直升机自动倾斜器立式专用轴承试验机的研制

王媛媛，马峰涛，刘文胜，郭亮，张彦勇

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039；3.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000；4.恩梯恩LYC（洛阳）精密轴承有限公司，河南 洛阳 471000）

自动倾斜器由不动环和动环这2个主要零件组成。不动环安装在旋翼轴上，能够向任意方向倾斜，也能垂直移动；动环通过大轴承安装在不动环上，能够同旋翼轴一起旋转。自动倾斜器大轴承是直升机自动倾斜器系统的关键部件，其功能为：1）将来自操纵系统的操纵运动传递给旋翼系统；2）将不旋转的操纵系统和旋转的旋翼系统隔离。

自动倾斜器大轴承的性能直接影响直升机的操纵性能，其使用寿命则关系着直升机的维修周期，轴承的任何零件失效都可能导致操纵系统发生故障，从而影响直升机的安全，因此，为了对自动倾斜器大轴承进行充分的性能试验和寿命评估，研制了专用的试验机。

1 试验机的主要组成

如图1所示，自动倾斜器立式专用轴承试验机主要由机械安装系统、动力拖动系统、液压加载系统、数据采集和电气控制系统4部分组成。

图1 试验机结构框图Fig.1 Structure block diagram of tester

2 机械安装系统

如图2所示，试验轴承的安装系统主要由动环、不动环、加载杆、防转杆、大螺母和锥形环等组成。动环与不动环之间的试验轴承为一对背靠背的角接触球轴承。

图2 试验轴承安装系统示意图Fig.2 Diagram of installation system for test bearing

动环通过锥形环和大螺母与传动系统主轴相连传递弯矩，动环的内花键与主轴的外花键啮合传递扭矩；加载杆与不动环通过螺栓固接；防转杆的功能是防止不动环被动环带动，同时不影响加载；动环上设置有5个注油嘴，用于试验轴承的润滑。此模块设计完全参照轴承的实际装机情况，确保配合性质和润滑形式与实际工况一致。此结构还要为试验轴承的旋转驱动及加载提供接口，同时提供温度、振动传感器等测试设备的安装平台，并可根据轴承内外径尺寸的不同更换加载油缸和支承盘。

传动系统主要由传动轴、轴承套筒、上下轴承盖、2套深沟球轴承、2套圆锥滚子轴承及柔性联轴器等组成（图2）。轴承套筒通过凸缘与台架相连，传动轴通过2组轴承支承在轴承套筒内，其下端的2套圆锥滚子轴承主要承受双向轴向力和部分径向力，上端的2套深沟球轴承可沿轴向移动，只承受径向力。传动系统与电动机之间采用柔性联轴节连接，既保证了振动隔离的要求，又保证试验轴承的转速稳定。传动轴采用脂润滑的深沟球轴承和圆锥滚子轴承作为支承，方便使用维护。

如图3所示，台架采用型材焊接整体框架，是试验机其他相关系统的安装平台，整个试验机通过膨胀栓与地基相连。试验台架一侧设置有爬梯，用于人员对试验件的检查及维护。在试验机的转动部件周围设置了6块可拆卸防护网，用于保证试验人员的安全。

图3 试验台架总体结构简图Fig.3 Overall structure diagram of test bench

3 动力拖动系统

动力拖动系统主要作用是驱动试验轴承，以模拟大轴承在主机上的转动。动力拖动系统主要由电动机、变频器以及远程控制系统等组成。转速命令由上位机经过OPC与PLC通信，再经PLC采用MODBUS协议与变频器通信，实现上位机对数据的读取和指令输出功能，实现对电动机转速、运行方向的控制以及加减速时间的调整。

4 液压加载系统

对于被试轴承，不同的飞行状态对应不同的载荷，每个飞行状态包括一个轴向载荷Fa和一个倾覆力矩Mt，所有飞行状态下试验轴承的载荷和加载时间构成了试验轴承的耐久性试验载荷谱。对轴承施加的载荷由液压加载系统完成。

液压加载系统主要包括加载油缸、液压泵站和控制系统，其以高压油源作为动力，以液压缸作为执行机构，通过控制系统执行闭环反馈进行调节。可以根据不同的试验轴承进行不同的加载，通过2个液压缸的协调实现对试验轴承的加载，加载原理如图4所示，由图可得

图4 试验机加载原理图Fig.4 Loading schematic diagram of tester

5 数据采集及控制系统

数据采集系统主要通过上位机对整个试验机的转速及加载进行控制，另外还需对试验轴承的振动及温度进行测量及监控。主要测量参数包括：4路振动传感器、4路温度传感器、2路拉压力传感器。系统中各传感器的激励方式不同，如何在保证可靠性和结构紧凑性的基础上，满足上述不同类型的传感器信号采集需求，是实现数据采集的关键。

5.1 温度的采集及监控

温度属于缓变量，采样率不高，一般为1～2 Hz，因此温度测量通过PLC的模拟量输入模块实现。PLC采用西门子S7-200系列的224XPCPU模块和EM235模块。224XP自身带有2通道AI（模拟输入）和1通道的AO（模拟输出），而系统的温度传感器有4路，因此增加了EM235模块，EM235模块带有4通道AI和2通道的AO，即整个PLC具备6通道的AI和3通道的AO。上位机通过专用的OPC软件通信得到温度传感器的数值。

5.2 振动的采集及监控

振动信号采集使用NI9234C系列动态信号采集模块，该采集模块具有4路同步采样模拟输入，±5 V输入范围；能针对配备NI CompactDAQ或NI CompactRIO系统的集成电路压电式（IEPE）与非集成电路压电式传感器进行高精度音频测量。NI9234具有102 dB的动态范围，并能对加速度传感器和麦克风进行软件可选式集成电路压电式信号调理。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，可同时以每通道高达51.2 kHz的速率对信号进行数字化处理。

为了与上位机通信，进行振动数据的传输，给NI9234采集模块选配了NI cDAQ－9181单槽NI CompactDAQ以太网机箱。该机箱是专为小型或分布式传感器测量系统设计的总线供电Compact-DAQ以太网机箱。机箱可控制C系列I／O模块与外部主机之间的定时、同步和数据传输；可以搭配不同的C系列I／O模块组合，实现模拟I／O、数字I／O和计数器／定时器的混合测量；具有4个32位通用计数器／定时器，计数器可通过所安装的硬件定时数字C系列模块进行访问，适用于涉及正交编码器、PWM、事件计数、脉冲序列生成和周期或频率测量的应用。

5.3 加载系统的控制

试验机的精准加载至关重要，因此选用RMC150E控制器进行载荷的控制。虽然RMC控制器在价格上并不占优势，但采用RMC控制器后对伺服驱动的功能要求大大降低，且其配套有支持LabVIEW的VI驱动，RMCtools的易用性使得编程时间大大缩短。RMC控制器使用以太网方式，调试方便。

上位机通过以太网向RMC控制器发送力和弯矩指令，在RMC控制器内完成斜坡信号生成和PID运算后输出－10～10 V的电压信号指令，电压信号经伺服放大器转换成－20～20 mA电流信号来控制伺服阀的开度，从而控制油缸输出力，实际输出力经力传感器采集后反馈到RMC控制器，再通过以太网反馈到工控机中并在上位机界面中显示。加载系统和采集系统如图5所示。

图5 加载系统和采集系统示意图Fig.5 Diagram of loading system and acquisition system

6 试验机显示界面及数据记录

测控系统采用NI系统作为上位机，LabVIEW作为软件开发平台，操作显示界面如图6所示。界面左侧为控制区域，包括电动机启停控制、泵站控制、手动运行模式和自动运行模式；右侧为反馈显示区域，包括指示灯（电动机就绪、电动机运行、泵站启动、泵站高压、液压锁、泵站应急等），轴向载荷和弯矩的实时曲线，电动机转速、电压、电流；试验轴承和支承轴承的温度、振动，以及泵站的压力和温度等。

图6 试验机的显示界面Fig.6 Display interface of tester

该试验机可以获取所需要的试验数据，其记录的一组试验数据见表1。表中时间为该轴承已试验的总时间，目标合力、目标力矩为载荷谱要求的给定值，实际合力和实际力矩为为试验轴承承受的实时值，由表可知实际合力、实际力矩与给定要求的偏差很小。实际转速为载荷谱要求轴承转速的实时值，数据文件中同时记录了试验轴承和支承轴承的实时温度及振动值。

表1 部分试验数据Tab.1 Partial test data

7 结束语

直升机自动倾斜器立式专用轴承试验机采用立式台架结构设计，通过液压加载系统和润滑系统等的优化设计，能够较大程度的模拟自动倾斜器轴承在直升机上的工作环境；通过更换专用工装，可以实现1.5～30 t直升机不同类型自动倾斜器大轴承的性能试验和耐久性试验。

测控系统采用NI系统作为上位机，LabVIEW作为软件开发平台，操作界面友好且易学易用，可以实现对温度、振动、载荷等传感器的监测和数据采集记录，通过对驱动电动机和比例阀的控制实现试验轴承转速及载荷的变化。

试验机投入使用后，模拟了直升机自动倾斜器大轴承的实际使用状态，所得试验数据可为该类型轴承新产品的自主研发提供一定的理论支持。