用于飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机

摘要

本发明公开了一种用于飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机，包括试验台、主传动系统、摩擦系统、摩擦面调节系统、径向冲击系统、温度控制系统、可视化系统、信号采集与检测系统。通过主传动系统、径向冲击系统、摩擦面调节系统以及温度控制系统来改变摩擦系统中橡胶磨轮在摩擦烧蚀试验时的工况，由摩擦面调节系统模拟飞机触地时轮胎胎面所接触的不同路面条件；通过信号采集与检测系统对摩擦系统中橡胶轮胎面的摩擦烧蚀情况进行实时的数据采集和监测，经由数据采集卡传输给计算机进行数据处理和分析，从而进行飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶摩擦烧蚀行为试验。本发明为研究橡胶轮胎在瞬时高速冲击载荷下的摩擦烧蚀行为提供了有效的试验平台。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机着陆瞬时高速、高冲击、大载荷、高温下的航空轮胎胎面胶摩擦烧蚀行为的实验手段和方法，特别涉及一种飞机着陆瞬时轮胎胎面胶烧蚀行为研究的试验机。

背景技术

航空轮胎是维系大飞机安全的重要部件。据美国航空管理局统计，超过50％的飞机失事发生在起飞、降落过程，其中80％与轮胎有关。大型飞机航空轮胎在使用过程中面临着极端复杂的工况：高速度(额定速度>300km/h)、高负荷(额定负荷>20吨)、高充气气压(>1.5MPa)和大形变(～35％)。这一极端工况下轮胎的摩擦温升导致的烧蚀严重影响飞机的安全性。为满足大型飞机高载荷、高速升降和滑跑的需要，大型飞机航空轮胎在极端工况下的抗烧蚀性已成为大飞机轮胎相关的重要研究内容。然而，关于航空轮胎胎面橡胶复合材料在极端工况下高温烧蚀研究目前还近乎空白，相关的数据积累及相关机理的系统研究更是缺乏。

在上述研究领域中的基础研究缺失导致国内还不能为有效实现大飞机子午线轮胎橡胶的设计选材、抗磨损、抗烧蚀、预测并延长航空轮胎服役寿命等方面提供足够的科学依据和可靠的解决途径，严重影响我国大飞机的发展战略。因此，迫切需要开展在高速摩擦、高冲击载荷、高温等极端工况条件下航空轮胎橡胶复合材料摩擦烧蚀的相关研究，并在掌握规律及认清机理的基础上开展其抗磨损、抗烧蚀和提高服役寿命的研究，从而满足国家大飞机的发展需求。然而，大飞机在着陆瞬间的高速摩擦、高冲击载荷、高温等极端工况条件限制了上述研究很难在小型试验中进行条件模拟并展开相关研究。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是为了研究在高速摩擦、高冲击载荷、高温等极端工况条件下航空轮胎橡胶复合材料的摩擦烧蚀行为，提供一种工况参数可调的摩擦烧蚀行为研究的试验平台。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机，包括：

试验台；

主传动系统，其设置在试验台上；

摩擦系统，其设置在试验箱中，所述试验箱设置在试验台上；所述摩擦系统的旋转轴单元上安装试验磨轮；所述主传动系统与摩擦系统的旋转轴单元连接以将试验磨轮带动旋转；所述试验箱上设置可视化系统；

径向冲击系统，其顶部连接摩擦面，且所述摩擦面位于试验磨轮的下方；所述径向冲击系统将冲击载荷通过摩擦面传递到试验磨轮上，实现试验磨轮的瞬时高速冲击载荷工况模拟；

摩擦面调节系统，其对所述摩擦面进行调节；

温度控制系统，其连接在径向冲击系统的顶部且位于摩擦面的下方；

信号采集与检测系统，其包括转矩转速检测系统、红外温度探测仪系统和气相产物收集测试系统；所述转矩转速检测系统连接在主传动系统上用于监控试验磨轮的转矩和转速，所述红外温度探测仪系统设置在试验箱的外部，且朝向试验箱的可视化系统，所述气相产物收集测试系统与试验箱的内部连通用于收集试验磨轮与摩擦面在摩擦过程中产生的烟气。

优选的是，所述试验台包括：

试验台面，其设置在试验台框架顶部，所述试验台框架的底部设置底板；所述底板的四角安装有万向轮；

中部固定板，其连接在试验台框架的中部；且所述中部固定板通过垂直于试验台面的角铁支撑；所述径向冲击系统的底部连接在中部固定板上。

优选的是，所述主传动系统包括：

驱动电机，其通过固定架安装在试验台面上；

转矩转速传感器，其通过弹性联轴器与驱动电机的转轴连接。

优选的是，所述旋转轴单元包括：

试验传动轴，所述试验传动轴通过左轴承可转动连接在左轴承座上；所述试验传动轴的一端通过试验联轴器与转矩转速传感器连接；

试验主轴，其中部连接试验磨轮；所述试验主轴的一端通过主轴联轴器与试验传动轴的另一端连接；所述试验主轴的另一端通过支撑轴联轴器与支撑轴的一端连接；所述支撑轴的另一端通过右轴承可转动连接在右轴承座上；

其中，所述左轴承座和右轴承座相对设置于试验箱中，且均可拆卸连接在试验台面上，所述左轴承安装在左轴承座上，并通过左端盖固定并用螺钉紧固轴承外圈；所述右轴承安装在右轴承座上，并通过右端盖固定并用螺钉紧固轴承外圈。

优选的是，所述径向冲击系统包括：

冲击导向杆上底座，其可拆卸连接在试验台面上；

冲击导向杆下底座，其连接在中部固定板上；其中，所述冲击导向杆上底座和冲击导向杆下底座上各开有四个阶梯孔；

四根冲击导向杆，其一端分别与冲击导向杆上底座的四个阶梯孔过盈配合连接，另一端分别与冲击导向杆下底座的四个阶梯孔过盈配合连接；且所述冲击导向杆上底座和冲击导向杆下底座的端部的阶梯孔内均连接冲击导向杆支撑座，所述冲击导向杆支撑座通过螺钉与冲击导向杆的端部紧固连接；

隔热板单元，其包括隔热板和隔热底板，所述隔热板和隔热底板上均开设在有四个通孔，四个通孔内均装配导套；所述隔热板单元通过四个通孔套设在四根冲击导向杆上；

顶台，其位于试验台面上方，且顶台依次穿过试验台面和冲击导向杆上底座上的通孔；所述顶台与隔热板、隔热底板通过螺钉紧固；所述顶台的顶部连接摩擦面；

冲击连杆，其一端与液压加载系统连接，另一端与隔热底板连接；

其中，液压加载系统通过冲击连杆推动隔热板和隔热底板沿冲击导向杆做往复运动，并将冲击载荷通过顶台、摩擦面传递到试验磨轮上，实现试验磨轮的瞬时高速冲击载荷工况模拟。

优选的是，所述液压加载系统包括：

液压油缸，其安装在试验台的中部固定板上；

径向加载连杆，其一端与液压油缸连接，另一端与冲击连杆连接；

液压站，其通过高压油管输送高压油到液压油缸中；所述液压站内设置压力传感器。

优选的是，所述摩擦面调节系统包括：

砂浆料池，其设置在试验台的试验台面下方；所述砂浆料池内的浆料为水、泥浆、油、砂砾液中的两种或多种的混合物；

砂浆料泵，其通过连接硬管与砂浆料池连接；

连接软管，其与砂浆料泵的出口连接；所述连接软管的砂浆料喷头朝向摩擦面；

其中，所述摩擦面为金属板材、木材、混凝土、沥青面、水泥面摩擦面中的任意一种；所述试验磨轮的材质为橡胶纳米复合材料，其基材为天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶中的任意一种，纳米填充材料包括蒙脱土、氧化锌、二氧化硅、二氧化钛、炭纳米管、埃洛石、粉煤灰、二硫化钼、石墨烯中的任意一种。

优选的是，所述温度控制系统包括：

加热板，其位于所述顶台和摩擦面之间，且所述加热板分别与顶台和摩擦面连接；所述加热板侧面开设有平行孔；

加热棒，其连接在加热板的平行孔内；

温度传感器，其连接在加热板内，且位于试验磨轮的正下方；

优选的是，所述可视化系统包括：

可视窗，其通过紧固垫圈和螺钉固定在试验箱前板上；

所述气相产物收集测试系统包括：

风机，其连接在试验箱后板上；

风袋，其连接在风机出口；

采集袋，其通过导气管连接在风袋上。

优选的是，所述红外温度探测系统包括红外温度探测仪，其设置在试验箱外部，且所述红外温度探测仪朝向试验箱的可视化系统；所述转矩转速检测系统由转矩转速传感器联同主传动系统与摩擦系统构成，用于检测和控制摩擦烧蚀过程中传动系统主传动轴转矩大小和转动频率。

本发明至少包括以下有益效果：该飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机，通过所述的主传动系统、摩擦系统、径向冲击系统、液压加载系统、温度控制系统、摩擦面调节系统、可视化系统、信号采集与检测系统，能够改变载荷、转速、摩擦系数、温度、冲击参数等，来测试胎面橡胶在不同工况条件下的摩擦烧蚀行为，研究上述工况参数对胎面胶烧蚀行为的影响。通过所述的信号采集与检测系统进行摩擦烧蚀的测量和分析，对胎面橡胶烧蚀状态进行监测和识别；该轮胎着陆瞬时胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机能够进行特殊工况下橡胶烧蚀行为和机理研究等活动。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明试验机的构造原理主视图；

图2为本发明试验机的构造原理左视图；

图3为本发明试验机的摩擦系统的局部放大图；

图4为本发明试验机的径向冲击系统的局部放大图；

图5为本发明试验机的温度控制系统和摩擦面调节系统的局部放大图；

图6为本发明试验机的可视化系统的局部放大图；

图7为本发明试验机的可更换摩擦面的种类图；

图8为本发明红外温度探测仪测试结果；

图9为本发明气相产物收集测试系统检测结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～6示出了本发明的一种用于飞机着陆瞬时轮胎胎面橡胶烧蚀行为研究的试验机，包括：

试验台；

主传动系统，其设置在试验台上；

摩擦系统，其设置在试验箱6中，所述试验箱6设置在试验台上；所述摩擦系统的旋转轴单元上安装试验磨轮10；所述主传动系统与摩擦系统的旋转轴单元连接以将试验磨轮10带动旋转；所述试验箱6上设置可视化系统；

径向冲击系统，其顶部连接摩擦面12，且所述摩擦面12位于试验磨轮10的下方；所述径向冲击系统将冲击载荷通过摩擦面12传递到试验磨轮10上，实现试验磨轮10的瞬时高速冲击载荷工况模拟；

摩擦面调节系统，其对所述摩擦面12进行调节；

温度控制系统，其连接在径向冲击系统的顶部且位于摩擦面12的下方；

信号采集与检测系统，其包括转矩转速检测系统、红外温度探测仪系统和气相产物收集测试系统；所述转矩转速检测系统连接在主传动系统上用于监控试验磨轮的转矩和转速，所述红外温度探测仪系统设置在试验箱的外部，且朝向试验箱的可视化系统，所述气相产物收集测试系统与试验箱6的内部连通用于收集试验磨轮10与摩擦面12在摩擦过程中产生的烟气。

在上述技术方案中，通过径向冲击系统将冲击载荷由摩擦面传递到试验磨轮上，实现高冲击、高载荷的工况；主传动系统与摩擦系统的旋转轴单元连接以将试验磨轮带动旋转，实现高速旋转的工况；旋转的试验磨轮与可更换的摩擦面间发生相对运动，从而产生摩擦烧蚀；温度控制系统将热量传递给摩擦面，从而实现摩擦环境初始温度的调节；试验过程中试验磨轮的实时转矩和转速的变化由转矩转速检测系统监控，试验磨轮与摩擦面接触部位的实时温度透过可视化系统由红外温度探测仪系统捕捉，摩擦过程中产生的烟气被气相产物收集测试系统抽出收集；因此，此发明可以模拟橡胶磨轮在瞬间的高速、高冲击、大载荷工况下摩擦烧蚀行为，并通过对摩擦烧蚀过程中信号进行检测和采集来分析摩擦烧蚀的程度及在摩擦过程中磨轮材料成分及结构的变化。

在上述技术方案中，所述试验台包括：

试验台面25，其设置在试验台框架顶部，所述试验台框架的底部设置底板21；所述底板21的四角安装有万向轮20；通过万向轮20可以方便的移动试验机；

中部固定板16，其连接在试验台框架的中部；且所述中部固定板16通过垂直于试验台面25的角铁支撑；所述径向冲击系统的底部连接在中部固定板16上。

在上述技术方案中，所述主传动系统包括：

驱动电机1，其通过固定架安装在试验台面25上；

转矩转速传感器3，其通过弹性联轴器2与驱动电机1的转轴连接；驱动电机1的输出轴通过弹性联轴器2对转矩转速传感器3进行传动，转矩转速传感器3则将转动传递到摩擦系统。

在上述技术方案中，所述旋转轴单元包括：

试验传动轴7，所述试验传动轴7通过左轴承30可转动连接在左轴承座5上；所述试验传动轴7的一端通过试验联轴器4与转矩转速传感器3连接；

试验主轴9，其中部连接试验磨轮10；所述试验主轴9的一端通过主轴联轴器8与试验传动轴7的另一端连接；所述试验主轴9的另一端通过支撑轴联轴器28与支撑轴29的一端连接；所述支撑轴29的另一端通过右轴承26可转动连接在右轴承座11上；

其中，所述左轴承座5和右轴承座11相对设置于试验箱6中，且均可拆卸连接在试验台面25上，其可拆卸连接方式为螺栓连接，所述左轴承30安装在左轴承座5上，并通过左端盖31固定并用螺钉紧固轴承外圈；所述右轴承26安装在右轴承座11上，并通过右端盖27固定并用螺钉紧固轴承外圈；通过轴承固定在轴承座上的试验传动轴7与支承轴29，联同主轴联轴器8、支承联轴器28与主轴9共同构成了简支结构，不仅实现了试验主轴9在高转速下的平稳转动，同时也使传动系统能够承载较大的冲击载荷，并且使摩擦系统具有较长的使用寿命；

其中，主轴联轴器8通过键与试验传动轴7相连，由顶部的紧定螺钉锁死，随试验传动轴7做旋转运动，并将运动通过键传递给试验主轴9，试验主轴9通过键与试验磨轮10连接，试验磨轮轮毂侧边的螺钉将试验主轴9和试验磨轮10紧固，保证试验磨轮10和试验主轴9不发生相对滑动，试验主轴9带动试验磨轮10与试验摩擦面12产生相对运动，使试验磨轮10与摩擦面12相互摩擦，产生摩擦烧蚀。由此可知，试验摩擦系统试验主轴9在驱动电机1驱动下带动试验磨轮10产生旋转，与摩擦面12相对运动并发生摩擦烧蚀。

在上述技术方案中，所述径向冲击系统包括：

冲击导向杆上底座40，其可拆卸连接在试验台面25上；

冲击导向杆下底座36，其连接在中部固定板16上；其中，所述冲击导向杆上底座40和冲击导向杆下底座36上各开有四个阶梯孔；

四根冲击导向杆37，其一端分别与冲击导向杆上底座40的四个阶梯孔过盈配合连接，另一端分别与冲击导向杆下底座36的四个阶梯孔过盈配合连接；且所述冲击导向杆上底座40和冲击导向杆下底座36的端部的阶梯孔内均连接冲击导向杆支撑座35，所述冲击导向杆支撑座35通过螺钉与冲击导向杆37的端部紧固连接；

隔热板单元，其包括隔热板38和隔热底板32，所述隔热板38和隔热底板32上均开设在有四个通孔，四个通孔内均装配导套39；所述隔热板单元通过四个通孔套设在四根冲击导向杆37上；

顶台15，其位于试验台面25上方，且顶台15依次穿过试验台面25和冲击导向杆上底座40上的通孔；所述顶台15与隔热板38、隔热底板32通过螺钉紧固；所述顶台15的顶部连接摩擦面12；

冲击连杆33，其一端与液压加载系统连接，另一端与隔热底板32连接；

其中，液压加载系统通过冲击连杆33推动隔热板38和隔热底板32沿冲击导向杆37做往复运动，并将冲击载荷通过顶台15、摩擦面12传递到试验磨轮10上，实现试验磨轮的瞬时高速冲击载荷工况模拟；

基于上述连接和装配，通过改变液压加载系统的液压压力的大小，通过冲击连杆和冲击导向杆将冲击传递到试验磨轮上，实现试验橡胶磨轮的瞬间高冲击、大载荷工况模拟。

在上述技术方案中，所述液压加载系统包括：

液压油缸17，其安装在试验台的中部固定板16上；

径向加载连杆34，其一端与液压油缸17连接，另一端与冲击连杆33连接；

液压站22，其通过高压油管23输送高压油到液压油缸17中；所述液压站22内设置压力传感器24；

液压站22通过高压油管23输送高压油到液压油缸17中，对径向加载连杆34做功，使其向上顶出，从而将瞬时冲击传递给径向冲击系统，径向冲击系统中顶台15带动摩擦面12对摩擦系统中试验磨轮10施加冲击载荷，最终实现磨轮的加载，因为由径向加载连杆34到摩擦面12间均通过刚性连接，因此最终传递到磨轮10的载荷大小可由安装在液压站里的压力传感器24标定；

基于上述连接和装配，试验机的径向载荷由液压油缸17提供，并由径向加载连杆34传递到试验磨轮10上，实现磨轮的加载，载荷大小由压力传感器24标定。

在上述技术方案中，所述摩擦面调节系统包括：

砂浆料池19，其设置在试验台的试验台面25下方；所述砂浆料池19内的浆料为水、泥浆、油、砂砾液中的两种或多种的混合物；

砂浆料泵13，其通过连接硬管18与砂浆料池19连接；

连接软管42，其与砂浆料泵13的出口连接；所述连接软管42的砂浆料喷头朝向摩擦面12；

其中，所述摩擦面为金属板材、木材、混凝土、沥青面、水泥面及其各粗糙度不同的摩擦面；

所述试验磨轮的材质为橡胶纳米复合材料，其基材为天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶中的任意一种，纳米填充材料包括蒙脱土、氧化锌、二氧化硅、二氧化钛、炭纳米管、埃洛石、粉煤灰、二硫化钼、石墨烯中的任意一种；

上述砂浆料通过砂浆料泵13经连接软管42由砂浆料喷头41喷出后附着于摩擦面12上，实现橡胶试验磨轮10在不同摩擦面的摩擦烧蚀行为试验。

在上述技术方案中，所述温度控制系统包括：

加热板14，其位于所述顶台15和摩擦面12之间，且所述加热板14分别与顶台15和摩擦面螺栓连接；所述加热板14侧面开设有平行孔；

加热棒44，其连接在加热板14的平行孔内；

温度传感器43，其连接在加热板14内，且位于试验磨轮10的正下方；

温度控制系统置于试验箱6内，试验箱6前方留有可视化系统以便进行实时观测；温度控制系统用于实现摩擦面初始温度的监测和控制，以实现橡胶磨轮在不同环境温度下的摩擦烧蚀试验。

在上述技术方案中，所述可视化系统包括：

可视窗49，其通过紧固垫圈51和螺钉固定在试验箱6前板上；

所述气相产物收集测试系统包括：

风机48，其连接在试验箱6后板上；

风袋47，其连接在风机48出口；

采集袋45，其通过导气管46连接在风袋47上；

所述风机48固定于试验箱6后板上，用于抽取试验箱6内部气体，所述风袋47安装于风机48出口，接受风机48抽出的气体，并将气体通过导气管46输送，最终由气体采集袋45收集；收集的气相产物通过离线的色谱和质谱仪进行结构分析，气相产物收集测试系统用于收集摩擦烧蚀过程中的气相产物，以此了解橡胶轮胎在不同摩擦磨损情况下烧蚀过程中的裂解情况。

在上述技术方案中，所述红外温度探测系统包括红外温度探测仪50，其设置在试验箱外部，且所述红外温度探测仪朝向试验箱的可视化系统，即可视窗49；所述红外温度探测系统由红外温度探测仪50联同可视化系统构成，用于测量摩擦烧蚀过程中的温度峰值以及区域温度分布情况；测得的温度值和温度分布情况由数据采集卡上传到计算机进行处理，作为评价橡胶轮摩擦烧蚀行为的参数以及监测烧蚀过程运行状态的依据；所述转矩转速检测系统由转矩转速传感器3联同主传动系统与摩擦系统构成，用于检测和控制摩擦烧蚀过程中传动系统主传动轴转矩大小和转动频率。

以下给出本发明的整体工作过程：

参照图1～6所示，通过压力传感器24调节和监测加载液压油缸17的载荷，液压油缸17竖直安装在试验台中部固定板16的下部，通过活塞杆驱动径向加载连杆34和冲击连杆33将负载施加到隔热底板32上，隔热底板32和隔热板38沿冲击导向杆37向上运动，带动顶台15和顶台15上的加热板14，最终冲击载荷由摩擦面12传递到试验磨轮10-摩擦主轴9上，实现高冲击、高载荷的工况。驱动电机1安装在试验台面25的固定架上，通过调节电机的频率调节输出转速，电机输出由弹性联轴器2传递到转矩转速传感器3上，并由试验联轴器4将转动传递给试验传动轴7，试验传动轴7通过主轴联轴器8对试验主轴9驱动，试验磨轮10与试验主轴9同步高速旋转，实现高速旋转的工况。旋转的试验磨轮10与可更换的摩擦面12间发生相对运动，从而产生摩擦烧蚀。加热棒44通过加热使加热板14升温，通过温度传感器43监测和调节加热板14的温度，加热板将热量传递给摩擦面12，从而实现摩擦环境初始温度的调节。试验过程中试验磨轮10的实时转矩和转速的变化由转矩转速传感器3监控，磨轮10与摩擦面12接触部位的实时温度透过可视窗49由红外温度探测仪50捕捉，摩擦过程中产生的烟气被风机48抽出，由气体采集袋45收集。因此，此发明可以模拟橡胶磨轮在瞬间的高速、高冲击、大载荷工况下摩擦烧蚀行为，并通过对摩擦烧蚀过程中信号进行检测和采集来分析摩擦烧蚀的程度及在摩擦过程中磨轮材料成分及结构的变化。

实施例1：

当采用天然橡胶为100份，炭黑为50份，埃洛石为5份，采用橡胶磨轮作为试验磨轮时，采用上述的试验机进行试验，红外温度探测仪50所探测到橡胶磨轮摩擦烧蚀最高温度为212℃，见图8a；

当采用丁苯橡胶为100份，炭黑为60份，二氧化钛为3份，采用橡胶磨轮作为试验磨轮时，红外温度探测仪50所探测到橡胶磨轮摩擦烧蚀最高温度为218℃，见图8b；

当采用顺丁橡胶为100份，炭黑为70份，炭纳米管为2份，采用橡胶磨轮作为试验磨轮时，红外温度探测仪50所探测到橡胶磨轮摩擦烧蚀最高温度为202℃，见图8c。

当天然橡胶为100份，炭黑为50份，采用橡胶磨轮作为试验磨轮时，采用上述的试验机进行试验，采集袋45所采集的气相产物主要包括长链的碳氢化合物和芳烃，见图9。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。