CN110108441B - 一种风洞天平测力试验准备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞测力技术领域，具体公开了一种风洞天平测力试验准备装置。该装置包括隔振底座、卸载机构、俯仰运动机构、滚转运动机构以及多元加载套，俯仰运动机构及滚转运动机构通过支架固定在隔振底座上；在滚转运动机构的轴线上设有多元加载套，并在其上设有天平姿态测量部件，对风洞天平的俯仰角度和滚转角度进行测量；卸载机构安装在隔振底座中心开孔的地基面上，并利用隔振沟与隔振底座的地基隔开，利用卸载机构可将多元加载套下端的砝码托盘快速托起。该装置能够实现模型组装、模型与天平装配、参考距离测量、模型天平支杆系统动态特性检测以及风洞天平准度评估等多种功能，从而大幅提高风洞天平测力试验准备的精准度、可靠度和效率。

Description

一种风洞天平测力试验准备装置

技术领域

本发明属于风洞测力技术领域，具体涉及一种风洞天平测力试验准备装置。

背景技术

风洞天平测力试验准备工作是风洞天平测力试验前的必要工作，一般主要包含天平准度评估、模型组装、模型内部加速度计等传感器安装、模型天平支杆装配、参考距离测量等内容，对于脉冲风洞天平测力试验，还包括模型天平支杆动态特性检测等内容。风洞天平测力试验准备工作的精准度、可靠度直接影响风洞天平测力试验的精准度、可靠度，所以极其重要。目前，尚没有一种装置能够同时实现以上提及的所有风洞天平测力试验准备工作的功能，在不同设备上完成风洞测力试验准备工作会导致风洞天平的多次安装，从而引入不必要的安装重复性误差，而且，不同装置基准不同，从而引入不必要的基准误差。再次，不同设备上完成风洞测力试验准备工作将不可避免的引入重复的拆装操作，降低风洞测力试验准备效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞天平测力试验准备装置，解决风洞天平测力试验时，不同设备多次安装而引入的重复性误差，大幅度提高风洞天平测力试验准备的精准度、可靠度和效率。

本发明的技术方案如下：一种风洞天平测力试验准备装置，该装置包括隔振底座、卸载机构、俯仰运动机构、滚转运动机构以及多元加载套，其中，俯仰运动机构及滚转运动机构通过支架固定在隔振底座上；在滚转运动机构的轴线上设有多元加载套，并在其上设有天平姿态测量部件，对风洞天平的俯仰角度和滚转角度进行测量；卸载机构安装在隔振底座中心开孔的地基面上，并利用隔振沟与隔振底座的地基隔开，利用卸载机构可将多元加载套下端的砝码托盘快速托起。

所述的俯仰运动机构为双扇形结构，并在双扇形结构之间设有滚转运动机构形成整体结构；所述的扇形结构的中心端通过轴承固定在支架上端面的两个支撑臂上，使俯仰运动机构和滚转运动机构沿着扇形结构的中心轴转动，实现俯仰运行。

所述的扇形结构的圆弧端面上设有弧形齿条，其与安装在支架上的驱动齿轮相啮合匹配，且驱动齿轮通过联轴器与伺服电机相连接，通过联轴器及驱动齿轮，驱动俯仰运动机构的两个扇形结构同步转动；伺服电机内部的编码器能够精确测量获得俯仰运动机构的运动角度。

所述的滚转运动机构中沿垂直与俯仰运动机构旋转轴线的方向上设置有可进行滚转运动的涡轮蜗杆结构，其通过自带编码器的高精度伺服电机进行驱动并测量滚转运动的角度；在所述的滚转运动机构后端设有滚转锁紧机构，所述的滚转锁紧机构套在滚转运动机构中的蜗杆上，并通过液压机构和弹簧实现以滚转运动机构中蜗杆轴线为基准的对称抱闸动作，从而实现滚转运动机构的均匀锁紧。

所述的俯仰运动机构双扇形结构两侧的支架上端面上设有凸起的基座A，在所述的基座A中设有俯仰锁紧机构，其通过液压和弹簧，实现对扇形结构的均匀夹紧，实现对俯仰运动机构的锁紧。

所述的滚转运动机构上安装有风洞天平；所述的多元加载套设置在风洞天平的前端，其中，多元加载套包括内套和外套，所述的内套设置在外套上，使内套相对于外套在X方向旋转轴的方向上移动，外套安装在万向节结构中间的框架Y方向导轨上，使外套在Y方向旋转轴的方向上带动内套整体沿Y方向导轨移动；所述的万向节结构中心框架结构通过X方向轴承与外圆环结构固定连接，使内套、外套相对于所述的外圆环沿X方向旋转轴旋转；所述的多元加载套下端安装砝码托盘的半圆环结构通过Y方向轴承安装在外圆环左右水平面的两端，使半圆环结构可相对于外圆环在Y方向旋转轴旋转。

所述的多元加载套上设有天平姿态测量部件，其中，所述的天平姿态测量部件包括基座和加速度计，其中，基座安装在多元加载套的内套中，并在所述的基座上安装扰性石英加速度计。

所述的多元加载套下端通过加载线与砝码托盘相连接，所述的砝码托盘放置于卸载机构，利用卸载机构可快速托起砝码托盘，使施加在风洞天平上的砝码载荷突然消失，为风洞天平提供阶跃瞬态载荷输入。

所述的卸载机构包括底板、卸载架、X方向丝杆以及Z方向丝杆，其中，在底板上沿X方向安装有X方向导轨，卸载架安装在底板上的X方向导轨上，并利用与X方向导轨平行设置的X方向丝杆带动卸载架沿X方向移动；在所述的卸载架上设有卸载壳体，其上下两个端面分别形成卸载面I和卸载面II，且通过卸载架上安装的Z方向丝杆带动卸载壳体沿Z方向的导轨上下移动，利用Z方向丝杆可实现卸载面的快速托起。

所述的隔振底座上还设有参考距离测量机构，所述的参考距离测量机构设置在支架的一侧；所述的参考距离测量机构包括基座B、光栅尺、丝杆以及导轨，其中，基座B为矩形壳体结构，其上下端面平行，并在上端面上平行安装有导轨，光栅尺与导轨方向垂直设置，并通过滑块安装在导轨上，并利用与导轨平行设置的丝杆带动光栅尺沿导轨移动；在风洞天平轴线处于水平面时，所述的参考距离测量机构中导轨的轴线与风洞天平轴线平行；在所述的光栅尺上设有零位基准，其前端的尺头与多元加载套或风洞试验模型配合，实现参考距离的精确测量。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种风洞天平测力试验准备装置具有以下优点：1、利用本发明的准备装置，可实现模型组装、模型内部加速度计等传感器安装及模型天平支杆装配等；其可实现30kg以上较大砝码载荷作用下的模型天平支杆系统动态特性检测；在风洞天平测力试验中参考距离的测量精度可达0.01mm；能够实现模型组装、模型与天平装配、参考距离测量、模型天平支杆系统动态特性检测以及风洞天平准度评估等多种功能，从而大幅提高风洞天平测力试验准备的精准度、可靠度和效率。

附图说明

图1为本发明所述的一种风洞天平测力试验准备装置结构示意图；

图2为图1中风洞天平姿态运动控制及加载部分结构示意图；

图3为图1中加载套结构示意图；

图4为图1中卸载机构结构示意图；

图5为图1中参考距离测量结构示意图；

图中：1、隔振底座；2、卸载机构；3、俯仰锁紧机构；4、俯仰运动机构；5、滚转锁紧机构；6、滚转运动机构；7、多元加载套；8、天平姿态测量部件；9、参考距离测量机构；10、支架；11、内套；12、外套；13、风洞天平；14、扇形结构；15、联轴器；16、弧形齿条；17、驱动齿轮；18、基座A；19、加载线；20、砝码托盘；21、X方向轴承；22、Y方向轴承；23、X方向旋转轴；24、Y方向旋转轴；25、砝码载荷作用方向；26、Y方向导轨；27、X方向导轨；28、卸载面Ⅰ；29、X方向丝杆；30、X方向导轨；31、卸载面Ⅱ；32、Z方向丝杆；33、丝杆；34、导轨；35、光栅尺；36、基座B。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种风洞天平测力试验准备装置，包括隔振底座1、卸载机构2、俯仰运动机构4、滚转运动机构6、多元加载套7以及参考距离测量机构9，其中，俯仰运动机构4及滚转运动机构6通过支架10固定在隔振底座1上，在支架10上安装有俯仰锁紧机构3及滚转锁紧机构5，可根据需要分别对俯仰运动机构4及滚转运动机构6进行锁紧固定；在滚转运动机构6的轴线上设有多元加载套7，并在其上设置有天平姿态测量部件8，对风洞天平的俯仰角度和滚转角度进行测量；卸载机构2安装在隔振底座1中心开孔的地基面上，并利用隔振沟与隔振底座1的地基隔开；在支架10一侧的隔振底座1上还安装有参考距离测量机构9，实现对参考距离的精确测量；

如图2所示，俯仰运动机构4为双扇形结构14，并在双扇形结构14之间固定安装有滚转运动机构6形成整体结构，扇形结构14的中心端通过轴承固定在支架10上端面的两个支撑臂上，使俯仰运动机构4和滚转运动机构6沿着扇形结构14的中心轴转动；在两个扇形结构14的圆弧端面上安装有高精度的弧形齿条16，其与安装在支架10上的高精度驱动齿轮17相啮合匹配，且两个驱动齿轮17通过联轴器15与伺服电机相连接，通过联轴器15及驱动齿轮17，驱动俯仰运动机构4的两个扇形结构14同步转动；伺服电机内部的编码器能够精确测量获得俯仰运动机构的运动角度；在位于俯仰运动机构4双扇形结构14两侧的支架10上端面上设有凸起的基座A18，在基座A18中安装有俯仰锁紧机构3，其通过液压和弹簧，实现对扇形结构14的均匀夹紧，实现对俯仰运动机构4的锁紧；滚转运动机构6中沿垂直与俯仰运动机构4旋转轴线的方向上设置有可进行滚转运动的涡轮蜗杆结构，其通过自带编码器的高精度伺服电机进行驱动并测量滚转运动的角度；在滚转运动机构6后端设有滚转锁紧机构5，其套在滚转运动机构6中的蜗杆上，并通过液压机构和弹簧实现以滚转运动机构6中蜗杆轴线为基准的对称抱闸动作，从而实现滚转运动机构6的均匀锁紧；风洞天平13安装在滚转运动机构6上，使风洞天平13可在俯仰运动机构4和滚转运动机构6的带动下进行俯仰及滚转运动；风洞天平13的前端安装有多元加载套7，其中，多元加载套7包括内套11和外套12，其可以在多元加载套7轴线X方向及垂直轴线水平Y方向上发生可控的相对移动；砝码托盘20通过加载线19安装在多元加载套7的下端，在多元加载套7上安装有天平姿态测量部件8，其中，天平姿态测量部件8包括基座和加速度计，其中，基座安装在多元加载套7的内套11中，并在基座上安装扰性石英加速度计，通过基座保证天平测量部件与多元加载套的相对位置关系，通过挠性石英加速度计实现风洞天平终端俯仰角度和滚转角度的测量，有效避免砝码载荷作用下风洞天平弹性角对风洞天平准度评估带来的影响。

如图3所示，多元加载套7中内套11安装在外套12上，使内套11相对于外套12在X方向旋转轴23的方向上移动，外套12安装在万向节结构中心框架的Y方向导轨26上，使外套12在Y方向旋转轴24的方向上带动内套11整体沿Y方向导轨26移动；万向节结构中心框架结构通过X方向轴承21与外圆环结构固定连接，使内套11、外套12相对于外圆环沿X方向旋转轴23旋转；多元加载套7下端安装砝码托盘20的半圆环结构通过Y方向轴承22安装在外圆环左右水平面的两端，使半圆环结构可相对于外圆环在Y方向旋转轴24旋转；万向节的两个旋转轴交点与砝码托盘20的载荷方向始终重合，使砝码最后方向始终沿铅垂线向下，从而通过多元加载套7内套与外套在X方向和Y方向上的相对移动控制砝码载荷作用点与风洞天平13的相对位置，实现指定大小力矩的产生；当风洞天平13处于指定俯仰角度、指定滚转角度状态时，在砝码托盘20上挂载砝码，砝码载荷将在风洞天平13体轴系上进行分解，产生指定大小的轴向力、法向力、侧向力，多元加载套内套11与多元加载套外套12产生的X方向相对位移由参考距离测量机构9精确测出，多元加载套内套11与多元加载套外套12产生的Y方向相对位移由多元加载套外套12上的标尺精确测出，从而在风洞天平13体轴系上产生指定大小的俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。用采集到的风洞天平13的电压输出，和已有的风洞天平13校准公式反算出风洞天平13受力状况，与作用在风洞天平13上的指定大小的轴向力、法向力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩相比较，实现风洞天平13的准度评估。

如图4所示，卸载机构2包括底板、卸载架、X方向丝杆29以及Z方向丝杆32，其中，在底板上沿X方向安装有X方向导轨30，卸载架安装在底板上的X方向导轨30上，并利用与X方向导轨30平行设置的X方向丝杆29带动卸载架沿X方向移动；在卸载架上设有卸载壳体，其上下两个端面分别形成卸载面I28和卸载面II31，且通过卸载架上安装的Z方向丝杆32带动卸载壳体沿Z方向的导轨上下移动，利用Z方向丝杆32可实现卸载面的快速托起，使得施加在风洞天平上的砝码载荷突然消失，为天平提供阶跃瞬态载荷输入，实现风洞天平的动态特性检测。

如图5所示，参考距离测量机构9包括基座B36、光栅尺35、丝杆33以及导轨34，其中，基座B36为矩形壳体结构，其上下端面平行，并在上端面上平行安装有导轨34，光栅尺35与导轨34方向垂直设置，并通过滑块安装在导轨34上，并利用与导轨34平行设置的丝杆33带动光栅尺35沿导轨34移动；在风洞天平轴线处于水平面时，参考距离测量机构9中导轨的轴线与风洞天平13轴线平行；在光栅尺35上设有零位基准，其前端的尺头与多元加载套7或风洞试验模型配合，实现参考距离的精确测量。

本发明所述的一种风洞天平测力试验准备装置的具体使用过程为：(1)将风洞天平13安装在滚转运动机构6上的安装座上，将多元加载套7安装在风洞天平13前端。在托盘20上挂载指定重量砝码，控制俯仰运动机构4和滚转运动机构6调整风洞天平13姿态到指定角度，该角度由风洞天平姿态测量部件8测出，从而对风洞天平13产生指定大小的三分量力载荷。移动多元加载套外套12，使多元加载套外套12与多元加载套11产生指定大小的相对位移，该位移由参考距离测量机构9测出，从而对风洞天平13产生指定大小的三分量力矩载荷。若风洞天平13属于应变天平，则由风洞天平配套数采系统采集风洞天平13电压输出，进行风洞天平13准度评估计算；若风洞天平13属于压电天平，则卸载机构2快速托起砝码，并由风洞天平配套数采系统采集风洞天平13电压输出，进行风洞天平13准度评估计算。(2)完成风洞天平13准度评估后，将多元加载套7从风洞天平13上拆下，将试验模型安装在风洞天平13前端。(3)完成模型舵、上盖等部件的组装工作。(4)移动参考距离测量机构9上的尺头至模型前端，读取尺头读数，作为试验模型参考距离计算依据。(5)在模型上挂载砝码，由卸载机构2快速托起砝码，为安装在滚转运动机构6上的模型天平系统提供阶跃动态载荷输入，从而进行模型天平系统的动态特性检测。(6)完成以上操作后，可将装有试验模型的风洞天平13从滚转运动机构6上拆下，安装在风洞中，进行风洞试验。

Claims (8)

1.一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：该装置包括隔振底座（1）、卸载机构（2）、俯仰运动机构（4）、滚转运动机构（6）以及多元加载套（7）其中，俯仰运动机构（4）及滚转运动机构（6）通过支架（10）固定在隔振底座（1）上；在滚转运动机构（6）的轴线上设有多元加载套（7），并在其上设有天平姿态测量部件（8），对风洞天平的俯仰角度和滚转角度进行测量；卸载机构（2）安装在隔振底座（1）中心开孔的地基面上，并利用隔振沟与隔振底座（1）的地基隔开，利用卸载机构（2）可将多元加载套（7）下端的砝码托盘快速托起；所述的俯仰运动机构（4）为双扇形结构（14），并在双扇形结构（14）之间设有滚转运动机构（6）形成整体结构；所述的扇形结构（14）的中心端通过轴承固定在支架（10）上端面的两个支撑臂上，使俯仰运动机构（4）和滚转运动机构（6）沿着扇形结构（14）的中心轴转动，实现俯仰运行；所述的滚转运动机构（6）中沿垂直与俯仰运动机构（4）旋转轴线的方向上设置有可进行滚转运动的蜗轮蜗杆结构，其通过自带编码器的高精度伺服电机进行驱动并测量滚转运动的角度。

2.根据权利要求1所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的扇形结构（14）的圆弧端面上设有弧形齿条（16），其与安装在支架（10）上的驱动齿轮（17）相啮合匹配，且驱动齿轮（17）通过联轴器（15）与伺服电机相连接，通过联轴器（15）及驱动齿轮（17），驱动俯仰运动机构（4）的两个扇形结构（14）同步转动；伺服电机内部的编码器能够精确测量获得俯仰运动机构的运动角度。

3.根据权利要求1所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的俯仰运动机构（4）双扇形结构（14）两侧的支架（10）上端面上设有凸起的基座A（18），在所述的基座A（18）中设有俯仰锁紧机构（3），其通过液压和弹簧，实现对扇形结构（14）的均匀夹紧，实现对俯仰运动机构（4）的锁紧。

4.根据权利要求1所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的滚转运动机构（6）上安装有风洞天平（13）；所述的多元加载套（7）设置在风洞天平（13）的前端，其中，多元加载套（7）包括内套（11）和外套（12），所述的内套（11）设置在外套（12）上，使内套（11）相对于外套（12）在X方向旋转轴（23）的方向上移动，外套（12）安装在万向节结构中心框架的Y方向导轨（26）上，使外套（12）在Y方向旋转轴（24）的方向上带动内套（11）整体沿Y方向导轨（26）移动；所述的万向节结构中心框架结构通过X方向轴承（21）与外圆环结构固定连接，使内套（11）、外套（12）相对于所述的外圆环沿X方向旋转轴（23）旋转；所述的多元加载套（7）下端安装砝码托盘（20）的半圆环结构通过Y方向轴承（22）安装在外圆环左右水平面的两端，使半圆环结构可相对于外圆环在Y方向旋转轴（24）旋转。

5.根据权利要求4所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的多元加载套（7）上设有天平姿态测量部件（8），其中，所述的天平姿态测量部件（8）包括基座和加速度计，其中，基座安装在多元加载套（7）的内套（11）中，并在所述的基座上安装扰性石英加速度计。

6.根据权利要求4所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的多元加载套（7）下端通过加载线（19）与砝码托盘（20）相连接，所述的砝码托盘（20）放置于卸载机构（2），利用卸载机构（2）可快速托起砝码托盘，使施加在风洞天平（13）上的砝码载荷突然消失，为风洞天平（13）提供阶跃瞬态载荷输入。

7.根据权利要求1所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的卸载机构（2）包括底板、卸载架、X方向丝杆（29）以及Z方向丝杆（32），其中，在底板上沿X方向安装有X方向导轨（30），卸载架安装在底板上的X方向导轨（30）上，并利用与X方向导轨（30）平行设置的X方向丝杆（29）带动卸载架沿X方向移动；在所述的卸载架上设有卸载壳体，其上下两个端面分别形成卸载面I（28）和卸载面II（31），且通过卸载架上安装的Z方向丝杆（32）带动卸载壳体沿Z方向的导轨上下移动，利用Z方向丝杆（32）可实现卸载面的快速托起。

8.根据权利要求1所述的一种风洞天平测力试验准备装置，其特征在于：所述的隔振底座（1）上还设有参考距离测量机构（9），所述的参考距离测量机构（9）设置在支架（10）的一侧；所述的参考距离测量机构（9）包括基座B（36）、光栅尺（35）、丝杆（33）以及导轨（34），其中，基座B（36）为矩形壳体结构，其上下端面平行，并在上端面上平行安装有导轨（34），光栅尺（35）与导轨（34）方向垂直设置，并通过滑块安装在导轨（34）上，并利用与导轨（34）平行设置的丝杆（33）带动光栅尺（35）沿导轨（34）移动；在风洞天平（13）轴线处于水平面时，所述的参考距离测量机构（9）中导轨的轴线与风洞天平（13）轴线平行；在所述的光栅尺（35）上设有零位基准，其前端的尺头与多元加载套（7）或风洞试验模型配合，实现参考距离的精确测量。