航空轮胎动态模拟试验机驱动功率设计技术
时间：2023-02-26 22:15:04 来源：千叶帆 本文已影响人
方新文，康 磊
(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)
航空轮胎动态模拟试验机能够真实模拟飞机在起降过程中的速度、加/减速度以及轮胎载荷，是航空轮胎研制及性能测试的重要试验设备，为航空轮胎新产品的研制、鉴定和产品交付提供科学依据。通过模拟试验，可以确定产品性能参数、优化产品性能，提高航空机轮轮胎的品质和性能。本文以某试验机为例，重点分析试验机驱动系统在设计中的各种负载情况及功率需求，从而提供满足试验要求的速度及加/减速度。
航空轮胎动态模拟试验机驱动系统主要由驱动电机和道面模拟飞轮组成(如图1所示)。试验时，驱动电机带动道面模拟飞轮旋转，提供满足要求的加/减速度及速度目标值，模拟飞机起降、滑行过程中的速度变化。
图1 驱动系统组成
本文以某航空动态模拟试验机为例，详细介绍驱动功率分析设计。该航空轮胎动态模拟试验机设计输入如下：(1)道面模拟飞轮直径D：3048mm；
(2)道面模拟飞轮惯量J：14100kgm2；
(3)最大加/减速度a：8m/s2；
(4)额定速度VN：500km/h(871rpm，后续计算电机额定转速nN取900rpm)；
(5)最大轮胎载荷Lmax：800kN。
该试验机轮胎试验包括加速起飞、减速降落、低速滑行3个部分，驱动功率大小取决于负载力矩与电机转速的乘积。
3.1 加速起飞试验所需功率
加速起飞试验负载力矩由3部分组成：加速力矩、滚转阻力矩、损耗力矩。
(1)加速力矩计算
加速起飞试验中，最大加速度为8m/s2，加速起飞试验所需加速力矩为：
式中，J0为电机总惯量，电机总惯量不超过562kgm2，Jj为机轮转化至鼓轮侧惯量，为277kgm2，R为飞轮半径。
(2)滚转阻力矩计算
加速起飞试验中会产生滚转阻力矩，该阻力矩与轮胎施加的载荷成正比关系，最大阻力矩为：
T2=Lmax×μ×R=36576Nm
式中，μ为阻力矩系数，取0.03。
(3)损耗力矩计算
损耗力矩包括鼓轮风阻力矩、轴承摩擦力矩、电机损耗力矩。根据测量经验，500km/h时鼓轮风阻及轴承摩擦力矩最大值约为：Tfz+Tzc=1000Nm，电机轴承损耗Tdzc=100Nm。
(4)总负载力矩
综上所述，加速起飞试验总负载力矩为：
T=T1+T2+Tfz+Tzc+Tdzc=116096Nm
加速起飞试验所需峰值功率为：
3.2 减速降落试验所需功率
减速降落过程与加速起飞过程相反，但负载力矩组成一致。
(1)减速力矩计算
飞机减速降落试验中，最大减速度为8m/s2，所需减速制动力矩为：
式中，J0为电机总惯量，电机总惯量不超过562kgm2，Jj为机轮转化至鼓轮侧惯量，为277kgm2。
(2)滚转阻力矩计算
减速降落试验中会产生滚转阻力矩，该阻力矩与机轮施加的载荷成正比关系，最大阻力矩为：
T2=Lmax×μ×R=36576Nm
(3)损耗力矩计算
损耗力矩包括鼓轮风阻力矩、轴承摩擦力矩、电机损耗力矩。根据测量经验，500km/h时鼓轮风阻及轴承摩擦力矩最大值约为：Tfz+Tzc=1000Nm，电机轴承损耗Tdzc=100Nm。
(4)总负载力矩
综上所述，减速降落试验总负载力矩为：
T=T1-T2-Tfz-Tzc-Tdzc=40744Nm
减速降落试验所需峰值功率为：
3.3 低速滑行试验功率计算
低速滑行试验是指航空轮胎以64km/h(n为112rpm)的速度滑行约10000m。低速滑行试验分为3个阶段：第1个阶段为加速启动，设定加速度为8m/s2；
第2个阶段为稳速滑行；
第3个阶段为减速制动，设定减速度为8m/s2。
(1)加速启动阶段
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加速启动时加速度8m/s2，根据公式：
可得，所需加速力矩为78420Nm。
加速启动阶段会产生滚转阻力矩，该阻力矩与机轮施加的载荷成正比关系，最大阻力矩为：
T2=Lmax×μ×R=36576Nm
式中，μ为阻力矩系数，取0.03。
64km/h时鼓轮风阻及轴承摩擦力矩最大值约为：Tfz+Tzc=150Nm，电机轴承损耗Tdzc=100Nm。
则加速启动阶段所需的驱动输出力矩为：
T=T1+T2+Tfz+Tzc+Tdzc=115246Nm
加速启动阶段，所需驱动峰值功率为：
(2)稳速滑行阶段
在稳速滑行阶段中，电机只需克服损耗力矩与滚转阻力矩即可保持滑行速度稳定，即负载力矩由两部分组成：滚转阻力矩、损耗力矩。
滚转阻力矩计算：稳速滑行试验中会产生滚转阻力矩，该阻力矩与机轮施加的载荷成正比关系，最大阻力矩：T2=Lmax×μ×R=36576Nm(式中，μ为阻力矩系数，取0.03)。
损耗力矩计算：损耗力矩包括鼓轮风阻力矩、轴承摩擦力矩、电机损耗力矩。根据测量经验，64km/h时鼓轮风阻及轴承摩擦力矩最大值约为：Tfz+Tzc=150Nm，电机轴承损耗Tdzc=100Nm。
则稳速滑行阶段驱动总输出力矩为：
T=T2+Tfz+Tzc+Tdzc=36826Nm
稳速滑行阶段，所需驱动峰值功率为：
(3)减速制动阶段
减速制动阶段会产生滚转阻力矩，该阻力矩与机轮施加的载荷成正比关系，最大阻力矩为：T2=Lmax×μ×R=36576Nm(式中，μ为阻力矩系数，取0.03)。
64km/h时鼓轮风阻及轴承摩擦力矩最大值约为：Tfz+Tzc=150Nm，电机轴承损耗Tdzc=100Nm。
则减速制动阶段所需的驱动输出力矩为：
T=T1-T2-Tfz-Tzc-Tdzc=41594Nm
减速制动阶段，所需驱动峰值功率为：
根据上述分析，可得某航空轮胎动态模拟试验机驱动功率需求，如表1所示。某航空轮胎动态模拟试验机驱动所需峰值功率达到10.94MW方可满足所有试验的要求。在后续设计中，因加/减速时间短，可考虑利用驱动电机的过载工况。
表1 驱动功率需求
航空轮胎动态模拟试验机驱动功率的设计，不仅需要考虑试验过程中的加速/减速负载力矩，还应考虑轮胎施加载荷产生的滚转阻力矩，再综合系统的机械损耗以及风阻损耗力矩，方可确定试验机的驱动功率。特别是轮胎滚转阻力矩，设计时易被忽略，从而导致大加速度试验时驱动功率不足，无法提供满足试验要求的加速度条件。
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