航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)驅(qū)動功率設(shè)計技術(shù)

方新文，康 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)能夠真實模擬飛機(jī)在起降過程中的速度、加/減速度以及輪胎載荷，是航空輪胎研制及性能測試的重要試驗設(shè)備，為航空輪胎新產(chǎn)品的研制、鑒定和產(chǎn)品交付提供科學(xué)依據(jù)。通過模擬試驗，可以確定產(chǎn)品性能參數(shù)、優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高航空機(jī)輪輪胎的品質(zhì)和性能。本文以某試驗機(jī)為例，重點分析試驗機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在設(shè)計中的各種負(fù)載情況及功率需求，從而提供滿足試驗要求的速度及加/減速度。

2 概 述

航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)和道面模擬飛輪組成(如圖1所示)。試驗時，驅(qū)動電機(jī)帶動道面模擬飛輪旋轉(zhuǎn)，提供滿足要求的加/減速度及速度目標(biāo)值，模擬飛機(jī)起降、滑行過程中的速度變化。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)組成

本文以某航空動態(tài)模擬試驗機(jī)為例，詳細(xì)介紹驅(qū)動功率分析設(shè)計。該航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)設(shè)計輸入如下：(1)道面模擬飛輪直徑D：3048mm；(2)道面模擬飛輪慣量J：14100kgm2；(3)最大加/減速度a：8m/s2；(4)額定速度VN：500km/h(871rpm，后續(xù)計算電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN取900rpm)；(5)最大輪胎載荷Lmax：800kN。

3 驅(qū)動功率設(shè)計

該試驗機(jī)輪胎試驗包括加速起飛、減速降落、低速滑行3個部分，驅(qū)動功率大小取決于負(fù)載力矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積。

3.1 加速起飛試驗所需功率

加速起飛試驗負(fù)載力矩由3部分組成：加速力矩、滾轉(zhuǎn)阻力矩、損耗力矩。

(1)加速力矩計算

加速起飛試驗中，最大加速度為8m/s2，加速起飛試驗所需加速力矩為：

式中，J0為電機(jī)總慣量，電機(jī)總慣量不超過562kgm2，Jj為機(jī)輪轉(zhuǎn)化至鼓輪側(cè)慣量，為277kgm2，R為飛輪半徑。

(2)滾轉(zhuǎn)阻力矩計算

加速起飛試驗中會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻力矩，該阻力矩與輪胎施加的載荷成正比關(guān)系，最大阻力矩為：

T2=Lmax×μ×R=36576Nm

式中，μ為阻力矩系數(shù)，取0.03。

(3)損耗力矩計算

損耗力矩包括鼓輪風(fēng)阻力矩、軸承摩擦力矩、電機(jī)損耗力矩。根據(jù)測量經(jīng)驗，500km/h時鼓輪風(fēng)阻及軸承摩擦力矩最大值約為：Tfz+Tzc=1000Nm，電機(jī)軸承損耗Tdzc=100Nm。

(4)總負(fù)載力矩

綜上所述，加速起飛試驗總負(fù)載力矩為：

T=T1+T2+Tfz+Tzc+Tdzc=116096Nm

加速起飛試驗所需峰值功率為：

3.2 減速降落試驗所需功率

減速降落過程與加速起飛過程相反，但負(fù)載力矩組成一致。

(1)減速力矩計算

飛機(jī)減速降落試驗中，最大減速度為8m/s2，所需減速制動力矩為：

式中，J0為電機(jī)總慣量，電機(jī)總慣量不超過562kgm2，Jj為機(jī)輪轉(zhuǎn)化至鼓輪側(cè)慣量，為277kgm2。

(2)滾轉(zhuǎn)阻力矩計算

減速降落試驗中會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻力矩，該阻力矩與機(jī)輪施加的載荷成正比關(guān)系，最大阻力矩為：

T2=Lmax×μ×R=36576Nm

(3)損耗力矩計算

損耗力矩包括鼓輪風(fēng)阻力矩、軸承摩擦力矩、電機(jī)損耗力矩。根據(jù)測量經(jīng)驗，500km/h時鼓輪風(fēng)阻及軸承摩擦力矩最大值約為：Tfz+Tzc=1000Nm，電機(jī)軸承損耗Tdzc=100Nm。

(4)總負(fù)載力矩

綜上所述，減速降落試驗總負(fù)載力矩為：

T=T1-T2-Tfz-Tzc-Tdzc=40744Nm

減速降落試驗所需峰值功率為：

3.3 低速滑行試驗功率計算

低速滑行試驗是指航空輪胎以64km/h(n為112rpm)的速度滑行約10000m。低速滑行試驗分為3個階段：第1個階段為加速啟動，設(shè)定加速度為8m/s2；第2個階段為穩(wěn)速滑行；第3個階段為減速制動，設(shè)定減速度為8m/s2。

(1)加速啟動階段

營業(yè)員勉強(qiáng)地笑著，“沒事，有點低血糖，頭有點暈。小姐喜歡哪套？”總共試穿了四套，顏曉晨最喜歡第三套，而且正好是特價品，打四折，

加速啟動時加速度8m/s2，根據(jù)公式：

可得，所需加速力矩為78420Nm。

加速啟動階段會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻力矩，該阻力矩與機(jī)輪施加的載荷成正比關(guān)系，最大阻力矩為：

T2=Lmax×μ×R=36576Nm

式中，μ為阻力矩系數(shù)，取0.03。

64km/h時鼓輪風(fēng)阻及軸承摩擦力矩最大值約為：Tfz+Tzc=150Nm，電機(jī)軸承損耗Tdzc=100Nm。

則加速啟動階段所需的驅(qū)動輸出力矩為：

T=T1+T2+Tfz+Tzc+Tdzc=115246Nm

加速啟動階段，所需驅(qū)動峰值功率為：

(2)穩(wěn)速滑行階段

在穩(wěn)速滑行階段中，電機(jī)只需克服損耗力矩與滾轉(zhuǎn)阻力矩即可保持滑行速度穩(wěn)定，即負(fù)載力矩由兩部分組成：滾轉(zhuǎn)阻力矩、損耗力矩。

滾轉(zhuǎn)阻力矩計算：穩(wěn)速滑行試驗中會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻力矩，該阻力矩與機(jī)輪施加的載荷成正比關(guān)系，最大阻力矩：T2=Lmax×μ×R=36576Nm(式中，μ為阻力矩系數(shù)，取0.03)。

損耗力矩計算：損耗力矩包括鼓輪風(fēng)阻力矩、軸承摩擦力矩、電機(jī)損耗力矩。根據(jù)測量經(jīng)驗，64km/h時鼓輪風(fēng)阻及軸承摩擦力矩最大值約為：Tfz+Tzc=150Nm，電機(jī)軸承損耗Tdzc=100Nm。

則穩(wěn)速滑行階段驅(qū)動總輸出力矩為：

T=T2+Tfz+Tzc+Tdzc=36826Nm

穩(wěn)速滑行階段，所需驅(qū)動峰值功率為：

(3)減速制動階段

減速制動階段會產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)阻力矩，該阻力矩與機(jī)輪施加的載荷成正比關(guān)系，最大阻力矩為：T2=Lmax×μ×R=36576Nm(式中，μ為阻力矩系數(shù)，取0.03)。

64km/h時鼓輪風(fēng)阻及軸承摩擦力矩最大值約為：Tfz+Tzc=150Nm，電機(jī)軸承損耗Tdzc=100Nm。

則減速制動階段所需的驅(qū)動輸出力矩為：

T=T1-T2-Tfz-Tzc-Tdzc=41594Nm

減速制動階段，所需驅(qū)動峰值功率為：

4 驅(qū)動功率確定

根據(jù)上述分析，可得某航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)驅(qū)動功率需求，如表1所示。某航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)驅(qū)動所需峰值功率達(dá)到10.94MW方可滿足所有試驗的要求。在后續(xù)設(shè)計中，因加/減速時間短，可考慮利用驅(qū)動電機(jī)的過載工況。

表1 驅(qū)動功率需求

5 總 結(jié)

航空輪胎動態(tài)模擬試驗機(jī)驅(qū)動功率的設(shè)計，不僅需要考慮試驗過程中的加速/減速負(fù)載力矩，還應(yīng)考慮輪胎施加載荷產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)阻力矩，再綜合系統(tǒng)的機(jī)械損耗以及風(fēng)阻損耗力矩，方可確定試驗機(jī)的驅(qū)動功率。特別是輪胎滾轉(zhuǎn)阻力矩，設(shè)計時易被忽略，從而導(dǎo)致大加速度試驗時驅(qū)動功率不足，無法提供滿足試驗要求的加速度條件。