某转轴试验台扭矩检测设备供电系统改造

时间：2024-08-31

张采泉

（航空工业直升机所，江西景德镇，333001）

1 某转轴试验台扭矩检测使用现状

轴的动态扭矩测试，主要分为测应变测扭矩、测转角测扭矩和测反作用力测扭矩等3类方式。本文所述某转轴试验台需要测量竖直向上轴系统的功率，但功率数据较难获得，通常采取测量轴的扭矩和相应转速，通过换算得到。该测试轴为空心轴，且轴内有控制机械组件，空间紧凑，无法安装传统的集流环测扭矩的不动组件，因此采用贴应变片测扭矩的方法。由于测试轴周围环境复杂，设备安装尺寸不足，无法安装有线供电系统和短距离信号接收设备，因此使用随轴转动的供电模块和无线采集/发射模块。使用过程中发现以下问题：

（1）采集/发射模块在试验台使用200Hz工况发射频率下电量消耗较大，且原电路安装方式经常拆装容易造成接线损耗和松脱，扭矩检测设备在未使用情况下不进行断电操作会持续消耗电量，导致试验期间电池使用时间远低于预期，试验过程中经常因为电池电量不足导致无扭矩信号，不能满足连续在线使用3小时的要求。

（2）断开接线进行断电操作，3天内未使用连续发现2次电池鼓包现象，排故后发现原因是在不使用期间仅断开正极，负极仍然连接着电路，在环境潮湿情况下短路造成的。

（3）反复拆装电池盖板进行充电，已造成基座和盖板螺纹受损。

2 供电系统改造

试验过程中随轴转动的除了供电模块与发射生模块外，还有用于固定模块的夹具，对于转速较大轴来说，其动特性影响非常大。针对已发现的问题，还需考虑以下内容：

■2.1 问题描述

原有供电系统的通断电方式（见图2）是通过固定螺钉的拆装从而实现接头的插拔，这种方式容易破坏线缆接头，且充电时需要将电池拆卸下来，会造成前后测试一致性较差。对于尾传动轴（此轴上的供电模块与采集/发射模块之间通过专用胶带进行固定），每次充电均需要拆除胶带，试验时又要重新缠绕胶带以固定各模块，重复拆装会增加额外的人力和物力。由于原有供电系统通断电方式为接线螺柱固定式，使用时需要将内芯裸露的电源线固定在螺柱内，反复使用对电源线的损耗大，且试验台在工作状态下有松脱风险，这会造成试验时的数据信号不稳定，甚至断线影响试验安全。

图1 改造方法设计框图

图2 原有供电系统接线实物图

图3 原有供电系统工作和充电时的电路图

■2.2 第一次改造

基于原有供电系统的缺点，使用接线端子对原有系统进行改造，如图4所示。改造后，试验时的数据信号稳定且不断线，但多次通断电后，发现接线螺柱的损耗也比预期的大，且在线充电时仍需要将接线端子断开后连接充电器以进行充电。所以，通过接线端子改进后的通断电方式并没有完全解决原有供电系统所存在的问题，不满足扭矩测试系统的要求。

图4 改造过程及改造后的接头

■2.3 第二次改造

为了彻底解决原有供电系统所存在的问题，需要设计特殊的通断电方式。在设计此通断电方式时，使用CATIA软件在供电模块和采集/发射模块之间设计一个充电接口安装控件，要求如下：

（1）满足电池在不拆卸情况下直接充电；

（2）充电过程中供电模块需要与采集/发射模块断开；

（3）充电过程中采集/发射模块不能带电。

手机等电子设备的Ф5.5耳机插口的电路对应的插座满足使用要求，为DC电源插座，它是由横向插口、纵向插口、绝缘基座、交叉接触弹片、定向键槽组成，叉型接触弹片一端为接线口，外露在基座圆柱体顶面，供连接输入电源用，叉型接触弹片另一端由基体互连的两只弹性臂组成，设置在DC插头插入方向绝缘基座插孔内，供给电器使用，使之正常工作。插入配套Ф5.5插头后，能够自动断开电路内部电源。插座内芯采用PC耐高温塑料材质组成，即使在工作温度高达125℃时候，插座也不易产生自燃或起火。

为保证接线的便利性，以及反复插拔的可靠性、插头的具体结构和固定方式等因素，DC-017基座方便在电池盖板上进行限位，且插座引脚布置便于在盖板中空部分进行接线，因此设计使用DC-017插座（见图5），主要技术指标如下：

图5 DC-017插座

①拔出和插入力度2.94-29.4N；

②机械寿命：5000次；

③额定：DC 12V 1A；

④接触电阻≤0.03Ω；

⑤绝缘电阻≥100MΩ。

DC-017引脚定义：⑤电源正极，②负极静触点，③负极动触点。

基于DC-017插座进行充电接头安装控件的设计，最终控件如图6所示。充电接口安装控件由DC-017插座和电池盖板组成，通过左右两排螺钉进行连接。

图6 新充电接口安装控件

本装置使用DC-017电源插座进行充电，电源插头插入插座时，供电模块与采集/发射模块间的连接自动断开，充电器给电池进行充电，如图7所示。

当插入插头后，顶开动触电③，切断电路内部电池负极通路，内部电源停止供电，随即接入外电源负极，与⑤③脚组成外电源供电通路，具体电路图如图7所示。

图7 改造后电路图

3 机械固定方式校核

旋转部件动平衡直接影响其振动水平，不平衡是旋转机械产生噪声和发生故障的主要原[1]，降低振动值可以使得关键部件磨损、疲劳断裂和突然失效的可能性降低，保证旋转机构的使用安全，提高运行的可靠性。

若轴上设备质量不均匀或上面存在不平衡力，当旋转时，就会产生一个向外的离心力，造成主轴振动[2]。在设计时已经平衡考虑的轴以及相关部件，由于制造和装配的不精确，材质不均匀等原因，又会产生新的不平衡。因此轴上安装完所有测试系统后，需要进行动平衡调整，降低其振动值至可接受的范围。

系统供电插头设计的安装方向与旋翼转动方向相反，旋翼转动时，由于不存在制动系统，插头不会甩出。而频繁拆装随轴转动的供电模块较繁琐，且容易影响动平衡，因此需要设计随轴转动电源模块的快速通断电，且电源模块的转换效率需要高、体积小、质量轻，随转动产生的振动小，以及不拆卸充电结构和电路设计，设计原则如下：

（1）由于设备跟随测试轴一同旋转，需要制作专用夹具固定安装设备，夹具质量需要足够小，且两侧质量相等，尽可能考虑到圆周方向上质量的均匀分布，不影响轴转动时的动平衡；

（2）频繁拆装随轴转动的供电模块较繁琐，且容易影响动平衡，设计随轴转动电源模块的快速通断电以及不拆卸充电结构和电路设计。

在本文扭矩测试系统中，安装轴为直径56.6mm，竖直向上。根据需要固定的各模块的重量、尺寸（如表1所示），并考虑安装空间和质量在圆周上的分布设计了工装夹具。

表1 安装在轴上的模块尺寸和重量

如图8所示，已设计安装的工装夹具（白色）由两瓣紧凑的组件组成，组件之间通过两排左右对称的螺栓（每排3个且不共线）连接，从而确保电源模块和采集/发射模块测试过程中不松动；由于电源模块和采集/发射模块的重量和尺寸都相差不大，两瓣组件几乎为对称设计，仅在与各模块安装接口存在较小的差异，从而可尽量保证质量在圆周上均匀分布；组件材料为铝合金，其具有强度高、质量轻、尺寸小、易固定等特点。通过设计的工装夹具供电模块和采集/发射模块安装在轴上的效果如下图所示，图中蓝色为可充电电池，绿色为采集/发射模块，红色为防滑胶垫（根据现场情况，可选装）。

图8 工装夹具及其安装效果（轴直径=56.6mm）

安装在轴上各模块实物重量测量结果见表2，电源模块与采集/发射模块的重量差为28g，对称安装，两者的转动惯量会相互抵消一部分，经过校核，剩余部分对于整机动平衡水平的影响在允许范围内，满足扭矩测试系统的使用要求。

表2 模块（含夹具）对应重量、重心及转动惯量

图9为电池盖板及其详细尺寸，除插座处的安装面外，其形状和尺寸与原盖板相近；其重量为12.3g，较原盖板重1.1g。通过转台转动惯量计算[3]后，质量影响远小于轴系统，满足使用要求。

图9 电池盖板及其尺寸