CN103983393B - 一种大型六分力测量及变角度支撑装置 - Google Patents

Abstract

一种大型六分力测量及变角度支撑装置，包括底座、六分力测量及原位校准装置、变角度装置和锁紧装置；六分力测量及原位校准装置安装在底座上，变角度装置安装在六分力测量及原位校准装置上，锁紧装置位于变角度装置的两侧；试验前，发动机安装在变角度装置上，由六分力测量及原位校准装置进行初始校准，校准完成后，锁紧装置与变角度装置的上平台锁紧固定，将试验初期高空室流场建立时发动机承受的冲击载荷传递出去，保护六分力测量及原位校准装置不被损坏，流场稳定后，锁紧装置与变角度装置之间快速解锁，变角度装置根据试验需求旋转不同的角度，由六分力测量及原位校准装置测试发动机不同角度下的力和力矩。

Description

一种大型六分力测量及变角度支撑装置

技术领域

本发明应用于航天发动机在高空环境、大马赫数条件下的地面试车试验中。

背景技术

美国、俄罗斯、日本等国类似的火箭自由射流试验设备已运行多年，所匹配的力测量装置多为单分量或三分量测力设备，未找到同时测量六分量力和力矩的设备。最有代表性是美国NASA LANGLEY8ft高温风洞，其匹配的测力设备也是纵向三分量的，即轴向力、法向力和俯仰力矩。国内有类似的预研阶段使用的设备，匹配的测力设备尺寸小、载荷测量范围小，测力使用整体式天平结构，校准要在专门研制的校正架上进行，也有仅测量推力的单分量测力设备，能实现现场校准，但能在现场进行原位校准的大载荷六分力测量设备在国内目前还没有。

国内航天发动机的地面试车试验中，试验时间一般都很短，发动机大多处在水平角度，少量的带角度试验也是靠预偏装置来实现角度变化的，一次试验只能测得一个角度状态下的数据；随着发动机研制技术的发展，发动机试验时的载荷也越来越大，带偏航角状态的试验，更是带来了较大的侧向载荷，现在的试验支撑装置已不能满足发动机的研制需求。为了推进发动机研制技术的发展，要求设计一种新的变角度支撑装置，在承受大载荷的同时，在一次试验中能够快速准确连续地改变发动机试验件的角度。

在冲压发动机试车台系统中，发动机、姿态控制机构和测力系统安装在模拟高速流场的高空舱内。发动机进行地面试车时，首先启动高速流场，然后再进行发动机变姿态和气动力测量。高速流场启动时会对发动机产生很大的冲击力，这个冲击力会通过固定发动机的姿态控制机构传递给下面的测力系统，过大的冲击载荷会造成元件的损坏。保护装置不但要求可靠锁紧，还必须能够在流场稳定后快速释放到指定位置，因为稳定的高速流场维持的时间只有几十秒甚至十几秒的时间，在这段时间里需要完成发动机点火、发动机变姿态以及实时的气动力测量。常用锁紧装置大致可以分为机械锁紧和液压锁紧，机械锁紧需要人工现场操作，在发动机试车过程中这是绝对禁止的，液压锁紧输出力大，能够可靠锁紧并可以实现自动控制，但是响应速度比较慢不能做到快速释放。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于航天发动机地面试车的六分力测量及变角度支撑装置。

本发明的技术解决方案是：一种大型六分力测量及变角度支撑装置，包括底座、六分力测量及原位校准装置、变角度装置和锁紧装置；六分力测量及原位校准装置安装在底座上，变角度装置安装在六分力测量及原位校准装置上，锁紧装置位于变角度装置的两侧；试验前，发动机安装在变角度装置上，由六分力测量及原位校准装置进行初始校准，校准完成后，锁紧装置与变角度装置的上平台锁紧固定，将试验初期高空室流场建立时发动机承受的冲击载荷传递出去，保护六分力测量及原位校准装置不被损坏，流场稳定后，锁紧装置与变角度装置之间快速解锁，变角度装置根据试验需求旋转不同的角度，由六分力测量及原位校准装置测试发动机不同角度下的力和力矩。

所述的六分力测量及原位校准装置包括8个力发生器、固定框、浮动框和8个传力组件；

其中四个传力组件垂直安装在固定框与浮动框之间，且呈方形布置；另外四个传力组件分别通过上下支撑架固定在浮动框和固定框上，且这四个传力组件轴线相对于浮动框横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器垂直安装在固定框与浮动框上，另外四个力发生器分别通过支撑架转接横向固定在浮动框和固定框之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

所述的传力组件包括工作力传感器、传力柔性梁、传力法兰；传力柔性梁一端通过螺杆与工作力传感器固定，工作力传感器直接固定在固定框上或者通过下支撑架固定在固定框上；传力柔性梁的另一端穿过传力法兰的通孔，传力法兰直接固定在浮动框上或者通过上支撑架固定在浮动框上；

校准时，力发生器产生的力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息实现校准；测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框传递给工作力传感器，根据工作力传感器测量的信息得到需要测量的力和力矩。

所述的力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件和传力部件；所述监测元件为测力传感器；

所述驱动部件包括伺服马达和螺旋升降机，其中伺服马达输出扭矩，螺旋升降机将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘和导向柱，固定框套在螺旋升降机的丝杠上，位于螺旋升降机上方且与螺旋升降机固定连接，托盘位于固定框上方，螺旋升降机的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱的一端直接固定在固定框上或者通过支撑架转接固定在固定框上，另一端穿过托盘上预留的导向孔对托盘进行导向；测力传感器安装在托盘上；

所述传力部件包括传立杆、传力销、法兰以及对称配置在法兰两端的柔性梁；

柔性梁为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁对称配置在法兰两侧，柔性梁和法兰通过定位销固定连接，传力杆穿过柔性梁的轴向通孔，传力销穿过柔性梁端部的圆孔和传力杆对应位置上的长槽孔，将柔性梁的两端与传力杆活动连接，传力杆的一端旋紧在测力传感器上，另一端穿过浮动框，通过法兰将力发生器直接固定在浮动框上或者通过支撑架转接固定在浮动框上。

所述柔性梁包括固定端、自由端、第一片梁、第二片梁和基体；

固定端和自由端位于基体的两端，固定端的一端与法兰通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁，自由端的一端通过传力销与传力杆活动连接，自由端的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁；第一片梁与第二片梁呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁的远离固定端的一端连接在基体上，第二片梁的远离自由端的一端也连接在基体上，基体上开有减重孔，以减轻整个柔性梁的重量；基体和自由端之间有缝隙，基体和固定端之间也有缝隙。

所述的变角度装置包括上平台、下平台、转轴装置、弧形导轨装置和驱动装置；所述的弧形导轨装置包括弧形导轨、导轨安装座、导轨限位一、导轨限位二、滑块；

弧形导轨安装在导轨安装座上，弧形导轨的两侧通过导轨限位一和导轨限位二进行限位，导轨安装座安装在下平台上，弧形导轨上的滑块与上平台连接；

上平台上连接发动机试验件，下平台为整个装置的支撑，上平台的一侧通过转轴装置安装在下平台上，驱动装置连接下平台以及上平台的另一侧，通过控制驱动装置驱动上平台沿着弧形导轨绕转轴装置旋转预设的角度。

所述的锁紧装置包括驱动组件、导向组件、插座组件、检测组件、锁紧头和锁紧装置基础；

所述驱动组件包括伺服马达、马达安装座、螺旋升降机、升降机安装座、丝杠螺母和滑移座；所述的导向组件包括导轨挡块、锁紧螺钉、导轨座、直线导轨副；直线导轨副包括导轨和滑块，直线导轨副安装在导轨座上；

插座组件安装在上平台上；锁紧头安装在滑移座上，伺服马达通过马达安装座和螺旋升降机连接，螺旋升降机通过升降机安装座固定在导轨座上，丝杠螺母套在螺旋升降机的丝杠上，丝杠螺母与滑移座连接，滑移座安装在直线导轨副的滑块上；置于导轨侧面的导轨挡块与导轨座连接，锁紧螺钉旋入导轨挡块上的螺纹孔并顶在导轨上，用于调整导轨的位置；导轨座安装在锁紧装置基础上；

伺服马达输出的扭矩通过螺旋升降机的丝杠和丝杠螺母为滑移座提供动力，由滑移座带动锁紧头移动直至插入插座组件，检测组件检测滑移座的位置，将锁紧到位信号反馈至外部控制系统；当需要解锁时，伺服马达反向运转，通过螺旋升降机带动滑移座向后运动，检测组件检测滑移座的位置，将解锁到位信号反馈至外部控制系统。

所述的检测组件包括两个限位开关、两个支架和一个感应片；感应片安装在滑移座上随其运动，一个限位开关安装在一个支架上，两个支架按前后位置分别安装在升降及安装座上，两个限位开关之间的距离根据滑移座在锁紧过程中的行程确定；当滑移座带动锁紧头移动直至插入插座组件锁紧到位时，前面的限位开关恰好感应到感应片，限位开关发出锁紧到位信号反馈至外部控制系统；解除锁紧时，后面的限位开关感应到感应片，该限位开关将解锁到位信号反馈至外部控制系统。

所述的插座组件包括插座、调节螺钉、内衬套和铜套；插座组件通过插座紧固在上平台上；铜套镶嵌在内衬套内并将两者固定，防止铜套轴向蹿动；铜套和内衬套组成的整体安装在插座的内腔，插座的外圆柱面上均布有n个安装平面，每个平面上有两个螺纹孔，内衬套的外圆柱面上同样均布n个顶紧平面；安装时插座上的安装平面和内衬套上的顶紧平面两两相对；调节螺钉从插座上的螺纹孔旋入，顶紧在内衬套上，通过调节调节螺钉的旋入长度调节内衬套在插座中的位置。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明是一种航天发动机地面试车试验的大型六分力测量及变角度支撑装置，能适应不同尺寸发动机试验件的安装、能够进行原位校准，并有锁紧保护。

(2)本发明在六分力测量装置中采用了高精度测力传感器、柔性梁及高精度力发生器等部件，在保持测量高精度的同时，还能够测量大载荷。在变角度支撑装置中采用了弧形导轨，承受侧向大载荷的同时，还可以承受轴向载荷，大功率伺服电机带动电动缸可以实现快速准确连续地改变发动机试验件角度的功能。在锁紧装置中采用机电结合的方式，利用机械装置的可靠性和电气设备的快速响应特性成功解决了发动机试车台测力系统的可靠锁紧与快速释放。

(3)本发明锁紧装置采用机械装置和电气系统结合的方式，响应速度快、控制方法灵活。能够在冲击和振动的环境中实现可靠锁紧。能够在试验过程中完成快速释放；装置具有自适应特性，可以实现在不同变形条件下对测力系统的锁紧。

(4)本发明测力装置为组装式结构，采用标准的大载荷、高精度力传感器作为测量元件，测量范围可改变；并且能同时测量六个分量的力和力矩。

(5)本发明校准与测力装置集成在一起，使空间利用率高；校准设备体积小，重量轻，方便加工，节省成本；现场校准能综合现场干扰因素，大大提高测量精度。

(6)本发明力发生器结构紧凑，通过不同的组合方式，可以精确产生天平校准的力和力矩，在保证天平性能不改变的前提下可以直接安装在天平的固定端和自由端之间，以此实现天平的原位校准。且力发生器采用机电式力加载装置，可双向加载，抗干扰能力强，加载精度高。

(7)本发明采用模块化结构，统一安装位置零部件之间的互换性好，通过更换伺服马达、高精度传感器和精密传力部件可以实现不同载荷范围的加载，大大缩短了生产周期，节约了成本。

(8)本发明可以实现双向加载，由于单个柔性梁只能承受拉力，在连接法兰两边对称配置柔性梁就可以实现拉力和压力双方向的加载。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明测力装置与校准装置的结构示意图；

图3为本发明测力装置的示意图；

图4为本发明传力组件示意图；

图5、6为图4不同方向立体图；

图7为本发明力发生器结构示意图；

图8为传力部件结构示意图；

图9为柔性梁和法兰的安装示意图；

图10为柔性梁结构示意图；

图11为柔性梁结构的全剖视图；

图12为柔性梁结构A-A剖视图；

图13为柔性梁结构的三维图；

图14为传立杆结构示意图；

图15为导向部件安装示意图；

图16为托盘结构示意图；

图17为托盘结构的全剖视图；

图18为变角度装置结构示意图；

图19为上平台结构示意图；

图20为下平台结构示意图；

图21为转轴装置结构示意图；

图22为弧形导轨装置结构示意图；

图23为驱动装置结构示意图。

图24为本发明锁紧装置的结构示意图；

图25为本发明锁紧头示意图；

图26为本发明插座组件结构示意图；

图27为本发明插座示意图；

图28为图27俯视图的全剖视图；

图29为本发明内衬套示意图；

图30为本发明内衬套俯视图的全剖视图；

图31为本发明铜套主视图的全剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明，具体如下：

如图1所示，一种大型六分力测量及变角度支撑装置，包括底座100、六分力测量及原位校准装置200、变角度装置300和锁紧装置400；六分力测量及原位校准装置200安装在底座100上，变角度装置300安装在六分力测量及原位校准装置200上，锁紧装置400位于变角度装置300的两侧；试验前，发动机安装在变角度装置300上，由六分力测量及原位校准装置200进行初始校准，校准完成后，锁紧装置400与变角度装置300的上平台锁紧固定，将试验初期高空室流场建立时发动机承受的冲击载荷传递出去，保护六分力测量及原位校准装置200不被损坏，流场稳定后，锁紧装置400与变角度装置300之间快速解锁，变角度装置300根据试验需求旋转不同的角度，由六分力测量及原位校准装置200测试发动机不同角度下的力和力矩。

下面分别对上述各部件进行详细说明。

(一)六分力测量及原位校准装置200

如图2所示，六分力测量及原位校准装置200包括八个力发生器1-8、固定框9、浮动框10和八个传力组件12-19；当本装置用于测力时，力发生器不工作，图3给出无力发生器安装时的结构，下称测力装置。固定框9安装在底座100上。

其中四个传力组件12、13、14、15垂直安装在固定框9与浮动框10之间，且呈方形布置；另外四个传力组件16-19分别通过上下支撑架固定在浮动框10和固定框9上，且这四个传力组件轴线16-19相对于浮动框10横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器1、2、3、4垂直安装在固定框9与浮动框10上，另外四个力发生器5-8分别通过支撑架转接横向固定在浮动框10和固定框9之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

如图4所示，每个传力组件包括工作力传感器123、传力柔性梁124、传力法兰125；如图5、6所示，传力柔性梁124是双向正交的四棱柱体，即在四棱柱体相对的两面的相同位置分别向四棱柱体内部加工凹槽，凹槽截面形状在凹槽底部位置为圆形，圆形上为矩形槽，圆形槽与矩形槽连通；四棱柱体另外两个相对的两面同样加工上述凹槽；上述两组凹槽正交；在四棱柱体的两端分别加工上述两组凹槽得到传力柔性梁124。传力柔性梁124的主要作用为传递沿其轴向的载荷，抑制其它方向的干扰。传力柔性梁124一端通过螺杆与工作力传感器123固定，当传力组件垂直安装时，工作力传感器123直接固定在固定框9上，当横向安装时，工作力传感器123通过下支撑架转接固定在固定框9上；传力柔性梁124的另一端穿过传力法兰125的通孔，垂直安装时，传力法兰125直接固定在浮动框10上，横向安装时，通过上支撑架转接固定在浮动框10上。

如图7所示，本发明力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件、传力部件；所述监测元件为测力传感器25；所述驱动部件包括伺服马达28和螺旋升降机27，其中伺服马达28输出扭矩，螺旋升降机27通过其内部的涡轮蜗杆将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动。伺服马达28与螺旋升降机27通过中间的转接座连接，用螺钉固定，伺服马达28的输出轴与螺旋升降机27的输入轴通过联轴器相连，以传递马达输出的扭矩。垂直安装时，螺旋升降机27通过螺钉直接固定在固定框9上，横向安装时，螺旋升降机27通过支撑架转接固定在固定框9上。伺服马达28的转速和输出扭矩等参数通过上位机控制，测力传感器25的输出信号实时反馈给上位机，由此形成一个闭环控制系统，由上位机通过传感器的输出值来判断是否达到了所需要的校准力，然后控制马达的运转。

导向部件包括托盘29(如图16和图17所示)、导向柱26和固定框9(如图15所示)，固定框9套在螺旋升降机27的丝杠上，位于螺旋升降机27上方且与螺旋升降机27固定连接，托盘29位于固定框9上方，螺旋升降机27的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘29通过中心螺纹孔293旋紧在丝杠前端，导向柱26的一端固定在固定框9上，另一端穿过托盘3上预留的导向孔292对托盘29进行导向；测力传感器25用八个螺钉通过托盘29的安装螺纹孔291安装在托盘29上；

所述传力部件包括传立杆23(如图14所示)、传力销21、法兰22以及对称配置在法兰两端的柔性梁24(如图8所示)。对称配置在法兰22两端的柔性梁24通过定位销固定在法兰上(如图9所示)和法兰作为一个整体。法兰的安装圆柱面起到定位的作用，保证柔性梁内孔中心线和螺旋升降机丝杠中心线的位置偏差在误差允许的范围内。传力销21从柔性梁24的圆孔和传立杆23上的长槽孔内穿过。法兰22和浮动框10通过螺钉连接；

如图10、图11、如图12、图13所示，柔性梁24是在圆柱状材料的基础上经过电加工和切削加工而成，外表面有通槽、销孔和平面，内部沿轴向有通孔，两个柔性梁24对称配置在法兰22两侧，柔性梁24和法兰22通过定位销固定连接，传力杆23穿过柔性梁24的轴向通孔，传力销21穿过柔性梁24端部的圆孔和传力杆23对应位置上的长槽孔，将柔性梁24的两端与传力杆23活动连接，传立杆23的一端旋紧在测力传感器25上，垂直安装时，另一端穿过浮动框10，通过法兰22将力发生器直接固定在浮动框10上；横向安装时，通过支撑架转接固定在浮动框10上。

柔性梁24包括固定端241、自由端242、第一片梁243、第二片梁244和基体245；固定端241和自由端242位于基体245的两端，固定端241的一端与法兰22通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁243，自由端242的一端通过传力销21与传力杆23活动连接，自由端242的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁244；第一片梁243与第二片梁244呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁243的远离固定端241的一端连接在基体245上，第二片梁244的远离自由端242的一端也连接在基体245上，基体245上开有减重孔246，以减轻整个柔性梁24的重量；基体245和自由端242之间有缝隙，基体245和固定端241之间也有缝隙。

第一片梁243直U型和第二片梁244倒直U型的厚度都很薄，第一片梁243和第二片梁244均仅能承受自由端242施加的拉力。，根据材料力学知识可知，片梁在压力作用下会失稳、变形(原理同细长杆受压失稳变形一致)，不能正常传递力。所以这种柔性梁只能对自由端242施加拉力。

力发生器的工作原理：在伺服马达28驱动下，螺旋升降机27的丝杠向上(图7中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向上运动，当上面传力销21和传力杆23上部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，此时传力杆23下部的长槽孔和下面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过下面的传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给浮动框10，对受试产品形成压力。伺服马达28带动螺旋升降机27的丝杠向下(图7中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向下运动，当下面传力销21和传力杆23下部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，此时传力杆23上部的长槽孔和上面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过上面的传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给浮动框10对受试产品形成拉力。

整个力源装置中，螺旋升降机27安装在固定框9上作为固定端，法兰22和浮动框10连接作为自由端，该力发生器产生的力通过浮动框10施加给需要校准的产品。

本发明装置在校准时，当伺服电机驱动升降机的丝杠上下移动时，托盘、力传感器及传力杆同步移动。当传力杆向上移动，传力杆上面的长槽的底部顶到上方的传力销，从而通过传力销、柔性杆、承力法兰向浮动框施加向上的力。当升降机的丝杠向下移动时，则对浮动框施加向下的力，通过浮动框将力传递给工作力传感器123，根据测力传感器25和工作力传感器123测量的信息实现校准；例如按照图2、3所示的安装关系，力发生器1、力发生器2、力发生器3、力发生器4组合作用可以施加±Y、±Mx及±Mz；力发生器5和力发生器6组合作用施加±X；力发生器7和力发生器8组合作用可以施加±Z及±My。8个力发生器共同作用可以在试验现场实现对测力装置的多元校准。

例如各力发生器的测力传感器的输出信号按力发生器所示编号分别记为U₁～U₈，单位：mV，k₁～k₈分别为测力传感器的系数，单位：N/mV，L₁₂为力发生器1和力发生器2之间的距离，L₁₃为力发生器1和力发生器3之间的距离，L₇₈为力发生器7和力发生器8之间的距离。则由力发生器所施加载荷分别为X＝(K₅·△U₅+K₆·△U₆)，Y＝(K₁·△U₁+K₂·△U₂+K₃·△U₃+K₄·△U₄)，Z＝(K₇·△U₇+K₈·△U₈)，M_x＝[(K₁·△U₁+K₃·△U₃)-(K₂·△U₂+K₄·△U₄)]·L₁₂/2，M_y＝(K₇·△U₇-K₈·△U₈)·L₇₈/2，M_z＝[(K₁·△U₁+K₂·△U₂)-(K₃·△U₃+K₄·△U₄)]·L₁₃/2，需要施加力X时，由上位机给一个设定值X₀，指示力发生器5和力发生器6的马达同时运转，马达驱动升降机的丝杠向左或向右同方向移动，力发生器5和力发生器6的测力传感器25产生读数变化△U₅和△U₆，将该读数变化代入上式1计算出力值X，上位机计算力值X与设定值X₀之差，判定如果在误差范围内，则上位机指示马达停止运转，将力值X通过上支撑架传给浮动框10，浮动框将力值传给工作力传感器123，工作力传感器123读数发生变化，将该读数录入上位机，得到一组载荷和信号输出的加载数据。如果需要六个分量同时加载，则8个力发生器的马达全部动作。

测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框10传递给工作力传感器123，例如按照图1、2所示的安装关系，各传力组件的工作力传感器的输出根据传力组件编号分别记为U₁₂～U₁₉。则U_Fx＝U₁₆+U₁₇，U_Fy＝U₁₂+U₁₃+U₁₄+U₁₅，U_Fz＝U₁₈+U₁₉，U_mx＝(U₁₂+U₁₄)-(U₁₃+U₁₅)，U_my＝U₁₈-U₁₉，U_mz＝(U₁₂+U₁₃)-(U₁₄+U₁₅)，式中U_Fx～U_Mz分别对应公式中的△u_i，单位为mV。

利用校准装置的力发生器对测力装置可以实行六分量多元加载，由加载数据，根据最小二乘法原理，采用多元线性回归分析方法，计算各分量的系数，得到测力装置的校准公式，形如： $F_i=a_i\·\mathrm{\Δ}{u}_i+\underset{j\≠i}{\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}}(b_{\mathrm{ij}}\·P_j)+\underset{j=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=j}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}(c_{\mathrm{ijk}}\·P_j\·P_k).$

式中：F_i─测力装置第i个分量的载荷测值(i＝1～6，分别代表阻力Fx，升力Fy，侧向力Fz，滚转力矩Mx,偏航力矩，My，俯仰力矩Mz)，N(或N·m)；

a_i─第i个分量的主系数；N(或N·m)/mV；

△u_i─第i个分量的输出信号；mV；

b_ij─其它分量载荷对第i分量的线性干扰系数，N(或N·m)/N·m(或N)；

P_j、P_k─对第i个分量产生干扰的分量载荷，N(或N·m)；

c_ijk─各分量载荷对第i分量的平方干扰系数(j＝k时)和交叉干扰系数(j≠k时)，N(或N·m)/N2(N2·m2或N2·m)；

将各工作力传感器123的测量信息代入校准公式利用多元线性回归分析方法等数学处理方法，得到作用在浮动框10的力和力矩。

(二)变角度装置300

如图18所示，本发明变角度装置300由上平台3001、下平台3002、转轴装置3003、弧形导轨装置3004及驱动装置3005组成。由于变角度装置要带动试验件转动，因此装置设计由上下两层平台组成，其中下平台3002为定件，与分力测量及原位校准装置200的浮动框10相连，上平台3001通过转轴装置3003安装在下平台3002上，且能够相对于下平台3002转动；上平台3001为动件：连接发动机试验件，绕转轴相对于下平台3002转动；转轴装置3003：连接上下平台，上平台3001相对于下平台3002的转动中心，同时对上平台3001起支撑作用；弧形导轨装置3004：连接上下平台，限制上平台3001的运行轨迹并在水平方向有较大的承载能力；驱动装置3005：连接上下平台，驱动上平台3001相对于下平台3002绕转轴转动，承担上平台3001上下方向的载荷。

图19为上平台3001的结构示意图。由于上平台3001要承受大载荷，本身又不能太重而增加驱动装置3005负载，主体采用型钢3006焊接而成，上表面焊接有大尺寸的试验件连接板3007，上面加工等间距的螺纹孔，能适应不同尺寸发动机试验件的安装，下表面的一侧焊接两个轴安装座3008，用于与转轴连接，侧面焊接两个滑块安装板3009，端面焊接有电动缸上安装板3010，所有的安装连接板均要求焊后加工完成。

图20为下平台3002的结构示意图。主体采用型钢3006焊接而成，下表面焊接有基础连接板3011，上表面的一侧焊接两个轴承安装板3012，靠近另一端的侧面和上面焊接两个导轨安装板3013，远离轴承安装板3012的端面焊接有两个电动缸下安装板3014，所有的安装连接板均要求焊后加工完成。

图21为转轴装置3003的结构示意图。转轴装置3003包括轴承装置3018、转轴座3016、转轴3015；转轴3015的两侧安装有转轴座3016，两者之间通过键3017传递运动，转轴座3016与上平台3001的轴安装座3008固连。转轴3015的两侧外端安装在轴承装置3018上，轴承装置3018与下平台3002的轴承安装板3012固连。转轴3015的一端通过联轴器3020与角度传感器3019连接，角度传感器3019可对转轴3015的角度变化进行实时检测。轴承装置3018选用调心滚子轴承，承载的同时又便于转轴3015安装。改变轴承装置3018的型号可改变其承载能力。

图22为弧形导轨装置3004的结构示意图。弧形导轨3021安装在导轨安装座3022上，两侧通过导轨限位一3023和导轨限位二3024进行限位和承受部分载荷，导轨安装座3022安装在下平台3002的导轨安装板3013上，导轨3021上的滑块3025与上平台3001的滑块安装板3009连接，弧形导轨3021水平方向有很大的承载能力。弧形导轨3021可选择满足转动半径要求的标准件，通过改变弧形导轨3021的外形参数可改变其承载能力。改变弧形导轨3021的型号可改变其承载能力。

图23为驱动装置3005的结构示意图。驱动装置3005包括大功率伺服电机3027、电动缸3026、电动缸座3029和耳轴3028；电动缸3026与大功率伺服电机3027并列安装在一起，大功率伺服电机3027通过高强度步带带动电动缸3026中的丝杆运动，电动缸3026运动端通过耳轴3028与上平台3001上的电动缸上安装板3010连接，固定端通过电动缸座3029与下平台3002上的电动缸下安装板3014连接。两台电动缸3026配大功率的伺服电机3027组成了驱动装置，不但提供大的推力，并能实现角度的快速准确定位。大功率伺服电机3027转速的改变，可改变试验件连接板3007角度变化的速率，对电动缸26的精确控制，可实现试验件连接板3007角度的准确定位及角度的连续变化。

变角度装置运动时，大功率伺服电机3027驱动电动缸3026运动，电动缸3026通过耳轴3028带动上平台3001相对于下平台3002绕转轴3015转动，实现上平台3001上试验件连接板3007相对下平台3002的角度变化。上平台3001承受的上下载荷由电动缸3026和轴承装置3018承担，水平载荷由轴承装置3018和弧形导轨装置3004承担，下平台3002承受载荷由所连接的基础承担。

(三)锁紧装置400

锁紧装置400主要功能是在试验流场建立过程中保护六分力测量及原位校准装置200免受冲击力的破坏，在试验流场稳定时，快速解除锁紧状态，保证试验的顺利进行。由于不同型号发动机的重量不同，发动机安装时引起的六分力测量及原位校准装置200初始变形也不同，所以该锁紧装置还要具有自适应特性，满足不同型号发动机地面试车试验的需要。

锁紧装置400包括驱动组件、导向组件、锁紧头、插座组件和检测组件。如图24所示，所述驱动组件包括伺服马达4217、马达安装座4216、螺旋升降机4215、升降机安装座4214、丝杠螺母4026和滑移座4025；其中伺服马达4217输出扭矩，通过螺旋升降机4215的丝杠和丝杠螺母4026为滑移座4025提供动力。

所述的导向组件包括导轨挡块4210、锁紧螺钉4211、导轨座4212、直线导轨副4213；直线导轨副4213包括导轨和滑块，直线导轨副4213安装在导轨座4212上；其中导轨座4212、导轨挡块4210和锁紧螺钉4211均用来保证导轨的安装状态，滑移座4025安装在直线导轨副4213的滑块上，带动滑块沿导轨做直线运动，导轨座4212安装在锁紧装置基础4003上，保证整个装置的稳定。所述的插座组件包括插座4021、调节螺钉4022、内衬套4023和铜套4024；插座组件安装在上平台3001上；锁紧头4219安装在滑移座4025上，由滑移座4025带动锁紧头移动直至插入插座4021并完全接触。检测组件包括两个限位开关4028及其支架4027和感应片4029组成，它将锁紧到位和解锁到位信号反馈给上位机(即外部控制系统)，起到软保护的作用。为了能够限制上平台3001的六个自由度，在上平台3001的另一端也配置了完全相同的锁紧装置，锁紧装置基础4003直接和高空舱连接，以保证基础的稳定性和可靠性。

导轨座4212上安装有直线导轨副4213、导轨挡块4210和升降机安装座4214，安装导轨时，先将锁紧螺钉4211旋入导轨挡块4210上的螺纹孔，然后调整直线导轨副4213的水平和相对于另一根导轨的平行度，调整完毕后，旋紧锁紧螺钉4211。直线导轨副4213上的滑块安装在导轨上，只能沿轨道的方向运动，本发明选择的直线导轨副的滑块为四个方向等载荷，以满足锁紧装置需要限制六分力测量及原位校准装置200六个自由度的需要。滑移座4025通过螺钉固定在四个滑块上，这样滑移座4025及其上面安装的零部件都只能沿着导轨的方向做直线运动。滑移座4025上开有工艺孔，用来安装直线导轨副4213的滑块，滑块安装完毕后，将工艺孔盖板4218安装在工艺孔上，以保证滑移座4025外观的完整。螺旋升降机4215安装在升降机安装座4214上，伺服马达4217通过马达安装座4216和螺旋升降机4215连接。丝杠螺母4026套在螺旋升降机4215的丝杠上，通过丝杠上的滚道和螺母内的滚珠相互作用使丝杠螺母4026沿丝杠做直线运动。丝杠螺母4026用螺钉安装在滑移座4025上，由丝杠螺母4026带动滑移座4025沿导轨做直线运动。锁紧头4219(如图25所示)安装在滑移座4025上，随其运动。限位开关4028通过支架4027安装在升降机安装座4214上，限位开关4028共两个，两个开关之间的距离根据滑移座4025在锁紧过程中的行程确定。感应片4029安装在滑移座4025上，锁紧时滑移座4025在伺服马达4217和螺旋升降机4215的驱动下向前移动，感应片4029随之运动，当锁紧力达到要求时，限位开关4028恰好能感应到感应片4029，然后限位开关4028将锁紧到位信号反馈给控制系统。解除锁紧时，通过控制系统设定锁紧头4219需要运动的距离，然后伺服马达4217高速运转，通过螺旋升降机4215带动滑移座4025迅速后退到指定位置，此时，后面的限位开关4028感应到感应片4029，然后限位开关4028将解锁到位信号反馈给控制系统。后面的限位开关4028可以避免滑移座4025到达位置后伺服马达4217仍然继续运转，滑移座4025和升降机安装座4214发生碰撞，起到保护的作用。

插座组件独立于其他组件，安装在上平台3001上，如图26所示，插座4021是整个插座组件的基础通过两个销钉4220和两个螺钉安装在上平台3001上，其中销钉4220除了定位功能外还能够承受剪切力。铜套4024镶嵌在内衬套4023内，使用圆柱销将两者固定，防止铜套4024轴向蹿动。铜套4024(如图31所示)和内衬套4023组成的整体安放在插座4021的内腔，用螺钉安装在插座4021上。如图27、28所示，插座4021的外圆柱面上均布有n个安装平面4212(n一般至少2个，本例中取4)，每个平面上有两个螺纹孔，如图29、30所示，内衬套4023的外圆柱面上同样均布四个顶紧平面4231，安装时插座4021上的平面和内衬套4023上的平面两两相对，八个调节螺钉4022分别从插座4021上的螺纹孔旋入，顶紧在内衬套4023上。八个调节螺钉4022分为四组，每个安装平面上4212的两个为一组。通过调节每组调节螺钉4022的旋入长度可以调节内衬套4023在插座4021中的位置。

为了能够限制上平台3001的六个自由度，在上平台3001的另一端也配置了完全相同的锁紧装置，锁紧装置上有两组插座组件和锁紧头4219，这种布局可以有效的限制上平台3001的六个自由度，防止冲击力通过上平台3001传递给六分力测量及原位校准装置200。通常情况下，发动机安装完毕后，松开所有插座组件上的八个调节螺钉4022和内衬套4023的安装螺钉，此时内衬套4023可以自由活动，控制伺服马达4217低速运转，滑移座4025带动锁紧头4219向前移动，待锁紧头4219顺利插入内衬套4023后，旋紧所有调节螺钉4022，然后伺服马达4217继续运转直到锁紧力达到预定值。

Claims (7)

1.一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：包括底座(100)、六分力测量及原位校准装置(200)、变角度装置(300)和锁紧装置(400)；

六分力测量及原位校准装置(200)安装在底座(100)上，变角度装置(300)安装在六分力测量及原位校准装置(200)上，锁紧装置(400)位于变角度装置(300)的两侧；试验前，发动机安装在变角度装置(300)上，由六分力测量及原位校准装置(200)进行初始校准，校准完成后，锁紧装置(400)与变角度装置(300)的上平台锁紧固定，将试验初期高空室流场建立时发动机承受的冲击载荷传递出去，保护六分力测量及原位校准装置(200)不被损坏，流场稳定后，锁紧装置(400)与变角度装置(300)之间解锁，变角度装置(300)根据试验需求旋转不同的角度，由六分力测量及原位校准装置(200)测试发动机不同角度下的力和力矩；

所述的六分力测量及原位校准装置(200)包括8个力发生器、固定框(9)、浮动框(10)和8个传力组件；

其中四个传力组件垂直安装在固定框(9)与浮动框(10)之间，且呈方形布置；另外四个传力组件分别通过上下支撑架固定在浮动框(10)和固定框(9)上，且这四个传力组件轴线相对于浮动框(10)横向安装，安装位置分别与上述方形的四个边平行；四个力发生器垂直安装在固定框(9)与浮动框(10)上，另外四个力发生器分别通过支撑架转接横向固定在浮动框(10)和固定框(9)之间，安装位置分别与上述方形的四个边平行；

所述的传力组件包括工作力传感器(123)、传力柔性梁(124)、传力法兰(125)；传力柔性梁(124)一端通过螺杆与工作力传感器(123)固定，工作力传感器(123)直接固定在固定框(9)上或者通过下支撑架固定在固定框(9)上；传力柔性梁(124)的另一端穿过传力法兰(125)的通孔，传力法兰(125)直接固定在浮动框(10)上或者通过上支撑架固定在浮动框(10)上；

校准时，力发生器产生的力通过浮动框(10)传递给工作力传感器(123)，根据工作力传感器(123)测量的信息实现校准；测力时，力发生器不工作，被测力通过浮动框(10)传递给工作力传感器(123)，根据工作力传感器(123)测量的信息得到需要测量的力和力矩。

2.根据权利要求1所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述的力发生器包括驱动部件、导向部件、监测元件和传力部件；所述监测元件为测力传感器(25)；

所述驱动部件包括伺服马达(28)和螺旋升降机(27)，其中伺服马达(28)输出扭矩，螺旋升降机(27)将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘(29)和导向柱(26)，固定框(9)套在螺旋升降机(27)的丝杠上，位于螺旋升降机(27)上方且与螺旋升降机(27)固定连接，托盘(29)位于固定框(9)上方，螺旋升降机(27)的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘(29)通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱(26)的一端直接固定在固定框(9)上或者通过支撑架转接固定在固定框(9)上，另一端穿过托盘(29)上预留的导向孔对托盘(29)进行导向；测力传感器(25)安装在托盘(29)上；

所述传力部件包括传力杆(23)、传力销(21)、法兰(22)以及对称配置在法兰两端的柔性梁(24)；

柔性梁(24)为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁(24)对称配置在法兰(22)两侧，柔性梁(24)和法兰(22)通过定位销固定连接，传力杆(23)穿过柔性梁(24)的轴向通孔，传力销(21)穿过柔性梁(24)端部的圆孔和传力杆(23)对应位置上的长槽孔，将柔性梁(24)的两端与传力杆(23)活动连接，传力杆(23)的一端旋紧在测力传感器(25)上，另一端穿过浮动框(10)，通过法兰(22)将力发生器直接固定在浮动框(10)上或者通过支撑架转接固定在浮动框(10)上。

3.根据权利要求2所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述柔性梁(24)包括固定端(241)、自由端(242)、第一片梁(243)、第二片梁(244)和基体(245)；

固定端(241)和自由端(242)位于基体(245)的两端，固定端(241)的一端与法兰(22)通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁(243)，自由端(242)的一端通过传力销(21)与传力杆(23)活动连接，自由端(242)的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁(244)；第一片梁(243)与第二片梁(244)呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁(243)的远离固定端(241)的一端连接在基体(245)上，第二片梁(244)的远离自由端(242)的一端也连接在基体(245)上，基体(245)上开有减重孔(246)，以减轻整个柔性梁(24)的重量；基体(245)和自由端(242)之间有缝隙，基体(245)和固定端(241)之间也有缝隙。

4.根据权利要求1所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述的变角度装置(300)包括上平台(3001)、下平台(3002)、转轴装置(3003)、弧形导轨装置(3004)和驱动装置(3005)；所述的弧形导轨装置(3004)包括弧形导轨(3021)、导轨安装座(3022)、导轨限位一(3023)、导轨限位二(3024)、滑块(3025)；

弧形导轨(3021)安装在导轨安装座(3022)上，弧形导轨(3021)的两侧通过导轨限位一(3023)和导轨限位二(3024)进行限位，导轨安装座(3022)安装在下平台(3002)上，弧形导轨(3021)上的滑块(3025)与上平台(3001)连接；

上平台(3001)上连接发动机试验件，下平台(3002)为整个装置的支撑，上平台(3001)的一侧通过转轴装置(3003)安装在下平台(3002)上，驱动装置(3005)连接下平台(3002)以及上平台(3001)的另一侧，通过控制驱动装置(3005)驱动上平台(3001)沿着弧形导轨(3021)绕转轴装置(3003)旋转预设的角度。

5.根据权利要求1所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述的锁紧装置(400)包括驱动组件、导向组件、插座组件、检测组件、锁紧头(4219)和锁紧装置基础(4003)；

所述驱动组件包括伺服马达(4217)、马达安装座(4216)、螺旋升降机(4215)、升降机安装座(4214)、丝杠螺母(4026)和滑移座(4025)；所述的导向组件包括导轨挡块(4210)、锁紧螺钉(4211)、导轨座(4212)、直线导轨副(4213)；直线导轨副(4213)包括导轨和滑块，直线导轨副(4213)安装在导轨座(4212)上；

插座组件安装在上平台(3001)上；锁紧头(4219)安装在滑移座(4025)上，伺服马达(4217)通过马达安装座(4216)和螺旋升降机(4215)连接，螺旋升降机(4215)通过升降机安装座(4214)固定在导轨座(4212)上，丝杠螺母(4026)套在螺旋升降机(4215)的丝杠上，丝杠螺母(4026)与滑移座(4025)连接，滑移座(4025)安装在直线导轨副(4213)的滑块上；置于导轨侧面的导轨挡块(4210)与导轨座(4212)连接，锁紧螺钉(4211)旋入导轨挡块(4210)上的螺纹孔并顶在导轨上，用于调整导轨的位置；导轨座(4212)安装在锁紧装置基础(4003)上；

伺服马达(4217)输出的扭矩通过螺旋升降机(4215)的丝杠和丝杠螺母(4026)为滑移座(4025)提供动力，由滑移座(4025)带动锁紧头(4219)移动直至插入插座组件，检测组件检测滑移座(4025)的位置，将锁紧到位信号反馈至外部控制系统；当需要解锁时，伺服马达(4217)反向运转，通过螺旋升降机(4215)带动滑移座(4025)向后运动，检测组件检测滑移座(4025)的位置，将解锁到位信号反馈至外部控制系统。

6.根据权利要求5所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述的检测组件包括两个限位开关(4028)、两个支架(4027)和一个感应片(4029)；感应片(4029)安装在滑移座(4025)上随其运动，一个限位开关(4028)安装在一个支架(4027)上，两个支架(4027)按前后位置分别安装在升降及安装座(4214)上，两个限位开关(4028)之间的距离根据滑移座(4025)在锁紧过程中的行程确定；当滑移座(4025)带动锁紧头(4219)移动直至插入插座组件锁紧到位时，前面的限位开关恰好感应到感应片(4029)，限位开关发出锁紧到位信号反馈至外部控制系统；解除锁紧时，后面的限位开关感应到感应片(4029)，该限位开关将解锁到位信号反馈至外部控制系统。

7.根据权利要求5所述的一种大型六分力测量及变角度支撑装置，其特征在于：所述的插座组件包括插座(4021)、调节螺钉(4022)、内衬套(4023)和铜套(4024)；

插座组件通过插座(4021)紧固在上平台(3001)上；铜套(4024)镶嵌在内衬套(4023)内并将两者固定，防止铜套(4024)轴向蹿动；铜套(4024)和内衬套(4023)组成的整体安装在插座(4021)的内腔，插座(4021)的外圆柱面上均布有n个安装平面，每个平面上有两个螺纹孔，内衬套(4023)的外圆柱面上同样均布n个顶紧平面(4231)；安装时插座(4021)上的安装平面和内衬套(4023)上的顶紧平面(4231)两两相对；调节螺钉(4022)从插座(4021)上的螺纹孔旋入，顶紧在内衬套(4023)上，通过调节调节螺钉(4022)的旋入长度调节内衬套(4023)在插座(4021)中的位置。