CN103968982B - 基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其包括弹体支撑架、弹性铰链、过渡支撑架和气浮轴承，气浮轴承包括气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子、气浮轴承转子和气浮轴承定子后堵块，并且气浮轴承定子前堵块和气浮轴承定子上分别安装有节流器，弹体支撑架、过渡支撑架和气浮轴承转子彼此之间牢固连接，气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子和气浮轴承定子后堵块彼此之间牢固连接，弹性铰链的前端与弹体支撑架牢固连接，弹性铰链的后端与气浮轴承定子前堵块牢固连接，气浮轴承定子与气浮轴承转子之间具有径向间隙和轴向间隙。本装置阻尼极低，能够分别对固定姿态试验模型的静态滚转力矩和动态滚转阻尼力矩进行高精度测量，能够更好满足各类飞行器高精度滚转力矩测量的要求。

Description

基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，特别是一种针对高超声速飞行器小不对称滚转力矩测量的高精度测量装置。

背景技术

高超声速飞行器再入飞行过程中的气动热烧蚀效应会使飞行器外形小不对称，从而引起小的滚转力矩。该小不对称滚转力矩会诱发飞行器滚转过零、滚转共振等现象，从而进一步导致飞行器运动以及结构发散，造成严重飞行事故。因此，必须采用低阻尼、抗其它通道载荷干扰的滚转力矩测量系统对小量滚转力矩进行准确测量。

早期国内高精度滚转力矩天平采用滚珠轴承等机械轴承装置来抑制径向和轴向载荷，从而对飞行器滚转力矩进行测量。但实践表明，即使是最精密的A、B级轴承，其机械阻尼也与待测量的小不对称滚转力矩相当，不能满足小不对称滚转力矩所要求的小于10-6量级要求。

后期出现的基于气浮轴承的自由滚转试验技术能够满足低阻尼要求，但是自由滚转试验技术所测量结果为平均量，不能够获得固定姿态模型的滚转力矩；而改造后的可进行固定姿态滚转力矩测量的系统，由于天平裸露在模型底部，不仅对测量干扰较大，而且仅能够对静态力矩进行测量，不能够测量动态阻尼力矩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，以对高超声速飞行器、尤其是对固定姿态下高超声速飞行器小不对称滚转力矩进行高精度测量。

本发明的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置包括弹体支撑架、弹性铰链、过渡支撑架和气浮轴承，所述气浮轴承包括气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子、气浮轴承转子和气浮轴承定子后堵块，并且所述气浮轴承定子前堵块和所述气浮轴承定子上分别安装有节流器，所述弹体支撑架、所述过渡支撑架和所述气浮轴承转子彼此之间牢固连接，所述气浮轴承定子前堵块、所述气浮轴承定子和所述气浮轴承定子后堵块彼此之间牢固连接，所述弹性铰链的前端与所述弹体支撑架牢固连接，所述弹性铰链的后端与所述气浮轴承定子前堵块牢固连接，所述气浮轴承定子与气浮轴承转子之间具有径向间隙和轴向间隙。

优选所述弹体支撑架与试验模型锥配合，所述气浮轴承转子的后端与所述试验模型牢固连接，由此将所述基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置安装于所述试验模型内。

优选所述弹性铰链、所述气浮轴承定子前堵块、所述气浮轴承定子和所述气浮轴承定子后堵块各自具有气路通道，这些气路通道彼此连通，气源从所述气浮轴承定子后堵块尾部的通气孔向彼此连通的所述气路通道内供气。

优选气流通过彼此连通的所述气路通道经由节流器进入所述气浮轴承定子和所述气浮轴承转子之间的缝隙，形成气浮效应。

优选所述气源压力范围为0.5～1MPa。

优选所述弹性铰链包括四个应变梁，且在所述应变梁上粘贴有应变片。

优选根据调整静态滚转力矩测量精度和动态滚转阻尼力矩测量的减缩频率来改变所述应变梁厚度。

优选根据试验模型的滚转力矩的扭转载荷确定弹性铰链应变梁的材料和厚度，对固定姿态的试验模型的静态滚转力矩进行测量。

优选根据试验模型所要求的减缩频率确定弹性铰链的应变梁的材料和厚度，对固定姿态的试验模型的动态滚转阻尼力矩进行测量。

发明效果

(1)本发明采用气浮轴承能够保证测量装置自身阻尼在10^-7的低阻尼量级，且径向和轴向的气浮作用有效消除了法向力和轴向力对滚转力矩的干扰，因此可以充分减小应变梁厚度，以提高静态滚转力矩测量精度。同时，还可以通过调整应变梁厚度来调整系统减缩频率。

(2)本发明在保证低阻尼的同时，能够对固定姿态下试验模型的滚转力矩进行高精度测量，且能够分别对静态滚转力矩和动态滚转阻尼力矩进行测量。

(3)本发明所用气浮轴承及弹性铰链均位于试验模型内部，对试验干扰较小。

附图说明

图1为基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置的结构示意图。

图2(1)、(2)为弹性铰链的结构示意图。

图3为信号线引出方式示意图。

图4(1)、(2)为气浮轴承定子前堵块的结构示意图。

图5(1)、(2)为气浮轴承定子的结构示意图。

符号说明

1弹体支撑架

2弹性铰链

3过渡支撑架

4气浮轴承定子前堵块

5节流器

6气浮轴承定子

7气浮轴承转子

8气浮轴承定子后堵块

9气浮轴承

10试验模型

201应变梁

202应变片

301信号线

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明实施方式进行说明。

如图1所示，一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，包括弹体支撑架1、弹性铰链2、过渡支撑架3和气浮轴承9。

气浮轴承9包括气浮轴承定子前堵块4、节流器5、气浮轴承定子6、气浮轴承转子7和气浮轴承定子后堵块8。

在进行试验时，将基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置安装于试验模型10内。

弹体支撑架1位于基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置前端，为轴对称外形。前部为锥形，与模型锥配合连接，后端分别与过渡支撑架3及弹性铰链2固连，并通过与过渡支撑架3的连接与气浮轴承转子7固连一体。为减轻本发明所述装置整体重量，可对弹体支撑架1进行打孔减重。

弹性铰链2包括四个应变梁，应变片粘贴在应变梁上。应变梁呈间距90°等角度分布，可通过改变应变梁的材料和厚度来调节静态滚转力矩测量精度和动态滚转阻尼力矩测量时系统的减缩频率。弹性铰链2前端与弹体支撑架1固连，后端与气浮轴承定子6固连。如附图2所示，弹性铰链2后端内部气路与气浮轴承定子6连通，并通过气浮轴承前堵块4所安装的节流器5形成与气浮轴承定子6和气浮轴承转子7前端之间的气浮效应，以抵抗模型所受轴向气动载荷。如图2所示，弹性铰链2包含4个一体化加工的呈90°角度分布的应变梁201，应变梁上粘贴应变片202。基于常规风洞天平设计加工要求，弹性铰链2整体材料为马氏体时效钢00Ni18Co8Mo5TiA1，应变片202基底材料为改性酚醛，电阻丝材料可选卡玛合金或康铜。弹性铰链2的应变梁201与应变片202形状均为矩形，具体尺寸按照试验载荷要求设计。风洞试验时，试验模型10受到滚转力矩作用引起力矩梁201和应变片202扭转变形，导致应变片内埋电阻丝电阻变化，作为试验模型10所受滚转力矩电信号输出。

过渡支撑架3前端与弹体支撑架1固连，后端与气浮轴承转子7固连，其作用为固定支撑模型，并协助形成弹性铰链2分别与气浮轴承定子6和气浮轴承转子7固连状态，从而达到试验模型受滚转载荷作用而转动时，弹性铰链2能够在气浮轴承转子7作用下发生弹性变形。过渡支撑架3需表面打孔减重，同时弹性铰链信号线301可经由其表面孔洞向后引出，见附图3。

气浮轴承定子前堵块4为弹性铰链2和气浮轴承定子6的连接部件，其内部气路与气浮轴承定子6和弹性铰链2连通。通过安装节流器5，形成与气浮轴承定子6和气浮轴承转子7前端之间的气浮效应，以抵抗模型所受轴向气动载荷。节流器5安装形式如附图4所示，其数量可以根据具体试验所要求消除的轴向载荷而确定。

气浮轴承定子6前端与气浮轴承定子前堵块4固连，且内部气路连通；后端与气浮轴承定子后堵块8固连，且内部气路连通。其外部即为气浮轴承转子7。气浮轴承定子6主轴轴向安装不少于两个截面的节流器5，负责与气浮轴承转子7形成气浮效应，以抵抗径向气动载荷；后部平面安装一个轴向的节流器5，与气浮轴承转子7形成气浮效应，以抵抗轴向气动载荷。由此，气源经由气浮轴承定子后堵块8进入整个气浮轴承9，且形成气浮效应。气浮轴承定子6结构示意图见附图5，节流器5数量可以根据具体试验所要求消除的径向和轴向载荷而确定。

气浮轴承转子7与弹体支撑架1、过渡支撑架3以及试验模型10固连一体，当试验模型10受到滚转力矩作用时，能够相对气浮轴承定子6发生滚转位移，从而带动弹性铰链2的力矩梁201及应变片202的扭转变形，从而输出滚转力矩的电信号。气浮轴承转子7与气浮轴承定子6轴向和径向间隙范围为0.1mm～0.5mm，当未对气浮轴承9供气时，气浮轴承转子7和气浮轴承定子6会发生接触；当对气浮轴承9供气后，在气浮轴承定子前堵块4及气浮轴承定子6上所安装节流器5的作用下形成气浮效应，从而进入工作状态。同时，应根据具体试验情况，在气浮轴承转子7后端平面打孔，以便于使弹性铰链2的信号线301从试验模型10后部引出，见附图3所示。

气浮轴承定子后堵块8前端与气浮轴承定子6连接，且内部气路连通，从而与气浮轴承定子前堵块4、节流器5、气浮轴承定子6、气浮轴承转子7构成气浮轴承9。后端与支杆连接，并将整个附带试验模型10的测量装置安装在风洞中。气浮轴承定子后堵块8后端可插入铜管或橡胶管，以便连接气源进行供气，所插管路置于支杆内部。

具体实施过程中，弹体支撑架1、过渡支撑架3和气浮轴承转子7分别通过螺栓彼此牢固连接，弹体支撑架1与试验模型10锥配合，气浮轴承转子7后端与试验模型10采用螺钉牢固连接。由此，将气浮轴承转子7与试验模型10牢固连接成一体。

气浮轴承定子前堵块4、气浮轴承定子6和气浮轴承定子后堵8块彼此之间采用螺钉牢固连接。同时，弹性铰链2、气浮轴承定子前堵块4、气浮轴承定子6和气浮轴承定子后堵块8各自的气路通道彼此连通，气源从气浮轴承定子后堵块8的尾部通气孔供气，气源压力范围为0.5～1MPa。气流通过以上连通的气路经由气浮轴承定子前堵块4上所安装的节流器5、以及在气浮轴承定子6周向和后端所安装的节流器5进入气浮轴承定子6和转子7之间的缝隙，使气浮轴承径向和轴向气浮。由此，气浮轴承能够形成工作状态。

弹性铰链2前端与弹体支撑架1采用螺栓牢固连接，弹性铰链2后端与气浮轴承定子4前堵块采用螺钉牢固连接。由此，当试验模型10受到滚转力矩作用时，试验模型10带动气浮轴承转子7相对于气浮轴承定子6产生扭转，引起弹性铰链2的应变梁201和应变片202变形，从而输出滚转力矩信号。

上述通过螺钉及螺栓彼此牢固连接在一起的部件，也可采用其他方式进行连接，只要能够牢固地联结在一起即可。

本发明的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置既能够对特定姿态试验模型的静态滚转力矩进行测量，也能够对特定姿态试验模型的滚转动态阻尼力矩进行测量。

基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置的使用过程如下：

(1)对于静态滚转力矩测量

试验前根据试验模型的滚转力矩的扭转载荷确定弹性铰链活动应变梁的材料和厚度。然后将整套试验装置安装在试验模型的内部，支杆与气浮轴承定子后堵块8连接，通过支杆将整个装置固定在风洞中。应变片信号线经由模型内部空腔从模型底部引出。开始试验前，首先将压力范围为0.5～1MPa的气源与基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置连通，从而形成气浮轴承定子6和气浮轴承转子7之间的气浮效应。当开展风洞试验时，试验模型所受滚转力矩带动气浮轴承转子扭转，引起弹性铰链2的应变梁和应变片变形，从而输出静态滚转力矩信号。

(2)对于滚转动态阻尼力矩测量

试验前根据试验模型所要求的减缩频率确定弹性铰链的活动应变梁的材料和厚度。然后将整套试验装置安装在试验模型内部，支杆与气浮轴承定子后堵块8连接，通过支杆将整个装置固定在风洞中。应变片信号线经由模型内部空腔从模型底部引出。开始试验前，首先将压力范围为0.5～1MPa气源与基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置连通，，从而形成气浮轴承定子6和气浮轴承转子7之间的气浮效应。当开展风洞试验时，通过外部设备对模型施加运动初始扰动，弹性铰链的刚性使试验模型形成自由振荡运动，同时输出应变片变形产生的滚转力矩动态信号。将动态信号进行气动辨识，即可获得滚转动态阻尼力矩参数。

综上所述，本发明的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置采用气浮轴承能够保证测量装置自身阻尼在10^-7的低阻尼量级，且由于径向和轴向的气浮作用有效消除了法向力和轴向力对滚转力矩的干扰，因此可以充分减小活动应变梁厚度以提高静态滚转力矩测量精度，并且可通过调整活动应变梁厚度来调整动态滚转阻尼力矩测量时的系统减缩频率。同时，本发明能够对固定姿态试验模型静态滚转力矩和动态滚转阻尼力矩进行测量，且所用气浮轴承及弹性铰链2均位于试验模型内部，对试验干扰较小。与现有技术比较而言，本发明能够更好的满足各类飞行器高精度滚转力矩测量需求。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于，包括弹体支撑架、弹性铰链、过渡支撑架和气浮轴承，

所述气浮轴承包括气浮轴承定子前堵块、气浮轴承定子、气浮轴承转子和气浮轴承定子后堵块，并且所述气浮轴承定子前堵块和所述气浮轴承定子上分别安装有节流器，

所述弹体支撑架、所述过渡支撑架和所述气浮轴承转子彼此之间牢固连接，

所述气浮轴承定子前堵块、所述气浮轴承定子和所述气浮轴承定子后堵块彼此之间牢固连接，

所述弹性铰链的前端与所述弹体支撑架牢固连接，所述弹性铰链的后端与所述气浮轴承定子前堵块牢固连接，

所述气浮轴承定子与所述气浮轴承转子之间具有径向间隙和轴向间隙。

2.根据权利要求1所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：所述弹体支撑架与试验模型锥配合，所述气浮轴承转子的后端与所述试验模型牢固连接，由此将所述基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置安装于所述试验模型内。

3.根据权利要求1所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：所述弹性铰链、所述气浮轴承定子前堵块、所述气浮轴承定子和所述气浮轴承定子后堵块各自具有气路通道，这些气路通道彼此连通，气源从所述气浮轴承定子后堵块尾部的通气孔向彼此连通的所述气路通道内供气。

4.根据权利要求3所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：气流通过彼此连通的所述气路通道经由节流器进入所述气浮轴承定子和所述气浮轴承转子之间的所述轴向间隙和所述径向间隙，形成气浮效应。

5.根据权利要求3所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：所述气源的压力范围为0.5～1MPa。

6.根据权利要求1或3所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：所述弹性铰链包括四个应变梁，且在所述应变梁上粘贴有应变片。

7.根据权利要求6所述的基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：根据试验模型的滚转力矩的扭转载荷确定所述弹性铰链的所述应变梁的材料和厚度，对固定姿态的所述试验模型的静态滚转力矩进行测量。

8.根据权利要求6所述的一种基于气浮轴承的低阻尼滚转力矩测量装置，其特征在于：根据试验模型所要求的减缩频率确定所述弹性铰链的所述应变梁的材料和厚度，对固定姿态的所述试验模型的动态滚转阻尼力矩进行测量。