，且水平伺服电机10实际需要正转释放钢丝绳13;当θ达到45° 时，AL达到最大，即水平伺服电机10需要释放的钢丝绳13的长度达到最大值，为
=(V^-I)Z = 0.4141;当45°彡θ彡90°时，AL不断变小，说明水平伺服电机10需要释
放的钢丝绳13的长度变小，即此时水平伺服电机10实际需要反转收进一定长度的钢丝绳 13。从收起的整个过程来看，水平伺服电机10是先正转，再反转。另外，Δ1是通过钢丝绳 13上的载荷传感器测量的载荷值与理论需要加载的载荷比较来保证的，并不反映在水平伺服电机10需要绕过的钢丝绳13的长度上。(注其中θ是从放下状态收起到某时刻转过的角度；水平伺服电机10需要释放的钢丝绳13的长度是相对于起落架7从放下位置收起到某时刻位置而言。)4、当起落架7收到最大角度时，收放作动筒停止运动，起落架7的上位锁上锁，此时水平伺服电机10和竖直伺服电机25停止转动。结合图3、图8说明起落架的放下过程，试验系统的工作过程如下1、当起落架7收到“放下”命令时，上位锁解锁，收放作动筒推动起落架7向下放。 当放下到某个角度时，角度传感器测出角度，并传到伺服电机系统，同时水平伺服电机10 和竖直伺服电机25分别以相应的转速转动。2、与此同时，一旦竖直伺服电机25转动，竖直伺服电机25的输出轴则带动滚珠丝杆16转动，安装于滚珠丝杆16上的升降螺母21随滚珠丝杆16的转动而竖直运动，从而固定安装于升降螺母21上的升降台19也作竖直运动，且使得钢丝绳13保持水平。3、与此同时，一旦水平伺服电机10转动，固定安装于固定台14上且一端安装了水平伺服电机10的减速器11工作，安装于减速器11输出端的圆盘12转动并拉动钢丝绳13 运动。当起落架7从收上位置解锁并开始放下时，要使得钢丝绳13不处于松弛状态，横向钢丝绳13需要收缩，其值为L(1-C0S θ )，同时升降台19下降以保证横向钢丝绳13始终水平拉紧，导致竖直方向的钢丝绳13伸长，其值为Lsine。此时水平伺服电机10需要转过的钢丝绳13的长度为AL = Lsin θ -L(l_cos θ ) = L(sin θ +cos θ -1)当0°彡θ彡45°时，AL不断变大，说明水平伺服电机10需要收进的钢丝绳13的长度变大，且水平伺服电机10实际需要反转收进钢丝绳13;当θ达到45° 时，AL达到最大，即水平伺服电机10需要收进的钢丝绳13的长度达到最大值，为
=(V^-I)Z = 0.4141;当45°彡θ彡90°时，Δ L不断变小，说明水平伺服电机10需要
收进的钢丝绳13的长度变小，即此时水平伺服电机10实际需要正转释放一定长度的钢丝绳13。从放下的整个过程来看，水平伺服电机10是先反转，再正转。同样的，Δ1是通过钢丝绳13上的载荷传感器测量的载荷值与理论需要加载的载荷比较来保证的，并不反映在水平伺服电机10需要绕过的钢丝绳13的长度上。(注其中θ是从收起状态放下到某时刻转过的角度；水平伺服电机10需要收进的钢丝绳13的长度是相对于起落架7从收起位置放下到某时刻位置而言。)4、当起落架7放到最大角度时，收放作动筒停止运动，起落架7下位锁上锁，此时水平伺服电机10和竖直伺服电机25停止转动。至此，该收放试验的一个循环结束。
权利要求
1.一种伺服电机式起落架收放随动加载系统，其特征在于 包括装夹承载机构、载荷方向跟随机构、载荷大小模拟机构；其中装夹承载机构由固定安装于试验地面上的试验台架(1)，安装于试验台架上的吊板G)，安装于吊板下表面用于装夹起落架主支柱的主支柱夹具(5)、安装于吊板下表面用于装夹起落架收放作动筒的收放作动筒夹具(6)组成；其中载荷方向跟随机构包括安装于试验地面上的支撑架O)、安装于支撑架(2)上的滚珠丝杆(16)和垂直导轨(15)，还包括安装于支撑架下部且输出轴与滚珠丝杆下端相连的竖直伺服电机(25)，还包括通过升降螺母安装于垂直滚珠丝杆(16)上，同时通过法兰轴承02)安装于垂直导轨(15)上的升降台(19)；其中载荷大小模拟机构包括与支撑架(2)相对固定的固定台(14)、安装于固定台上的水平伺服电机(10)、安装于水平伺服电机输出轴的减速器(11)、安装于减速器上的圆盘(12)，还包括固定于起落架加载点处的加载板(9)，加载板(9)上安装有定滑轮(8)，还包括安装于上述升降台上的转向滑轮(17)，还包括一端固定于所述圆盘(12)另一端绕过所述转向滑轮(17)并固定于所述定滑轮(8)上的钢丝绳(13)。
2.根据权利要求1所述的伺服电机式起落架收放随动加载系统，其特征在于上述滚珠丝杆(16)为1根，垂直导轨(1 为2根且分别位于所述滚珠丝杆(16)的外侧，形成稳定三角形形式。
3.根据权利要求1所述的伺服电机式起落架收放随动加载系统，其特征在于上述垂直导轨(15)底部套有对升降台起缓冲作用的弹簧03)。
4.根据权利要求1所述的伺服电机式起落架收放随动加载系统，其特征在于上述载荷大小模拟机构为相同的两套，且对称安装于升降台(19)和固定台(14)上。
5.根据权利要求1所述的伺服电机式起落架收放随动加载系统，其特征在于上述固定台(14) 一侧伸长至试验台架(1)并与其固定。
6.利用权利要求1所述的伺服电机式起落架收放随动加载系统实现的加载方法，其特征在于包括以下过程(a)、设起落架(7)的加载点到转轴的距离为L，起落架(7)转过的角度为θ，水平伺服电机(10)需要绕过的钢丝绳(13)的长度为AL，钢丝绳(13)在某时刻的微变形为Δ1 ；(b)、在起落架(7)收起过程中，利用载荷方向跟随机构保证转向滑轮(17)与定滑轮 ⑶之间的钢丝绳(13)保持水平；(C)、由于钢丝绳(13)在某时刻的微变形Δ1为水平伺服电机(10)需要绕过的钢丝绳(13)的长度AL的几千万分之一，因而在确定水平伺服电机(10)转过多少钢丝绳(13)的长度的时候忽略Δ1对其的影响；起落架收起过程设收起过程中，起落架(7)完全放下位置为O度； AL = Lsin θ -L(l_cos θ )；当0°≤θ °≤45°时，水平伺服电机(10)释放钢丝绳(13)； 当45°≤θ <90°时，水平伺服电机(10)收进钢丝绳(13)； 起落架放下过程设放下过程中，起落架(7)完全收起位置为0度；△L = Lsin θ -L(l_cos θ )；当0°≤θ °45°时，水平伺服电机(10)收进钢丝绳(13)； 当45°≤θ ≤90°时，水平伺服电机(10)释放钢丝绳(13)； (d)、提前设定起落架(7)收放过程中相应时刻所需要的加载载荷，在加载点附近的钢丝绳(13)上安装载荷传感器用于测量对应时刻下钢丝绳(13)上的载荷，并实时反馈给水平伺服电机(10)以保证钢丝绳的微位移Δ1，从而产生对应的加载力；同时，载荷传感器测量出的对应时刻下钢丝绳(13)上的载荷实时反馈给竖直伺服电机05)以保证升降台(19) 的上下位移，从而保证载荷方向水平。
全文摘要
一种伺服电机式起落架收放随动加载系统及其加载方法，属于一类起落架试验技术领域。它主要包括试验台架(1)、吊板(4)、主支柱夹具(5)、收放作动筒夹具(6)，构成装夹承载机构；还包括支撑架(2)、竖直伺服电机(25)、滚珠丝杆(16)、升降台(19)，构成载荷方向跟随机构；还包括固定台(14)、水平伺服电机(10)、减速器(11)、圆盘(12)、钢丝绳(13)、转向滑轮(17)、转向滑轮支座(18)、加载板(9)、定滑轮(8)，构成载荷大小模拟机构。该发明解决了收放过程中载荷不对称的难题，保证了载荷加载方向始终水平，提高了试验精度，增强了试验可靠性。
文档编号B64F5/00GK102556363SQ201110430890
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者张明, 杜楠楠, 樊蕊, 聂宏, 魏小辉 申请人:南京航空航天大学