基于电液比例控制的襟翼驱动器液压加载系统.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 1 卷 第 1 6 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Au g ． 2 0 1 3 V0 1 ． 4 1 No ． 1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 2 5 基于电液比例控制的襟翼驱动器液压加载系统 于之靖 ，郭威 中国民航大学航空地面特种设备研究基地，天津 3 0 0 3 0 0 摘要设计一套主要针对空客 A 3 1 9 ／ A 3 2 0飞机襟翼驱动器 日 常维护和深度维修的液压加载测试系统。在该系统的设计 中，提出一种以 7 - 3 0 0 P L C作为逻辑控制单元、传感器作为数据采集单元的电液 比例控制方式，通过对比例阀和液压马达 等部件的控制，模拟襟翼驱动器实际工况中的负载转矩。实验结果表明采用上述电液比例控制的方式，该液压加载系统 运行稳定 ，工作可靠 ，能够很好地完成襟翼驱动器的适航测试任务。 关键词襟翼驱动器；s 7 - 3 0 0 P L C；比例阀；加载马达 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 6 0 8 1 4 nl e Hy d r a u l i c Lo a d i n g S y s t e m f o r F l a p Ac t u a t o r Ba s e d o n E l e c t r o h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l Co n t r o l Te c h n i q u e YU Z h i i i n g ．GUO We i A v i a t i o n G r o u n d S p e c i a l E q u i p m e n t s R e s e a r c h B a s e ，C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A s e t o f h y d r a u l i c l o a d t e s t i n g s y s t e m f o r t h e r o u t i n e ma i n t e n a n c e a n d r e p air for t h e fl a p a c t u a t o r o f A 3 1 9 ／ A3 2 0 air - p l a n e wa s d e s i g n e d ．A e l e c t r o - h y d r a uli c p r o p o r t i o n al c o n t r o l mo d e W a S p r o p o s e d， 7 - 3 0 0 P L C W a S u s e d a s l o g i c c o n t r o l u n i t ，t r ans d u c - e r 8 we re u s e d a s d a t a a c q u i s i t i o n u n i t ．T h ren s h c o n t r o H i n g c o mp o n e n t s s u c h a s the p r o p o r t i o n a l v a l v e a n d h y d r a uli c mo t o r ．the l o a d t o r q u e o f the fl a p a c t u a t o r w a s ana l o g e d ．E x p e r i me n t a l res u l t s s h o w tha t the h y d r a u l i c l o a d i n g s y s t e m b ase d o n e l e c tr o - h y d r a u l i c p repo r - t i o n al c o n t r o l i s r u n n i n g s t a b l e ，rel i abl e，c a r l b e u s e d t o c o mp l e t e t h e air w o r t h i n e s s t e s t i n g o f the fl a p a c t u a t o r we l 1 ． Ke y wo r d s n印 a c t u a t o r ；S 7 - 3 0 0 P L C；P r o p o r t i o n a l v a l v e ；Hy d r a uli c mo t o r 随着我国国民经济的快速发展，民航运输业也进 入一个快速发展时期。随着机队规模的快速发展，飞 机故障频次逐渐加大，对维修时间要求越来越严。在 飞机起飞以及着陆等低速阶段 ，安装在机翼前缘和后 缘的襟翼是飞机的重要的增升装置。襟翼的传动机构 复杂，所以由于襟翼系统故障造成的飞行安全事故时 有发生。例 1 2 0 0 7年 6月 2 2日北京飞往英 国希思罗 机场的 A 3 4 0飞机就 因襟翼卡阻故障而两度放油返 航。襟翼内部传动结构中襟翼驱动器起到类似减速箱 的作用 ，是实 现襟翼收放 动作 的核 心部件。通过 3 1 5 1 的传动比，将高速运转的襟翼驱动轴 的小扭矩 转换成为襟翼驱动摇杆的大扭矩 ，从而控制襟翼的展 开和收回，起到改变翼型弯度、增加机翼面积和保持 层流流动的作用 ，使飞机可以在机翼面积有限的情况 下 ，产生足够的升力。因此 ，襟翼驱动器是襟翼传动 机构的关键部件，对其进行定期维护、故障检修以及 性能测试就显得尤为重要。 在国外，只有豪富 G o o d r i c h 针对其本身生产 的襟翼驱动器开发的测试系统和 E m p ri s e公司与相关 大学为 C u r t i s s - Wri g h t F l i g h t S y s t e m s 开发的针对 B o e i n g 7 4 7 ／ 7 6 7等系列机型的襟翼驱动器测试 台。由于技术 封锁 ，上述襟翼驱动器测试系统没有对外发售和展 示 ，因此极大地影响到国内的维修与测试能力。目 前 ，国内对襟翼驱动器及其传动系统的深度维修和测 试工作在国内尚属空白，在适航规定周期 每3 0 0飞 行小时的检修和测试工作一般要返回国外进行， 维修周期较长，这就需要相应航空公司增加航材的备 件种类和数量。如对应空客 A 3 1 9 ／ A 3 2 0系列，就有 7 9 1 、 7 9 2 、7 9 3 、7 9 4等系列 多个型号襟翼驱 动器， 单台价格在 1 0 0 2 0 0万元人民币，极大地增加了维 修成本，同时严重地影响到飞机的维修效率，不利于 我国大力发展大飞机项 目的长远规划。为此，针对空 客 A 3 1 9 ／ A 3 2 0飞机研制了一套襟翼驱动器测试系统， 对襟翼驱动器进行性能、故障测试 ，减小飞机飞行事 故的概率，提高国内襟翼驱动器的深度维修能力。 文中介绍的襟翼驱动器液压加载系统是整个测试 系统的液压加载部分。襟翼驱动器在工作过程中，其 输出轴端最大扭矩将达到5 0 0 0 N m的动态载荷， 并且在扭矩限制器失效时，为 了避免襟翼驱动器损 坏，还要实现可靠保护。 故需要对襟翼驱动器在实际 工作中的输出轴端工况进行模拟 ，检测其是否达到适 航要求 ，必须采取稳定可靠的加载方式。如果采用常 收稿 日期2 0 1 2 0 7 3 1 作者简介于之靖 1 9 6 3 一 ，男，教授，博士生导师，主要从事 自 动化测试技术、光纤传感技术和计算机视觉测量等方面 的研究及教学工作。E m ai l h i t _ y u 1 2 6 ． c o rn 。 8 2 机床与液压 第4 1 卷 规的机械加载或电加载模式，将极大地增加测试系统 的体积或造价，并且安全防护措施难于实现，造成可 能的被测襟翼驱动器二次损坏。为此研究采用电液比 例控制的液压马达加载方式 ，减小系统的体积，增加 系统测试 的灵活性和可靠性。以 s 一 3 0 O P L C为核心， 通过模拟量输出模块按照一定的逻辑顺序通过输出电 压信号连续、按比例地对液压回路压力进行调节，控 制液压马达对被测襟翼驱动器的扭矩加载。 1 系统电气组成 被测襟翼驱动器结构上为不规则小型齿轮箱 ，安 装 在特殊 设计 的测 试 台上 。平 台采 用 导轨 和微 调机 构，便于被试件的拆装和测试系统的调校；输入轴端 输入扭矩由伺服电机给出，在此不作详细介绍；输出 轴端连接扭矩传感器和液压马达。电气控制系统安装 在电气控制柜中，采用西门子面板式工控机 P C 6 7 0 作为上位机 ，通过组态软件 Wi n C C与下位机 P L C实 现通讯 和监控 。 7 - 3 O 0 P L C是西 门子公 司出品的一种经典 的工业 控制单元 ，其良好的性能、丰富的扩展模块和人性化 的人机交互方式使其在工业控制领域 的应用 日趋广 泛。采用S T - 3 0 0 P L C作为下位机，控制液压回路主要 元件并采集传感器数据实现反馈 ；传感器负责现场模 拟信号的采集。整个测试系统结构框图及液压加载系 统实物图如图1 所示。 ⋯___⋯⋯⋯⋯一⋯ 。⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯⋯⋯一⋯ a 测试系统结构框图 h i 液压站实物图 图 1 测试系统及液压站 2 液压加载回路原理 液压加载回路如图2所示。测试项 目要求加载马 达能够提供 0 5 0 0 0 N n l 的双向转矩。系统中，加 载电机和泵源为系统提供压力 ；溢流阀控制系统压力 上限从而保证测试安全性 ；P L C通过数字开关量控制 中间继电器，控制电磁换 向阀阀芯位置改变油液流 向，从而改变加载马达转向实现正反向测试 ；P L C通 过模拟量输出模块向比例溢流阀输出电压信号 ，通过 控制系统压力在0～ 5 0 0 0 N m范围内调节马达输出 扭矩。 1 一泵2 一 加载 电机卜溢漉 阀 4 一 液 压马 达s 一 电磁换 向网 6 一压力传感器7 一压力表8 一 比例溢流阀 图2 加载系统液压回路 3 系统选型和软件程序实现 3 ． 1 系统元件选择 对加载马达的要求是实现 0 5 0 0 0 N m的扭矩 加 载。测 试 时被测 件 驱动 轴转 速维 持在 03 9 2 r ／ ra i n ，根据 传 动 比得 出 马达 转 速 应 在 01 ． 2 5 r ／ m i n 。故 选 择 低 速 大 转 矩 径 向 柱 塞 式 马 达 I N M5 - 2 0 0 0 。该马达活塞与摆缸不存在侧 向力 ，活塞 底部设计成静压平衡，活塞与曲轴之间通过滚动轴承 传递扭力，这些均减少了传力过程中的摩擦损失，具 有高的机械效率、启动扭矩 启动时机械效率 0 ． 9 2 以上等特点；液压泵源选择 C B N ． 17 3 0 8型齿轮泵 ， 该型泵结构简单、效率高、使用可靠 ，额定输出压力 为 2 0 MP a ，最高可达到 2 5 MP a ，满足回路控制压力 要求；比例溢流阀选择 A T O S的 R Z MO型直动溢流 阀。P L C输出的模拟电压信号不能直接控制 比例阀， 必须经过放大器的转换。选用 A T O S的 E ． M I ． A C型电 子放大器 ，将输入 电压信号转化成比例阀所需 适当的驱动 电流 以校 准阀的调 整量，使 之与输入 电压信号相对应。转换过程如图3所示。 第 1 6期 于之靖 等基于电液比例控制的襟翼驱动器液压加载系统 8 3 一绝塞 一电 压 一电 流一压 力 一 电压U I J N 3 3 8 ． 5 0 0 0 AE ] 型扭矩传感器 加载扭矩 图3 比例阀控制方式示意图 为了稳定地控制系统压力，必须确定 比例溢流阀 的死区。比例阀的输入电压 与压力输出信号P关系 如图4所示。图中曲线表明电压高于0 ． 1 V时，比 例阀打开 ，故为保证比例阀连续可调，P L C程序设计 中输入放大器的模拟电压必须大于0 ． 1 V。 30 _ 25 20 奋 t 5 呈 o 5 O 0 ． 11 2 3 4 5 6 7 8 9 l O 电压， v 图4 比例阀 U V 一 P M P a 特性曲线 3 ． 2 P L C控制程序的设计与实现 选用 3 1 4 C - 2 D P型 P L C 。电源模块提供 2 4 V直流 电，自带 2 4 1 6出数字量单元和 5 A／ 2出模拟量 单元。C P U主要负责程序的设计、存储、数据处理 等功能；数字量单元主要负责接受现场开关量信号 ， 经过光电隔离与滤波，把信号输送到输入缓冲区等待 采样，并通过背部总线把开关信号以二进制方式写入 输入过程映像表 ；模拟量单元通过 A ／ D或 D ／ A转换 器实现模拟信号数据的写入或输出。输入模拟量包 括扭矩 0～1 O V 、系统压力 0～1 0 V 、油温 P t l 0 0 ，反馈模拟量经 由 P L C的模／ 数转换模块转 化为信号的实际值，显示在监控界面上。监控程序设 有报警功能，当系统油温或压力超过一定值时，监控 界面点亮红灯报警。输出为比例阀进口压力控制信号 01 0 V 。 加载程序根据实验要求设计为两种加载方式 定 值加载模式和曲线加载模式。定值加载模式下 ，通过 模拟量输出直接控制输出电压调整系统压力，快速对 被测件实现 1 0 0 0 N m ／ 2 3 0 0 N 1 1 1 的加载并维持； 当设 为 曲线 加载模 式 时，由 0线 性加 载到 5 0 0 0 N m，通过用户给定加载时间 t m s ，通过 0 B 3 5 的循环 扫描实现每次扫描增加 [ 5 0 0 0 t ／ 2 0] N IT I 。模拟量输出对应的电压关系为 1 O V，对应马 达扭矩上限6 5 7 3 N 1 T I ，加载扭矩输入通过操作数 MD 5 0加以控制 ，故 V o u , n M D S 0 ／ 6 5 7 3 1 00 ． 1 最后加 0 ． 1 是为了防止比例阀关死。加载程序框 图如 图 5所示 。 开始 N ／M1 ． 1、＼ Y 选 通 ／卜 _ 定值加载模式 写扭 矩值 送 存 储位 MD 0 H M D 5 0 经 F C1 0 5 模块转换成电 压输 出0 1 0 V 用户给定加载 时间 t ms 二二[ 算出循环次数 O 每循环扭矩增量 5 O 0 0 ／ 2 0 ／ t N m 二二]二 当前循环加载值送 M D5 0 ， t f n rs o ／ 6 s 7 3 1 0 0 ． 1 二 二 l H m5 o 经F C 1 0 5 l I 模 块转换成电 } l 压输出O 一 1 O v l }定 循 环 次 数 一 一 ， 打印趋势 曲线， 实验结束 图5 P L C扭矩控制流程图 3 ． 3 加载试验过程及结果 1 定值加 载实验。襟翼 驱动器输 出端扭矩 加载扭矩保持在 1 0 0 0 N m ／ 2 3 0 0 N i n ，输入 端由伺服电机驱动速度从 0直至 1 2 0 r ／ m i n并保持， 此时的输入端力矩若小于6 ． 7 4 ／ 1 3 ． 0 4 N m，表明被 测件运转正常。 2 曲线加 载 实验输 入端 速度 维持 在 3 9 2 r ／ m i n ，在设 定时间内输 出端扭矩从 0线性加 载到 5 0 0 0 N m，当加载到3 4 0 03 9 0 0 N m时，襟翼 驱动器上的力矩限制器起作用，扭矩不再增加 ，此时 输入端扭矩应小于7 O N 1T I 。反向测试方式同上。监 控程序中加载扭矩和加载电压随加载时间 t 的变化趋 势如图6所示。