CN103267642B - 一种适用于测量1n至300n推力的发动机推力架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，包括推力测量台架与推力测量组件、推力标定组件；推力标定组件中标定定位销与推力测量横梁固定，标定定位销内部固定标定端头，标定端头内部固定标定细丝，标定细丝通过滑轮牵引砝码桶；推力测量组件中测量定位销与推力测量横梁固定，推力传感器两端分别固连测量定位销与推力顶尖，使推力顶尖推力施加端与推力测量底座上推力作用台推力作用端相对。由此通过法码桶中放入不同重量砝码牵引推力测量横梁，由推力传感器测量可得到推力标定曲线；通过推力测量组件结合推力标定曲线即可测得发动机推力。本发明的优点为：实现小推力测量，且测量范围广，可满足多台发动机试车要求，精度高，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机推力测量装置，属于航天发动机技术领域，具体来说，是一种具有推力测量与标定组件的，用于测量空间1N至300N推力的发动机推力架。
背景技术
推力测量实验是考核火箭发动机的最直接有效地方法，然而推力测量是试验中最重要的测量参数之一，只有获得实际测量的推力才能获得发动机的实际性能参数，进而完成发动机的设计和研制等工作。
在航天领域一般把小于等于1N的推力称为微推力，1N至1600N的推力为小推力，1600N以上为大中型推力。目前对于微推力的测量方式比较多（如目标靶、天平、悬摆和光学等方法），大中型推力一般采用直接顶推测量法。但对于小推力的测量，上述两种方法都存在很大弊端：其中，微推力测量方式为了追求精确测量推力的微小程度，一般采用的测量器件比较娇贵，测量系统复杂；而大推力测量方式的精度又太差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种具有推力测量与标定组件的发动机推力架，为简单、精确的测量小推力发动机的推力提供一个可行的方案。
一种具有推力测量与标定组件的发动机推力架，包括推力测量台架、推力测量组件与推力标定组件。
其中，推力测量台架包括推力测量支撑台、推力测量横梁与推力测量支架；推力测量支撑台顶面与底面间竖直固定有推力测量中轴；推力测量支撑台内部固定有水平设置的推力测量支架；所述推力测量横梁中心位置具有贯穿推力测量横梁上下表面的套接通孔，推力测量横梁通过套接通孔水平套接固定在推力测量中轴上；推力测量横梁左半部分与右半部分对称位置分别设计有至少两组定位平面；每组定位平面包括测试平面与固定平面；每组定位平面中的测试平面与固定平面分别对称设计于推力测量横梁的左右两侧面上；且每组定位平面中的测试平面与固定平面中心位置对应开有安装孔；每组定位平面用来安装一套推力测量组件或推力标定组件。
所述推力标定组件包括标定定位销、标定细丝、标定端头、砝码桶、滑轮与标定底座；其中，标定定位销的连接端穿过定位平面中测试平面与固定平面上的安装孔与推力测量横梁固定；标定定位销的固定端用来连接被测发动机；所述标定端头为杆状结构，固定安装于标定定位销内部；标定细丝的固定端位于标定端头内部，与标定端头固定，且标定细丝与标定端头同轴；标定细丝搭接在滑轮周向上开设的凹槽内，实现标定细丝左右方向定位，标定细丝的牵引端固定连接有砝码桶；上述滑轮通过轴承轴接在标定底座上，标定底座通过调节垫片固定在推力测量支架上。
所述推力测量组件包括测量定位销、推力传感器、推力顶尖、推力作用台与推力测量底座；其中，测量定位销穿过定位平面中测试平面与固定平面上的安装孔，使测量定位销与推力测量横梁固定；测量定位销的连接端与推力测量传感器的固定端固定；推力测量传感器的连接端安装有推力顶尖；推力顶尖为由顶尖尖杆与顶尖端面构成；其中，顶尖尖杆与顶尖端面间垂直连接；顶尖尖杆的尖端垂直插入推力传感器的安装端后，与推力传感器紧配合固定；顶尖端面作为推力施加端；推力作用台为由作用台尖杆与作用台端面构成，作用台尖杆与作用台端面间垂直连接，作用台尖杆插入推力测量底座后，与推力测量底座间固定，使作用台端面正对推力顶尖中的顶尖端面，从而使作用台端面作为推力作用面；推力作用面与推力施加端相对设置。
本发明的优点在于：
1、本发明发动机推力架，采用横梁式结构，运用杠杆原理测量小推力，测量范围广，结构简单，测量精度高；
2、本发明发动机推力架中横梁采用桁架结构，强度强、质量轻；
3、本发明发动机推力架中横梁中采用精加工测试安装平面连接发动机，定位精确（形位公差±0.05mm），同时还可以满足不同发动机推力的缩小、放大的测量；
4、本发明发动机推力架中横梁上的测试安装平面采用180度轴对称方式排列，可有效减小由于横梁轴两端重量不对称所带来的摩擦，同时可满足多台发动机推力测量；
5、本发明发动机推力架中采用平推式方法安装发动机，使得测量不受标定部件、发动机等重量变化带来的影响；
6、本发明发动机推力架中在测量发动机推力时，采用无位移量的固定式推力传感器，避免了位移带来的弹性力以及与发动机相连的管路等部件产生的其他弹性力的影响；
7、本发明发动机推力架中推力测试时采用点接触式的推力顶尖和推力作用台，克服了在测量推力时作用点不确定的弊端；
8、本发明发动机推力架中标定端头采用可拆卸结构，可根据标定力的大小选取不同规格的端头，因此可置换性强，标定误差小，通用方便；
9、本发明发动机推力架在对300N的拉力进行标定时，标定细丝端头采用压紧变形处理的固定方式，保证细丝与工装的同轴度0.1mm以内，保证了力的方向和作用点；同时压紧固定方式固定牢靠，载重大，安全系数高；
10、本发明发动机推力架中采用套筒形式的细丝定位方法，利用工件的同轴度保证拉力的方向与标定定位销同轴，进而保证了标准力方向水平；
11、本发明发动机推力架中推力顶尖的着力部分采用轴承钢珠，硬度高，表面光滑，来源容易节省加工工时和费用；推力作用台采用镶嵌硬质合金做受力面，硬度强，避免了长时间工作使受力面有凹槽导致接触点不确定的弊端，保证了推力作用点的位置，配合推力顶尖使用有重复性好，精度高，应用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明发动机推力架整体结构示意图；
图2为本发明发动机推力架中推力测量横梁结构示意图；
图3为本发明发动机推力架中推力标定组件结构示意图；
图4为推力标定组件中标定端头结构示意图；
图5为本发明发动机推力测量装置中推力测量组件结构示意图；
图6为推力测量系统中推力顶尖结构示意图；
图7为推力测量系统中推力作用台结构示意图；
图8为采用鱼线作为标定细丝后与标定端头间的固定方式。
图中：
1-推力测量台架 2-推力标定组件 3-推力测量组件
101-推力测量支撑台 101a-连接板 101b-推力测量中轴
101c-推力测量支架 102-推力测量横梁 102a-定位平面
102b-测试平面 102c-固定平面 102d-安装孔
102e-固定孔 201-标定定位销 202-标定细丝
203-标定端头 203a-头杆 203b-尾杆
203c-紧固螺帽 203d-结 203e-锥形收缩孔
204-砝码桶 205-滑轮 206-标定底座
301-测量定位销 302-推力传感器 303-推力顶尖
303a-顶尖尖杆 303b-顶尖端面 303c-顶头
304-推力作用台 304a-作用台尖杆 304b-作用台端面
305-推力测量底座
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步说明。
本发明发动机推力测量装置，包括推力测量台架1、推力标定组件2与推力测量组件3，如图1所示。
其中，推力测量台架1包括推力测量支撑台101、推力测量横梁102与推力测量支架101c；推力测量支撑台101为矩形框架结构，顶面与底面上安装有连接板101a，顶面与底面上的连接板101a间竖直固定有推力测量中轴101b，用来安装推力测量横梁102。推力测量支撑台101内部固定有水平设置的矩形框架结构推力测量支架101c，推力测量支架101c通过连接架与水平固定面固定，通过推力支撑架支撑固定推力标定组件2与推力测量组件3。
所述推力测量横梁102为具有一定长度的桁架结构，如图2所示，中心位置具有贯穿推力测量横梁102上下表面的套接通孔，由此推力测量横梁102通过套接通孔水平套接在推力测量中轴101b上，位于推力测量支架101c上方；且推力测量横梁102与推力测量中轴101b间，通过周向上六方向均布的螺栓穿过推力测量中轴101b周向上设计的配合面，实现推力测量横梁102与推力测量中轴101b间的固定。
上述推力测量横梁102左半部分与右半部分对称位置分别设计有至少两组定位平面102a；每组定位平面102a包括测试平面102b与固定平面102c；每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c分别对称设计于推力测量横梁102的左右两侧面上；且每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c中心位置对应开有安装孔102d。由此推力测量横梁102中每组定位平面102a可用来安装推力标定组件2或推力测量组件3，且每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d可用来实现推力标定组件2或推力测量组件3与推力测量横梁102间的推力施加与传递，同时保证作用力的方向与安装孔102d同轴方向。上述推力测量横梁102的左半部分与右半部分上的定位平面102a对称设计（采用180度轴对称方式排列），实现当左半部分定位平面102a上进行推力测量时，通过在右半部分对称的定位平面102a上安装配重，保证测量过程中，推力测量横梁102始终保持水平，有效减小由于推力测量横梁102两端重量不对称所带来的摩擦，进一步提高了测量的精度。
所述推力标定组件2包括标定定位销201、标定细丝202、标定端头203、砝码桶204、滑轮205与标定底座206，如图3所示。
其中，标定定位销201的固定端具有连接面（法兰盘结构），用来通过转接法兰连接被测发动机；标定定位销201的连接端依次穿过一组定位平面102a中测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d，使标定定位销201固定端的连接面与测试平面102b配合固定，且使标定定位销201与安装孔102d间紧配合，来保证推力的作用方向与推力测量横梁102上的安装孔102d的轴线同轴；所述标定端头203为由空心头杆203a与空心尾杆203b构成的可拆卸结构，如图4所示；头杆203a插入标定定位销201内部；尾杆203b与头杆203a同轴设置，尾杆203b的前端与头杆203a的末端配合连接，尾杆203b与标定定位销201间同轴配合定位，并通过紧固螺帽203c将尾杆203b与标定定位销201间拧紧固定，实现尾杆203b与标定定位销201间的定位，以及标定端头203间的可拆卸连接，由此可根据标定力的大小选取不同规格的标定端头203，置换性强，标定误差小，通用方便。所述标定细丝202由尾杆203b的末端开设的小孔穿入标定端头203内，与头杆203a前端固定；由此根据标定细丝202与通孔间的同轴度判断力的方向，进而调节滑轮205的高度保证力与标定定位销201同轴，同时避免了标定细丝202与标定端头203间接触摩擦力的影响。标定细丝202搭接在滑轮205周向上开设的凹槽内，由此实现标定细丝202左右方向定位，且通过滑轮205实现标定细丝202的引导；标定细丝202的牵引端固定连接有砝码桶204。上述滑轮205通过轴承轴接在标定底座206上，标定底座206通过调节垫片固定在推力测量支架101c上，从而实现标定系统的整体定位。
所述推力测量组件3包括测量定位销301、推力传感器302、推力顶尖303、推力作用台304与推力测量底座305，如图5所示。
其中，测量定位销301固定端具有连接面（法兰盘结构），测量定位销301的连接端依次穿过一组定位平面102a中测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d，使测量定位销301固定端的连接面与测试平面102b间固定，且使测量定位销301与安装孔102d间紧配合，来保证推力的作用方向于推力测量横梁102上的安装孔102d的轴线同轴。所述推力传感器302的固定端与测量定位销301的连接端套接，紧配合固定；推力传感器302的连接端安装有推力顶尖303；推力顶尖303为由顶尖尖杆303a与顶尖端面303b构成，如图6所示；其中，顶尖尖杆303a与顶尖端面303b间垂直连接形成一个T形结构；顶尖尖杆303a的尖端垂直插入推力传感器302的安装端后，与推力传感器302紧配合固定；顶尖端面303b作为推力施加面。所述推力作用台304固定安装在推力测量底座305上，推力测量底座305固定安装在推力测量支架101c上；推力作用台304为由作用台尖杆304a与作用台端面304b构成，作用台尖杆304a与作用台端面304b间垂直连接形成一个T形结构，如图7所示，作用台尖杆304a插入推力测量底座305后，与推力测量底座305间固定，使作用台端面304b正对推力顶尖303中的顶尖端面303b，从而使作用台端面304b作为推力作用面。本发明中顶尖端面303b上通过连接件夹紧固定有球形顶头303c，作为推力施加端；顶头303c采用轴承钢珠，硬度高，表面光滑，来源容易节省加工工时和费用；且本发明中作用台端面304b外侧上开有凹槽，凹槽内嵌入硬度很强的硬质合金，由此使硬质合金作为推力作用面，与推力顶尖303中顶头303c相对。通过上述设计有效避免了因推力测量组件3长时间工作使推力作用面变形产生凹槽，导致推力施加端与推力作用端间的接触点（推力作用点）不确定的弊端，保证了推力作用点的位置，且重复性好，应用寿命长，有效提高了推力测量精度。
通过上述结构推力测量装置，在进行发动机推力测量时，首选需根据被测发动机的测量范围的要求和发动机的试车要求，选取适合的定位平面102a，并对选取的定位平面102a进行推力标定，获得推力标定曲线，具体为：
在选取的定位平面102a上安装推力标定组件2，同时在相邻定位平面102a上安装推力测量组件3（也可根据被测发送机的推力大小选择其它定位平面102a上安装推力测量组件3，实现被测发动机推力的放大与缩小测量）；由此，推力标定组件2的砝码桶204通过自身重力使推力测量横梁102产生一个预紧力，从而消除动摩擦及其他形变力带来的误差；同时通过砝码桶204可对标定细丝202提供预紧力，使标定细丝202处于张紧状态，此时标定细丝202的轴线与标定端头203的轴线重合，且使推力测量组件3中推力顶尖303的顶头303c与推力作用台304的作用台端面304b顶紧，由此使得整个推力标定组件2不会产生位移，因而消除了动摩擦及其他形变力的干扰，此外标定定位销201和推力测量横梁102及推力传感器302采用的紧配合，保证施加力的方向与标定定位销201同轴，由此作用力的方向和作用点都通过组件的形位公差来保证在（±0.05mm）内，同时又消除了动摩擦及位移带来的其他形变力的影响，因此使得标定测量精度得以提高。随后在砝码桶204内放入不同质量的砝码，使砝码桶204通过标定细丝202向推力测量横梁102中标定定位销201固定位置处施加拉力，随后通过推力测量组件3，测得不同质量砝码下的推力电信号，从而得到标定系统所安装的定位平面102a对应的推力与砝码质量标定曲线，实现选取的定位平面102a推力标定。
在对选取的定位平面102a进行推力标定后，即可进行推力测量，首先在推力标定组件2中推力标定定位销标的固定端通过转接法兰连接被测发动机；取出砝码桶中的全部砝码，同样砝码桶204通过自身重力使推力测量横梁102产生一个预紧力，并对标定细丝202提供预紧力；随后启动被测发动机，由被测发动机产生的推力通过测量定位销301作用到推力传感器302的上作用端产生一个向右的力，而推力传感器302的连接端由顶尖端面303b与作用台端面304b间的顶紧作用，不会产生位移，因而没有动摩擦力和其他形变力的干扰，只是产生一个横向的应力，从而推力传感器302即可测得此横向应力进而转化成被测发动机的推力电信号，通过测得的推力电信号结合推力标定组件2测得的推力测量组件3所在定位平面102a对应的推力标定曲线，即可得到相应的发动机推力。
本发明中每组定位平面102a中的固定平面102c上还开有固定孔102e，用来连接固定件，通过固定件实现推力测量横梁102与推力测量支架101c间的固定，如图1所示，由此在被测发动机安装的过程中，防止推力测量横梁102来回摆动，甚至于摆幅过大时损坏推力测量中轴101b两端的枢轴（枢轴是中轴的核心部件，枢轴因只有很小的摩擦阻力，从而使得横梁能在中轴上自由运动），导致枢轴摩擦力增大从而影响测量精度；另外保护横梁不会震动及大范围的摆动，避免碰到其他物体使得横梁形变，而导致整个推力架不能正常使用。
为保证测量的精度，以及系统的安全考虑，本发明采用两种标定细丝202分别为钢丝绳和鱼线两种固定方式：在较大标定力（10N-300N）时，为保证推力作用点的精度，同时保证标定细丝202不被拉断，此时采用φ1的钢丝绳为标定细丝202，通过压紧抱死标定端头203的头杆203a，将标定细丝202压紧抱死固定在标定端头203内。在较小的标定力（1N-10N）时，为保证精度及实际可操作性，本发明采用φ0.3的鱼线作为标定细丝202，且标定端头203中的头杆203a前端设计有通孔，如图8所示，由此使标定细丝202一端由标定端头的尾杆203b末端穿入后，由头杆203a前端的通孔穿出并打结，使结203d与通孔配合，实现标定细丝202与标定端头203间的固定；所述通孔前端为锥形收缩孔203e，使鱼线的结203d与收缩孔203e配合，由此由于鱼线很细，且加上锥形收缩孔203e的自稳定性，可保证同轴度在0.05mm以内，保证了拉力的方向和作用点。
Claims (10)
1.一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：包括推力测量台架、推力测量组件与推力标定组件；
其中，推力测量台架包括推力测量支撑台、推力测量横梁与推力测量支架；推力测量支撑台顶面与底面间竖直固定有推力测量中轴；推力测量支撑台内部固定有水平设置的推力测量支架；所述推力测量横梁中心位置具有贯穿推力测量横梁上下表面的套接通孔，推力测量横梁通过套接通孔水平套接固定在推力测量中轴上；推力测量横梁左半部分与右半部分对称位置分别设计有至少两组定位平面；每组定位平面包括测试平面与固定平面；每组定位平面中的测试平面与固定平面分别对称设计于推力测量横梁的左右两侧面上；且每组定位平面中的测试平面与固定平面中心位置对应开有安装孔；每组定位平面用来安装一套推力测量组件或推力标定组件；
所述推力标定组件包括标定定位销、标定细丝、标定端头、砝码桶、滑轮与标定底座；其中，标定定位销的连接端穿过定位平面中测试平面与固定平面上的安装孔与推力测量横梁固定；标定定位销的固定端用来连接被测发动机；所述标定端头为杆状结构，固定安装于标定定位销内部；标定细丝的固定端位于标定端头内部，与标定端头固定，且标定细丝与标定端头同轴；标定细丝搭接在滑轮周向上开设的凹槽内，实现标定细丝左右方向定位，标定细丝的牵引端固定连接有砝码桶；上述滑轮通过轴承轴接在标定底座上，标定底座通过调节垫片固定在推力测量支架上；
所述推力测量组件包括测量定位销、推力传感器、推力顶尖、推力作用台与推力测量底座；其中，测量定位销穿过定位平面中测试平面与固定平面上的安装孔，使测量定位销与推力测量横梁固定；测量定位销的连接端与推力测量传感器的固定端固定；推力测量传感器的连接端安装有推力顶尖；推力顶尖为由顶尖尖杆与顶尖端面构成；其中，顶尖尖杆与顶尖端面间垂直连接；顶尖尖杆的尖端垂直插入推力传感器的安装端后，与推力传感器紧配合固定；顶尖端面作为推力施加端；推力作用台为由作用台尖杆与作用台端面构成，作用台尖杆与作用台端面间垂直连接，作用台尖杆插入推力测量底座后，与推力测量底座间固定，使作用台端面正对推力顶尖中的顶尖端面，从而使作用台端面作为推力作用面；推力作用面与推力施加端相对设置。
2.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述标定端头为由空心头杆与空心尾杆构成的可拆卸结构；其中，尾杆与头杆同轴设置，尾杆的前端与头杆的末端配合连接；头杆插入标定定位销内部；尾杆与标定定位销间同轴配合定位，并通过紧固螺帽将尾杆与标定定位销间拧紧固定。
3.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述定位平面中的固定平面上还开有固定孔，用来连接固定件，通过固定件实现推力测量横梁与推力测量支架间的固定。
4.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述标定细丝为φ1的钢丝绳，标定细丝的固定端通过压紧抱死的方式与标定端头固定，适用于测量10N-300N推力。
5.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述标定细丝为φ0.3的鱼线，标定细丝的固定端穿出标定端头前端通孔后打结，将结与通孔配合，实现固定细丝与标定端头间的固定，适用于测量1N-10N推力。
6.如权利要求5所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述通孔前端为锥形收缩孔，使鱼线的结与收缩孔配合定位。
7.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述推力测量横梁采用桁架结构。
8.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述顶尖端面上通过连接件夹紧固定有球形顶头，作为推力施加端。
9.如权利要求1所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述作用台端面外侧上开有凹槽，凹槽内嵌入硬质合金，使硬质合金作为推力作用面。
10.如权利要求8所述一种适用于测量1N至300N推力的发动机推力架，其特征在于：所述顶头采用轴承钢珠。
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