多点协调加载系统加载单元定位系统设计

杨家奎 张建

摘 要：多点协调加载系统广泛应用于航空、船舶、汽车等工业领域大型结构件静力和疲劳试验，本文基于航空悬挂发射系统静力试验特点，对加载单元如何高效准确定位进行了研究，提出了一套用于水平承载的两自由度加载单元定位系统，该系统采用激光器精准标记，步进电机高效定位，大大提高试验安装效率，减少试验由于加载方向偏离而带来的影响。

关键词：多点协调加载系统；悬挂发射系统静力试验；加载单元定位

1引言

利用多点协调加载系统进行飞机结构静强度试验，需要一整套工装系统固定试验件和加载单元，实现高强度承载。传统的工装以龙门架和承力柱为主，样品固定在龙门架上，通过吊装移动承力柱到指定位置，用螺栓与地轨连接，再安装加载单元到指定高度与承力柱紧固。这种安装方法不仅操作繁琐，效率低下，还很难定位试验件的加载点，导致传力路径偏离，载荷加载不真实。较差的定位结果会直接导致加载方向的偏离，引起结构件的提前破坏或试验的不准确。由此可见，加载单元良好的定位效果，对静力试验尤为重要。

为了解决加载单元定位不准和安装繁琐的问题，本文基于悬挂发射系统静力试验要求，拟设计制作一套加载单元定位系统，使多点协调加载系统加载单元与工装连接后，能够在安装平面进行一到两个自由度的自由移动和定位，从而大大提高安装效率，提高定位精度。

2方案设计

悬挂发射系统静力试验如图1所示，通常将样品挂装在龙门架上，通过多点协调加载系统在各个方向进行加载，从而模拟飞机在飞行过程中各种动作下的载荷工况。常用的加载方向有航向（X向）、侧向（Z向）和垂向（Y向），加载单元需要固定于工装立柱上进行水平加载，那么对于工装立柱来讲往往会受到较大的横向载荷。如果要求工装立柱实现两自由度（X向和Y向）的运动，尤其是垂向（Y向）运动，只能采取电机带动滚珠丝杠的运动方式，但滚珠丝杠的横向承载能力较差，很难在试验中起到应有的承载作用。如果使用碟簧受压产生的变形，将外部横向载荷传递至承力框架，则能避免滚珠丝杠等运动部件承受横向载荷，满足工装自动升降的同时也能承受较大的横向载荷。

基于以上考虑，并根据实际使用情况，加载单元定位系统以如下技术指标为例进行设计：

（1）垂向负载≥10kN，水平最大承载250kN；

（2）高度2000mm，可升降有效行程≥1600mm，水平行程（0～3000）mm可调，行程最小离地高度≤400mm；

（3）升降速率≤60mm/s，重复定位精度不低于0.1mm，可任意位置锁死。

2.1设计思路

2.1.1水平承载

因为现有丝杠或滑块均无法承受250kN载荷，而分布承载又对加工精度的要求太高，调试难度太大，且寿命无法保证。因此，考虑使用承力框架承受250kN载荷，则需要设计一套载荷转换装置。在导轨的运动单元上设计转接碟簧，可在任意位置定位后，使用螺栓预紧固定。当碟簧压缩时，运动单元与承力框架接触，通过承力架传递载荷。

试验载荷的施加则考虑使用柔性钢丝绳加载，加载单元和钢丝绳的接头相连，安装于承力框架基座处，在框架内经过滑轮转向，由运动单元处导出，通过调节拉杆与试验钢丝绳相连。

2.1.2两自由度运动

由于加载单元定位系统负载重，水平承载大，有较大的倾覆力矩，在承力地轨水平面很难通过电机带动滚珠丝杠的方式实现水平运动。因此，设计时考虑使用专门的钢轨和电动拖车，安装于承力地轨上，再将定位系统安装于电动拖车上，在让电动拖车沿地轨进行水平移动。为了防止承载时工装倾覆，在承力地轨两端设置专用的承力墙，将电动拖车限位固定，以保障在加载时结构稳定。

垂向运动有两种方案有两种设想，一种是电动吊车配合圆柱导轨，一种方案是步进电机带动滚珠丝杠。电动吊车的优点是可靠性高，缺点是定位精度较差；而步进电机的优点是定位精度高，缺点是安装精度高，需要编制控制程序。综合考虑定位精度的要求，推荐使用方案二步进电机带动滚珠丝杠的方式实现垂向运动如图2所示。

2.2系统原理

一套加载单元定位系统如图3所示，包括具备大承载能力的承力框架；用于实施目标拉力的钢丝绳；调整钢丝绳方向的导入滑轮及导出滑轮；用于实现空间运动的电机、电机支座、丝杠、滑块、滑板；用于实现位移补偿能力的碟簧；实现空间定位的激光器及锁紧的承力螺栓等。

承力框架为柱形钢材的主承力结构，设置有导入孔、导出孔、定位导向孔；承力框架与导入滑轮的支座、电机支座、丝杠支座均固定螺接。多点协调加载单元位于承力框架外部，加载单元伸出端与钢丝绳相连，钢丝绳通过导入孔进入承力框架内部，并在导入滑轮处换向，再经过导出滑轮换向，通过滑轮座上的滑轮座导向孔、滑板导向孔、导出孔伸出承力框架外，对外部样品施加載荷。

滑块与滑板用螺栓固定连接，导出滑轮用螺栓固定安装在滑轮座上。滑轮座上还设置有导向螺栓定位孔、承力螺栓定位孔。导向螺栓穿过滑轮座上的导向螺栓定位孔与滑板固定连接，且滑轮座与滑板之间为碟黄，导向螺栓穿过碟黄中心，起到导向作用。导向螺栓定位孔的直径大于导向螺栓的直径，因此，在受力时，滑轮座可沿导向螺栓的轴向自由运动。

电机带动丝杠旋转，并驱动滑块运动，进而带动滑板、滑轮座、滑轮一起运动。滑轮座与滑板之间形成的间隙为主动间隙。滑轮座与承力框架形成的间隙为被动间隙。当到达指定位置后，通过激光器斑点对样品加载点进行精准定位，以保证最优结果。定位后，承力螺栓通过承力框架上的定位导向孔与承力螺栓定位孔连接；在拧紧过程中，碟黄受力压缩，主动间隙和被动间隙均减小；当被动间隙减小至零时，滑轮座与承力框架紧密相连；此时，滑板所受的力，也即为丝杠所受的横向力为碟黄的弹力。实现空间定位后，作动器带动钢丝绳产生拉力F，滑轮上的力通过滑轮座传递至承力框架，可见丝杠并不承受F的作用，即实现了承载结构的转移。

2.3仿真分析

为了考核加载单元定位系统结构强度和刚度的安全性，针对其最严工况，即垂直最高升限位置施加水平载荷250kN为条件进行有限元分析。分析结果如图4图5所示，其最大应力为156MPa，最大变形量为0.7mm，结构设计满足强度和刚度要求。

3结束语

本文基于悬挂发射系统静力试验，提出了一套加载单元定位系统的设计方案，以实现多点协调加载系统加载单元的高效定位。其优点是大大提高了静力试验安装效率，节约了人力和时间成本；通过激光定位提高了定位精度，减少加载方向的偏移引起的误差。缺点是水平位移拖车笨重，占用承力地轨，对场地要求较高。

该系统目前仅能用于静力试验水平加载，对于非水平方向的加载，系统还可以继续优化设计。譬如飞机平尾垂直向上的加载，亦可通过本文提出的运动单元在水平横梁的移动定位而实现，又或者是结构件带角度斜向加载，也可集成在三角工装上。总之，这种通过碟簧变形实现力转移的装置，让传统固定的加载单元拥有了运动的属性，对大型结构件静力试验施力点的精准定位起到了积极作用，使多点协调加载系统的应用更为广泛。

参考文献：

[1]刘博，王有杰.多通道静力协调加载系统[J]. 四川兵工学报， 2014， 35（3）： 126-129.

[2]邢佶慧，黄河，张家云，杨庆山.碟形弹簧力学性能研究[J]. 振动与冲击， 2015， 34（22）： 167-172.

作者简介：

杨家奎，男，汉，籍贯河南信阳，出生年月1991年5月，研究方向力学环境试验方向。

张建，男，汉，籍贯四川成都，职称高级工程师，1984年3月，研究方向力学环境试验方向。