航空关键部件的力学性能测试对其优化设计和安全服役至关重要。多数关键部件往往工作在复杂的载荷环境下，例如直升机的弹性轴承会承受压力、弯矩和扭矩组成的压弯扭复合载荷，又如直升机桨叶、航空发动机叶片均承受拉弯扭载荷。为准确掌握关键部件工作时的力学响应和疲劳寿命，确保部件设计的准确性和安全性，需在其力学强度和疲劳寿命试验中对其施加与实际工况相同的多维力复杂载荷。

目前我国对航空零部件力学性能和疲劳寿命的测试方法可分为材料试验机加载和液压作动器加载两类。一方面，通过单轴材料试验机配合定制工装可对待测零、部件单独施加拉（压）力、弯矩和扭矩，逐项测试其在拉伸、弯曲和扭转时的力学性能。但是，由于试验机动态响应较差，使用该方法进行疲劳试验比较困难。另外，该方法无法同时对部件施加拉（压）弯扭组合载荷，在不同载荷下测试时，需要频繁装卸部件，降低测试效率。另一方面，通过在空间布置液压作动器可实现拉（压）弯扭组合加载，并且可开展疲劳试验，但是该方法对不同部件或部件的不同外形状态的适应性较弱，变更待测目标后需对各作动器重新布置，延长测试时间；作动器定位精度也难以保证，不利于加载精度保持，影响测试准确性。

并联机构具备空间六自由度，在工作空间内可任意平移和转动，并且具备结构紧凑、刚度高、误差积累小和动态特性好等优点。连接末端执行器和待测部件，通过二者间的相对位移可实现对部件的多维力加载，也可通过往复运动实现多维力循环加载，为复杂载荷下的力学性能测试和疲劳试验提供新的加载手段。

使用并联机构进行准静态多维力加载引起了国内外部分学者的关注。Masters 等利用并联机构测试建筑结构的刚度特性测试。唐静芳等对六自由度并联机构应用于静态和疲劳加载开展仿真研究。吴乐彬和吴剑等基于Stewart 平台设计多维静态加载机构，对加载机构的轨迹跟踪和单自由度加载稳定性进行提升。尹鹏等基于单轴力闭环控制提出一种正交并联加载系统。徐彬采用 Stewart 平台，分析大型旋挖钻机动臂的加载性能参数。王博等提出了一种基于正交并联机构的多轴加载试验系统，用于模拟对接机构组合体实际受到的复杂载荷。Stokes 等基于六自由度并联机构设计了一种针对脊柱的加载装置，测量动物脊柱的刚度特性。Nierenberger和Flohic 等基于 Stewart 平台对混凝土试验件进行拉 – 剪二维加载试验。孙永生基于 6–UPS 并联机构研制多维力加载材料试验机，郭江真 等使用其对金属材料试件进行拉扭和拉弯扭加载材料试验。王晓飞等基于并联机构提出一种多维力加载过程中被测目标空间位移的测量方法。

不难发现，使用并联机构进行多维力加载可行，但该方法尚未在航空关键部件力学性能测试中开展应用，同时部件性能测试结果也尚未与传统方法对比，测试准确性仍属未知。因此，本文以直升机关键部件——弹性轴承作为测试对象，基于6–SPS 并联机构研制多维力加载装置和空间位移测量装置，测量弹性轴承在压力、弯矩和扭转载荷下的刚度特性，并与传统方法所得结果进行对比，验证多维力加载测试的准确性。

测量弹性轴承在压力、弯矩和扭矩组合载荷下的刚度特性，要求多维力加载装置实现以下功能：

（1）可对弹性轴承施加压力、弯矩、扭矩及其组成的多维力载荷。

（2）可实时测量加载装置输出的多维力载荷。

（3）可实时测量弹性轴承在多维力载荷下的空间变形。

因此，加载装置主要由3 部分构成，见图1，分别为多维力加载机构、变形测量机构和三维力传感器。

图1 多维力加载装置示意图

Fig.1 Diagrammatic sketch of multi-axis loading device

多维力加载机构基于6–SPS 并联机构研制，由静平台、动平台及 6条运动支链组成，动平台具有空间六自由度，通过动平台与待测部件的多自由度相对位移实现对部件的多维力加载。其中，各运动支链由移动副驱动，两端通过球副与动、静平台相连；同时各移动副均安装位移传感器，实现对其位移闭环控制。

变形测量机构同样基于6–SPS并联机构提出，具备六自由度。该机构不包含动力部件，其动平台与弹性轴承相连，在弹性轴承受载产生弹性变形时产生空间运动，引起6 条支链的长度变化。支链长度实时通过光栅传感器进行测量反馈，并通过正解模型计算动平台位移和姿态，从而获得弹性轴承的空间变形量。

三维力传感器安装于多维力加载机构的动平台，实时测量加载机构输出的轴向力、弯矩和扭矩，结合弹性轴承的变形量分析轴承在承受轴向力、弯矩、扭矩及其组合的多维力载荷时的刚度特性。