基于力矩平衡法的飞机称重系统设计

曹 琦 田婷婷

基于力矩平衡法的飞机称重系统设计

曹 琦 田婷婷

飞机称重工作是飞机生产过程的一道重要工序，本文基于力矩平衡法系统地介绍了飞机重量及重心测量过程，同时进行了飞机称重系统的设计。所设计的系统性能良好，可将飞机称重工作标准化、程序化、规范化，提高了飞机称重的准确性和工作效率，对今后型号飞机的称重工作具有实际应用价值。

飞机重量及重心位置的确定对飞机的飞行安全有着非常重要的意义，其变化不仅影响飞机的操纵性、稳定性，同时还对飞机的经济性有一定影响。因此，在飞机生产以后，飞机重量重心测量工作显的尤为重要。

目前针对飞机重量及重心的测量方法，主要有引力法、悬挂法、力矩平衡法和质量矩守恒法等。本文通过对目前比较常用的力矩平衡法原理及飞机称重方式的研究，结合工作实际设计了飞机称重系统。

飞机称重特点

（1）使用状态特殊:飞机称重为轮重（单支点）累加称重，要求准确显示各轮重（单支点）的重量值。

（2）受力状态复杂:飞机称重时其各支点为单一的集中载荷，且为轮重（单支点）测量。

（3）称量时间长:飞机称重时要做各种姿态调整、放油等试验，用时在6h以上。

（4）秤组移动使用:一般大吨位电子衡器为固定式，而飞机称重所用秤体绝大部分为可移动式的。

（5）安全性要求:在飞机称重系统设计时，对其结构设计、软件设计、无线传输频率选用等方面都要进行慎重考虑。

力矩平衡法原理

坐标系定义

参考坐标系定义如图1所示:A为坐标原点，选取飞机机头位置；X轴取自飞机水平基准线，顺航向看向后为正；Z轴位于飞机对称平面内垂直X轴，向上为正；Y轴过原点且垂直于XZ平面，顺航向看向右为正。

力矩平衡法计算过程

水平位置时，选择机头水平测量点A1为坐标原点，由A1点铅垂交地面与B1点，倾斜位置时选择机头水平测量点A2，由A2点铅垂交地面与B2点。在上述两种称重状态下，记录3个秤读数及辅助设备的重量总和。图2所示各符号的含义为:Li为每次称重时Bi点至前轮中心的距离，li为每次称重时前轮中心与主轮中心的距离，Hi为每次称重时Ai至地面对垂直距离，Si为每次称重时Bi至主轮中心的距离，CGi为飞机重心位置，XCGi为飞机沿纵轴距Ai的距离，R为主轮中心至地面的垂直距离，ZCG为飞机沿竖轴方向重心坐标值。

飞机在水平位置时，根据称重测量结果，可计算出飞机沿X轴的重心坐标XCG1。由力矩平衡定律:

式中:Wn1为飞机水平位置称重时前轮处秤的读数，Wm1为飞机水平位置称重时左右主轮秤的读数总和。

倾斜位置时，将前轮抬高一定高度h，抬高角度约为α≈5°。依据称重与测量结果，计算出飞机沿纵轴的值XCG2，沿竖轴方向的重心坐标ZCG。

由图2所示，将已知的测量值H1、H2、R、S1、S2带入式（2）、（3）、（4）即可求出α。

图1 坐标系定义

图2 力矩平衡法计算过程解析图

再由力矩平衡定律:

式中:Wn2为飞机倾斜位置称重时前轮处秤的读数，kg；Wm2为飞机倾斜位置称重时左右主轮秤的读数总和，kg。由图2所示可知:

联立解方程（4）、（6）、（7）、（8）得出:

由于，

将式（9）代入式（10）中即可求解出H值。

联立方程（1）、（11），可得出重心坐标（XCG1，ZCG）。

飞机称重系统

飞机称重系统意义

传统称重方法是通过三台称重设备称量读数，再经人工读取读数，填写称重定重心测量表，并计算重心坐标位置。飞机称重系统通过计算机读取三台称重设备读数，称重软件显示出读取的飞机各支点重量，通过计算得出飞机的总重量及实际重心三维坐标位置并实时显示，最后由打印机打印出飞机称重数据。

通过比较，飞机称重系统更加规范化、流程化，可减少人为造成的精度误差影响，确保称重结果的准确性，提高工作效率。

飞机称重系统原理

飞机称重系统由多套称重传感器（或称重平台）、一套称重仪表箱（含有数字模块、电源模块、RS232数据传输线等）、一台笔记本电脑（含相应的称重软件）等部件组成。其基本原理是从各称重传感器（或称重平台）测出的力信号，通过数字模块进行采集、A/D转换处理，然后通过RS232数据传输线与笔记本电脑连接，由笔记本电脑中的相关称重软件对称重仪表箱传输的信号进行处理解算得到飞机重量及重心数据。飞机称重系统原理图如图3所示。

飞机称重系统设计

基于力矩平衡原理设计的飞机称重系统目前有可移动平台式、千斤顶式和悬挂式。本文将介绍千斤顶式支撑方法的称重系统设计过程。

千斤顶式称重系统

图3 飞机称重系统原理图

在千斤顶式称重系统中，称重传感器是核心称重原件。本系统选用四柱式型测力传感器，它的材料为优质合金钢，采用高精度四柱式传感器，与传统单柱传感器比较具有，精度高、传感器抗侧向力强（四柱传感器同等量程下，四柱传感器抗弯截面比单柱传感器抗弯截面明显增大，抗侧向力满量程的20%）等特点，非常适合于飞机称重系统。

千斤顶式称重系统特点:千斤顶的支撑点选择在强度和刚度最好的地方，且这些点在飞机装配过程中都进行了非常精确的定位。在飞机进行调水平时，可以通过操作千斤顶连续流畅地完成。而且千斤顶式称重系统便于携带，方便用于对外场飞机实施测量。

软件设计

软件设计可采用Visual C++高级编程语言实现，所设计的飞机称重系统软件具备以下功能:

（1）实时显示各支撑点的重量及飞机总重量；

（2）计算实际的飞机重心三维坐标；

（3）屏幕显示出飞机重心的具体位置；

（4）绘制飞机重量改变时重心变化曲线。

结语

本文基于力矩平衡法设计的飞机称重系统相比较传统称重方法测量准确，重复性好，抗干扰、抗侧向力强、易于实现，且具有通用性，可应用于今后相关型号飞机的称重工作。同时系统所配备的称重软件使用方便、功能多样，能够于工程实际应用中提高飞机称重工作的效率。

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1.中航通飞华南飞机工业有限公司试飞中心；2.中航通飞研究院有限公司第五研究室

曹琦（1985-）男，江西湖口人，硕士研究生，工程师，中航通飞华南飞机工业有限公司试飞技术员。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001