CN104359648B - 高超声速风洞三自由度攻角机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高超声速风洞三自由度攻角机构，其包括竖直插入模块、水平移动模块和变攻角模块，所述竖直插入模块以可拆装得方式固定于试验段的底部，所述竖直插入模块的滑动部借助高速液压缸能够上下移动，所述水平移动模块以能够前后水平移动的方式安装于竖直插入模块，所述变功角模块以能够转动的方式安装于水平移动模块上，试验模型安装于所述变功角模块的支杆上。通过真空电机带动变攻角模块的蜗杆转动，蜗杆带动弯刀上的涡轮转动，从而实现模型在试验过程中的连续变攻角。该攻角机构能够实现三自由度的运动，并能够保证三个自由度方向的高精度定位；该攻角机构结构紧凑、可靠，拆装方便，强度与刚度大，可承受大的气动载荷。

Description

高超声速风洞三自由度攻角机构

技术领域

本发明涉及一种高超声速风洞三自由度攻角机构。

背景技术

在大型高超声速风洞中，对模型进行气动力试验时，为了减小风洞启动时模型对流场形成的影响，减小风洞启动时紊乱的高速气流对试验模型及其支撑机构的冲击，需要在流场建立后再由投放机构将试验模型投放到流场之内。

在风洞实验中，投放机构需要承受高速气流的气动冲击，还要承受高温气流的热负载，投放机构将模型投入到流场以后还需要根据实验要求让模型前后移动或沿α方向转动，因此在大型高超声速风洞的设计中，需要一种满足以下要求的可插入式攻角机构：(1)可实现三个自由度的运动：即竖直方向插入，水平方向移动和α方向运动；(2)该机构具有足够的强度与刚度能承受模型的大气动载荷(3)在实验过程中α方攻角能够平稳转动并保证定位精度，还要具有自锁功能；(4)结构紧凑、可靠。为此，设计了一种新的高超声速风洞三自由度攻角机构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高超声速风洞三自由度攻角机构。

本发明的高超声速风洞三自由度攻角机构包括竖直插入模块、水平移动模块和变攻角模块，所述竖直插入模块以可拆装得方式固定于试验段的底部，所述竖直插入模块的滑动部借助高速液压缸能够上下移动，所述水平移动模块以能够前后水平移动的方式安装于竖直插入模块，所述变攻角模块以能够转动的方式安装于水平移动模块上，试验模型安装于所述变攻角模块的支杆上。

优选所述竖直插入模块包括竖直导轨支架一、竖直导轨支架二、竖直方向平台、高速液压缸、辅助支撑导轨、辅助支撑滑块、竖直线性导轨、竖直线性滑块、水平线性导轨、水平线性滑块和安全销机构；所述竖直导轨支架一和竖直导轨支架二沿风洞中心轴线对称分布于两侧，并以可拆装的方式固定于试验段的下罩侧壁，其靠近风洞中心轴线一侧分别安装有两条平行的辅助支撑导轨和竖直线性导轨，所述辅助支撑导轨上安装有两个辅助支撑滑块，所述竖直线性导轨上安装有两个竖直线性滑块；所述竖直方向平台布置在竖直导轨支架一和竖直导轨支架二中间，所述竖直方向平台的四个边角与对应位置处的滑块固定连接，所述竖直方向平台上表面安装有两条平行的水平线性导轨，所述水平线性导轨上安装有三个水平线性滑块；所述高速液压缸的杠杆安装在所述竖直方向平台下面，所述高速液压缸的法兰固定在外围设备上，所述竖直插入模块能够在所述高速液压缸的液压杆推动下向上插入流场；所述竖直导轨支架一的一个侧面安装有所述安全销机构。

优选所述水平移动模块包括螺旋升降机支座一、螺旋升降机支座二、螺旋升降机电机支座、水平移动平台、螺旋升降机、螺旋升降机电机和联轴器一；所述水平移动平台与所述竖直方向平台上的六个所述水平线性滑块固定连接，所述螺旋升降机支座一安装于所述竖直方向平台上，所述螺旋升降机支座二安装于所述水平移动平台上，所述螺旋升降机的螺杆端部法兰与所述螺旋升降机支座一固定连接，所述螺旋升降机壳体端部法兰与所述螺旋升降机支座二固定连接，所述螺旋升降机电机固定在所述螺旋升降机电机支座上，并通过所述联轴器一与所述螺旋升降机输入端连接。所述水平移动平台能够在所述螺旋升降机推动下实现沿风洞中心轴线的前后水平移动。

优选所述攻角变化模块包括弯刀支架、蜗轮、蜗轮支座、弯刀、蜗杆斜支架、圆弧导轨一、圆弧导轨二、圆滑导轨滑块一、圆滑导轨滑块二、蜗杆驱动电机、减速器、减速器支座、联轴器二和蜗杆组件；所述弯刀位于风洞轴线上，所述蜗杆斜支架和所述弯刀支架分布于所述弯刀的两侧，分别与所述水平移动平台固定连接。所述弯刀支架靠近风洞中心轴线一侧安装有同心的所述圆弧导轨一和所述圆弧导轨二，所述圆弧导轨滑块一安装在所述圆弧导轨一上，所述圆弧导轨滑块二安装在所述圆弧导轨二上，并均与所述弯刀侧面固定连接；所述蜗轮通过所述蜗轮支座与所述弯刀另一侧面固定连接；所述蜗杆组件固定于所述蜗杆斜支架的上表面，所述减速器通过法兰安装于所述减速器支座上，其输入端与所述蜗杆驱动电机连接，其输出端通过联轴器二与所述蜗杆固定端连接，所述蜗杆与所述涡轮成啮合状态。

优选所述安全销机构包括安全销机构底座、凸形耳座、安全销液压缸、安全销支座和安全销；所述安全销机构底座具有两个，分别固定在所述竖直导轨支架一和竖直导轨支架二的侧面上端，所述安全销机构底座的上表面对称安装有一对凸形耳座，所述安全销液压缸的缸体后部的销轴与两个所述凸形耳座上的销孔连接成旋转副，所述安全销液压缸的活塞杆前端螺纹连接有长方体的所述安全销，所述安全销的前端伸入所述安全销支座的通孔内，所述安全销支座固定在所述安全销机构底座上，当所述竖直方向平台上升到工作位置时，所述安全销液压缸推动所述安全销伸出到所述竖直方向平台的下端，以防止所述高速液压缸发生故障时平台坠落。

优选所述高速液压缸竖直放置，所述活塞杆端部与所述竖直方向平台的下表面铰接。

优选所述蜗轮为角度51°的部分式蜗轮。

优选所述蜗杆组件与水平面夹角为18.5°，斜向布置于所述蜗杆斜支架的上表面；蜗杆的两端由轴承支撑，其一端为固定端，由成对安装的角接触球轴承支撑，安装于固定轴承座内，固定端轴承座的侧面安装有中心有孔的固定端轴承盖，所述蜗杆的另一端为支撑端，由一个深沟球轴承支撑，安装于支撑端轴承座内，两端的所述轴承座都与所述蜗杆斜支架上表面固定连接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以提供三个自由度的运动，通过竖直插入模块实现模型的上下运动，可以将模型快速投放到稳定的流场中；通过水平移动模块实现模型沿中心轴线方向的运动，调整模型与喷管口的位置关系；通过攻角变化模块实现一次试验过程中模型的连续变攻角。

(2)蜗轮安装在弯刀一侧，减小与试验模型气动力作用点之间的力臂，减少驱动机构所受力矩，同时与安装在弯刀下部相比，节省空间，结构更加紧凑。

(3)蜗杆与水平面成18.5°斜向布置，与水平布置相比，可以减少弯刀弧长方向的尺寸，降低弯刀重量，节省加工成本，同时还可以节省空间，使结构更加紧凑。

(4)竖直插入模块与其上面的水平移动模块和攻角变化模块可分为互不干扰的两部分，方便维修、拆装和运输。

(5)本发明包括多种安全保护机构，通过安全销机构防止高速液压缸15发生故障时平台坠落，采用蜗轮蜗杆驱动实现攻角变化模块的机械自锁。

附图说明

图1为本发明的三自由度攻角机构结构示意图。

图2为本发明的竖直支架结构示意图。

图3为本发明的竖直方向平台结构示意图。

图4为本发明的安全销机构示意图。

图5为本发明的水平移动模块结构示意图。

图6为本发明的圆弧导轨支架结构示意图。

图7为本发明的蜗杆组件示意图。

符号说明

1、竖直导轨支架一 2、竖直导轨支架二 3、安全销机构底座

4、竖直方向平台 5、螺旋升降机支座一 6、螺旋升降机支座二

7、螺旋升降机电机支座 8、弯刀支架 9、蜗轮 10、蜗轮支座

11、弯刀 12、蜗杆 13、蜗杆斜支架 14、水平移动平台

15、高速液压缸 16、辅助支撑导轨 17、辅助支撑滑块

18、竖直线性导轨 19、竖直线性滑块 20、水平线性导轨

21、水平线性滑块 22、安全销液压缸 23、凸形耳座

24、安全销 25、安全销支座 26、螺旋升降机

27、螺旋升降机电机 28、联轴器一 29、圆弧导轨一

30、圆弧导轨二 31、圆滑导轨滑块一 32、圆滑导轨滑块二

33、蜗杆驱动电机 34、减速器 35、减速器支座 36、联轴器二

37、固定端轴承盖 38、角接触球轴承 39、固定轴承座

40、深沟球轴承 41、支撑端轴承座

具体实施方式

结合附图，给出如下具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本发明包括竖直插入模块、水平移动模块以及攻角变化模块。试验模型安装于所述变攻角模块的支杆上。

如图1-图3所示，竖直插入模块由竖直导轨支架一1、竖直导轨支架二2、竖直方向平台4、高速液压缸15、辅助支撑导轨16、辅助支撑滑块17、竖直线性导轨18、竖直线性滑块19、水平线性导轨20、水平线性滑块21和安全销机构组成。竖直导轨支架一1和竖直导轨支架二2沿风洞中心轴线对称分布于两侧，并以可拆装的方式固定于试验段的下罩侧壁，并且靠近风洞中心轴线一侧分别安装有两条平行的辅助支撑导轨16和竖直线性导轨18，每条辅助支撑导轨16上安装有两个辅助支撑滑块17，每条竖直线性导轨18上安装有两个竖直线性滑块19。竖直方向平台4布置在两个支架中间，四个边角与对应位置处的滑块固定连接，竖直方向平台4上表面安装有两条平行的水平线性导轨20，每条水平线性导轨20上安装有三个水平线性滑块21。高速液压缸15安装在竖直方向平台4下面，竖直放置，活塞杆端部与竖直方向平台4下表面铰接，竖直方向平台4可由高速液压缸15推动沿竖直方向上下高速移动，完成插入和退出动作。这种动作也可利用其他方式实现。竖直导轨支架一1的一个侧面安装有安全销机构，在水平对角位置的竖直导轨支架二2侧面安装有同样的安全销机构。

由图4所示，安全销机构底座3固定在竖直导轨支架一1和竖直导轨支架二2侧面上端，底座上表面对称安装有一对凸形耳座23，安全销液压缸22缸体后部的销轴与两个凸形耳座23上的销孔连接成旋转副，安全销液压缸22活塞杆前端螺纹连接有长方体安全销24，安全销前端伸入安全销支座25的通孔内，安全销支座25固定在安全销机构底座3上，当竖直方向平台4上升到工作位置时，安全销液压缸22推动安全销24伸出到竖直方向平台4下端，防止高速液压缸15发生故障时平台坠落。

如图1和图5所示，水平移动模块由螺旋升降机支座一5、螺旋升降机支座二6、螺旋升降机电机支座7、水平移动平台14、螺旋升降机26、螺旋升降机电机27和联轴器一28组成。水平移动平台14与竖直方向平台4上的六个水平线性滑块21固定连接，螺旋升降机支座一5安装于竖直方向平台4一端，螺旋升降机支座二6安装于水平移动平台14一端，螺旋升降机26螺杆端部法兰与螺旋升降机支座一5固定连接，螺旋升降机26壳体端部法兰与螺旋升降机支座二6固定连接，螺旋升降机电机27竖直固定在螺旋升降机电机支座7上，并通过联轴器一28与螺旋升降机26输入端连接。水平移动平台14可在螺旋升降机26推动下实现沿风洞中心轴线的前后水平移动。这种水平移动平台的前后水平移动也可利用其他方式实现。

如图1和图6所示，攻角变化模块包括弯刀支架8、蜗轮9、蜗轮支座10、弯刀11、蜗杆斜支架13、圆弧导轨一29、圆弧导轨二30、圆滑导轨滑块一31、圆滑导轨滑块二32、蜗杆驱动电机33、减速器34、减速器支座35、联轴器二36和蜗杆组件。弯刀11布置于风洞中心轴线上，蜗杆斜支架13和弯刀支架8分布于弯刀11两侧，分别与水平移动平台14上表面固定连接。弯刀支架8靠近风洞中心轴线一侧安装有同心的圆弧导轨一29和圆弧导轨二30，圆滑导轨滑块一31和圆滑导轨滑块二32安装在对应圆弧导轨上，并与弯刀11侧面固定连接。蜗轮9与蜗杆12成啮合状态，通过蜗轮支座10与弯刀11另一侧面固定连接。蜗轮9为角度51°的部分式蜗轮，安装位置在弯刀11的侧面，以减小与试验模型气动力作用点之间的力臂，安装完成后的蜗轮9与风洞中心轴线间的夹角为46°～97°。蜗杆组件与水平面夹角为18.5°，斜向布置于蜗杆斜支架13上表面。

由图7所示，在蜗杆组件中，蜗杆12两端由轴承支撑，一端为固定端，由成对安装的角接触球轴承38支撑，安装于固定轴承座39内，固定端轴承座39侧面装有中心有孔的固定端轴承盖37，蜗杆12另一端为支撑端，由一个深沟球轴承40支撑，安装于支撑端轴承座41内，两端轴承座都与蜗杆斜支架13上表面固定连接。减速器34通过法兰安装于减速器支座35上，输入端与蜗杆驱动电机33连接，输出端通过联轴器二36与蜗杆12固定端连接。

本实施例中的三自由度攻角机构，可通过竖直插入模块在2s的时间内实现1.2m的高速运动，将模型快速插入投放到风洞中心轴线上，定位精度可达±1mm；通过水平移动模块实现模型沿中心轴线方向的0mm-550mm的前后运动，调整模型与喷管口的位置关系；攻角变化模块可以5°/s的角速度实现一次试验过程中模型的连续变攻角，攻角变化范围为-20°～+20°，角度精度为±1.5′。同时，还可承受大的气动载荷，具有足够的强度与刚度，结构紧凑、可靠，满足大型高超声速风洞的测力测压试验要求。

Claims (8)

1.一种高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：包括竖直插入模块、水平移动模块和变攻角模块，

所述竖直插入模块包括竖直导轨支架一、竖直导轨支架二、竖直方向平台、高速液压缸、辅助支撑导轨、辅助支撑滑块、竖直线性导轨、竖直线性滑块、水平线性导轨、水平线性滑块和安全销机构；

所述竖直导轨支架一和竖直导轨支架二沿风洞中心轴线对称分布于两侧，并以可拆装的方式固定于试验段的下罩侧壁，其靠近风洞中心轴线一侧分别安装有两条平行的辅助支撑导轨和竖直线性导轨，所述辅助支撑导轨上安装有两个辅助支撑滑块，所述竖直线性导轨上安装有两个竖直线性滑块；

所述竖直方向平台布置在竖直导轨支架一和竖直导轨支架二中间，所述竖直方向平台的四个边角与对应位置处的滑块固定连接，所述竖直方向平台上表面安装有两条平行的水平线性导轨，所述水平线性导轨上安装有三个水平线性滑块；

所述高速液压缸的杠杆安装在所述竖直方向平台下面，所述高速液压缸的法兰固定在外围设备上，所述竖直插入模块能够在所述高速液压缸的液压杆推动下向上插入流场，

所述水平移动模块以能够前后水平移动的方式安装于竖直插入模块，所述变攻角模块以能够转动的方式安装于水平移动模块上，试验模型安装于所述变攻角模块的支杆上。

2.根据权利要求1所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述竖直导轨支架一的一个侧面安装有所述安全销机构。

3.根据权利要求1所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述水平移动模块包括螺旋升降机支座一、螺旋升降机支座二、螺旋升降机电机支座、水平移动平台、螺旋升降机、螺旋升降机电机和联轴器一；

所述水平移动平台与所述竖直方向平台上的六个所述水平线性滑块固定连接，所述螺旋升降机支座一安装于所述竖直方向平台上，所述螺旋升降机支座二安装于所述水平移动平台上，所述螺旋升降机的螺杆端部法兰与所述螺旋升降机支座一固定连接，所述螺旋升降机壳体端部法兰与所述螺旋升降机支座二固定连接，所述螺旋升降机电机固定在所述螺旋升降机电机支座上，并通过所述联轴器一与所述螺旋升降机输入端连接，所述水平移动平台能够在所述螺旋升降机推动下实现沿风洞中心轴线的前后水平移动。

4.根据权利要求3所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述变攻角模块包括弯刀支架、蜗轮、蜗轮支座、弯刀、蜗杆斜支架、圆弧导轨一、圆弧导轨二、圆弧导轨滑块一、圆弧导轨滑块二、蜗杆驱动电机、减速器、减速器支座、联轴器二和蜗杆组件；

所述弯刀位于风洞轴线上，所述蜗杆斜支架和所述弯刀支架分布于所述弯刀的两侧，分别与所述水平移动平台固定连接，所述弯刀支架靠近风洞中心轴线一侧安装有同心的所述圆弧导轨一和所述圆弧导轨二，所述圆弧导轨滑块一安装在所述圆弧导轨一上，所述圆弧导轨滑块二安装在所述圆弧导轨二上，并均与所述弯刀侧面固定连接；

所述蜗轮通过所述蜗轮支座与所述弯刀另一侧面固定连接；所述蜗杆组件固定于所述蜗杆斜支架的上表面，所述减速器通过法兰安装于所述减速器支座上，其输入端与蜗杆驱动电机连接，其输出端通过联轴器二与蜗杆固定端连接，所述蜗杆与涡轮成啮合状态。

5.根据权利要求2所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述安全销机构包括安全销机构底座、凸形耳座、安全销液压缸、安全销支座和安全销；

所述安全销机构底座具有两个，分别固定在所述竖直导轨支架一和竖直导轨支架二的侧面上端，所述安全销机构底座的上表面对称安装有一对凸形耳座，所述安全销液压缸的缸体后部的销轴与两个所述凸形耳座上的销孔连接成旋转副，所述安全销液压缸的活塞杆前端螺纹连接有长方体的所述安全销，所述安全销的前端伸入所述安全销支座的通孔内，所述安全销支座固定在所述安全销机构底座上，当所述竖直方向平台上升到工作位置时，所述安全销液压缸推动所述安全销伸出到所述竖直方向平台的下端，以防止所述高速液压缸发生故障时平台坠落。

6.根据权利要求5所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述高速液压缸竖直放置，所述活塞杆的端部与所述竖直方向平台的下表面铰接。

7.根据权利要求4所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述蜗轮为角度51°的部分式蜗轮。

8.根据权利要求4所述的高超声速风洞三自由度攻角机构，其特征在于：所述蜗杆组件与水平面夹角为18.5°，斜向布置于所述蜗杆斜支架的上表面；蜗杆的两端由轴承支撑，其一端为固定端，由成对安装的角接触球轴承支撑，安装于固定端轴承座内，固定端轴承座的侧面安装有中心有孔的固定端轴承盖，所述蜗杆的另一端为支撑端，由一个深沟球轴承支撑，安装于支撑端轴承座内，两端的轴承座都与所述蜗杆斜支架上表面固定连接。