CN105203309A - 油箱位姿模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种油箱位姿模拟试验台，包括机械和电气两部分；机械系统用于实现负载自旋和摆动两个自由度的运动，包括负载框架组件、负载自旋机构、负载俯仰机构及试验台底座等几部分；电气系统用于实现负载姿态的调整和试验位置的准确就位。根据本发明油箱位姿模拟试验台，其能够真实模拟油箱在空中各种姿态并测试油箱在空中各种姿态下的动力学特征，通过实验对油箱液体晃动典型非线性动力学行为进行复现和验证，为特殊用途的油箱设计及安全可靠运行提供理论依据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种油箱位姿模拟试验台。
背景技术
贮箱内液体的晃动是指液体自由表面由于受到外加扰动或激励而产生的运动。液体的晃动问题在航空航天、船舶、石油化工以及核动力等领域较为常见，从上世纪50年代起，各国工程师对这一问题已经给予了广泛关注。储箱内带自由液面的液体晃动不仅会对贮箱壁产生冲击载荷，引起结构的疲劳破坏。对于载液比重大的载液系统，如航天器、大型民机以及油罐车等，在运动过程中，短时间内液体的大幅晃动引发的液体重心变化还会对这些载液系统的运动轨迹或飞行姿态产生不利的影响。液体晃动问题广泛存在于航空航天、核工程、地震、水上运输、公路运输、流体力学、数学等领域，液体晃动涉及到系统很多重要方面的参数，如贮箱壁面的动压力分布、液体晃动产生的晃动力、晃动力矩及自由液面固有频率等，这些参数与移动容器耦合，直接影响系统的动力学行为(如系统的稳定性)及贮箱内部结构的力学性能，因此各国科学家和工程师从上世纪中期开始就对这一问题进行了大量研究。在航天领域，由于人类对空间探索的不断深入，要求现代航天器携带更加精密的探测仪器、导航仪器，完成长时间的复杂的飞行任务，这时需要现代大型航天器携带更多的推进剂。航天器在变轨，交会，对接及装配过程中推进剂可能产生剧烈晃动，由于外激励及贮箱几何形状的差异，使液体产生复杂的非线性运动，由此产生的晃动力，晃动力矩对整个系统动力学具有显著的影响，因此在航天器总体设计中，推进剂的晃动是必须重点考虑的一个问题。如在2007年，美国的空间10号卫星SpaceX由于一个燃料腔中的推进剂晃动，导致整个发射任务失败。在船舶领域，通过考虑海浪对船舶的影响发现，海浪诱导船舶运动引起大型船舶的液体出现非常剧烈的晃动，这可能导致船舶局部出现明显的结构负载，并对船舶整体运动有重要影响。
因此研究晃动产生的冲击力、晃动力矩所引发的油箱结构强度问题、液体晃动重心的变化对全机稳定性的影响是十分必要的。目前大部分研究者均采用将无限多质点的力学系统进行等效简化，从一定程度上可以反映液体晃动的影响，但是不能全面直观的对问题进行反映，更不能进行问题复现及验证。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种油箱位姿模拟试验台，其能够真实模拟油箱在空中各种姿态并测试油箱在空中各种姿态下的动力学特征。
一种油箱位姿模拟试验台，包括机械和电气两部分；机械系统用于实现负载自旋和摆动两个自由度的运动，包括负载框架组件、负载自旋机构、负载俯仰机构及试验台底座等几部分；电气系统用于实现负载姿态的调整和试验位置的准确就位。
所述负载框架组件由被测油箱、负载框架、夹紧装置、底部支承辊等组成，主要用于对被测油箱的夹持、油箱质心位置调整的等功能；所述负载框架组件通过上、下连接法兰及左、右连接法兰与负载自旋驱动机构外齿圈固连，并由外齿圈带动油箱自旋；负载旋转角度通过安装在俯仰框架上的码盘驱动装置来检测、反馈，为了消除码盘的检测误差，码盘驱动机构小齿轮与回转支承齿圈采用了双片齿轮消隙啮合传动技术。
所述负载框架为一桁架式结构，由矩形方钢管焊接而成；框架本体主弦为120x60x5mm方管，缀杆为60x60x3mm方管，框架本体中间的钢板作为与油箱自旋机构相连的连接板；所述框架两端贯穿，用于安装端部夹紧装置，以方便油箱纵向质心位置的调整；负载框架底部可安装辊轮，以方便油箱装卸；框架本体顶部和侧面横向主弦可安装夹紧装置，以方便被测油箱夹紧与质心位置额调整。
所述底部支承辊安装在框架本体底部，共设计了8个支承辊，用于支承被测油箱，并方便被测油箱装卸(水平位置安装与拆卸油箱)；所述夹紧装置包括夹头、导杆与直线轴承、调整丝杠、夹头支架等，夹头与油箱接触部分为非金属材料，以保护油箱；夹紧装置设有两根导杆，布置在夹紧装置两侧通过固定在框架本体上直线轴承实现夹紧装置的导向；夹紧装置中部设有调整丝杠，与固定在框架上的螺套实现夹头位置的调整；夹头支架由矩形方管和钢板焊接而成，用于承受试验过程中被试油缸传递过来的各种动态载荷。
负载框架组件共安装了4套端部夹紧装置，每端两套；安装了3套顶部夹紧装置和6套侧面夹紧装置，所有夹紧装置的调整范围均为±90mm。
所述负载自旋机构由上下连接法兰、两块侧面连接法兰、一套回转支承轴承和两套自旋驱动单元等组成，所述自旋驱动单元包括电机和回转驱动小齿轮，自旋驱动单元通过螺钉固定在俯仰框架上，其小齿轮与回转支承轴承外圈齿轮啮合。
所述负载连接法兰主要用于将负载框架与回转支承轴承连接在一起，以实现回转支承轴承携带负载框架的旋转；为了方便负载框架的装卸，负载连接法兰分4块拼接而成，包括两块上下连接法兰和两块侧面连接法连；所述负载连接法兰为一焊接件，由钢板焊接而成，其水平或立向连接板用于与负载框架本体上对应连接板固连，其圆周方向的分布孔与回转支承轴承外圈分布孔固连；为了保证法兰的连接刚度，法兰上增设了弧形和立向筋板。
所述回转支承轴承用于携带负载框架转动，实现被测油箱的自旋；回转支承轴外圈(带齿)与负载连接法兰固连，其内圈通过螺钉与俯仰框架固连，回转支承轴承外圈上的轮齿与回转驱动单元小齿轮啮合，并通过电机驱动。
所述负载俯仰机构主要由俯仰框架、俯仰驱动检测组件、和试验台底座等，用于实现被测油箱俯仰角度的调整与检测。为了方便现场安装与调试，俯仰驱动检测组件与试验台底座采用了分体制造，两者间通过螺钉固定。为了保证俯仰机构的动态响应频率，所述俯仰驱动检测组件采用了双力驱电机同步驱动方式，包括驱动电机、传动轴、支承轴承、电机连接法兰、反馈元件、驱动支座等组成；所述俯仰框架为一焊接件，由钢板焊接而成，主要用于承载自旋驱动机构和负载框架组件自重，以及实验过程的各种动态载荷，并将这些载荷通过俯仰驱动检测组件传递给试验台底座。
所述俯仰框架里侧通过螺钉与回转支承轴承内圈固连，其两端由螺钉与俯仰驱动组件传动轴固连；为了提高俯仰框架的结构刚度，框架内部及底侧均采用了辐射型筋板加固。
根据本发明油箱位姿模拟试验台，其能够真实模拟油箱在空中各种姿态并测试油箱在空中各种姿态下的动力学特征，通过实验对油箱液体晃动典型非线性动力学行为进行复现和验证，为特殊用途的油箱设计及安全可靠运行提供理论依据和技术支撑。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台轴测图1；
图2是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台轴测图2；
图3是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台俯视图；
图4是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台俯仰机构轴测图；
图5是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台俯仰机构主视图；
图6是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台自旋机构轴测图；
图7是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台负载框架轴测图；
图8是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台承载框架轴测图；
图9是根据本发明的一个实施方式的油箱位姿模拟试验台夹紧装置轴测图；
图中：1、底座；2、支柱；3、耳座；4、俯仰框架；5、负载框架；6、油箱；7、俯仰轴；8、加强筋；9、连接法兰；10、自旋电机；11、俯仰电机；12、自旋固定板；13、驱动齿轮；14、回转支承轴承(带齿)；15、夹紧装置；16、压板；17、连接板；18、框架；19、支撑辊轮；20、导杆；21、直线轴承；22、丝杠；23、螺套；24、夹头。
具体实施方式
下面结合附图详细说明根据本发明的实施方式。
如附图所示，一种油箱位姿模拟试验台，包括机械和电气两部分；机械系统用于实现负载自旋和摆动两个自由度的运动，包括负载框架组件、负载自旋机构、负载俯仰机构及试验台底座等几部分；电气系统用于实现负载姿态的调整和试验位置的准确就位。
所述负载框架组件由被测油箱6、负载框架5、夹紧装置15、底部支承辊19等组成，主要用于对被测油箱6的夹持、油箱质心位置调整的等功能；所述负载框架组件通过上、下连接法兰及左、右连接法兰9与负载自旋驱动机构外齿圈14固连，并由外齿圈14带动油箱6自旋；负载旋转角度通过安装在俯仰框架上的码盘驱动装置来检测、反馈，为了消除码盘的检测误差，码盘驱动机构小齿轮13与回转支承齿圈14采用了双片齿轮消隙啮合传动技术。
所述负载框架5为一桁架式结构，由矩形方钢管焊接而成；框架本体主弦为120x60x5mm方管，缀杆为60x60x3mm方管，框架本体中间的钢板作为与油箱自旋机构相连的连接板；所述框架两端贯穿，用于安装端部夹紧装置，以方便油箱纵向质心位置的调整；负载框架5底部可安装辊轮19，以方便油箱装卸；框架本体顶部和侧面横向主弦可安装夹紧装置15，以方便被测油箱夹紧与质心位置额调整。
所述底部支承辊19安装在框架本体底部，共设计了8个支承辊，用于支承被测油箱6，并方便被测油箱6装卸(水平位置安装与拆卸油箱)；所述夹紧装置15包括夹头24、导杆20与直线轴承21、丝杠22等，夹头24与油箱6接触部分为非金属材料，以保护油箱6；夹紧装置15设有两根导杆20，布置在夹紧装置15两侧通过固定在框架本体上直线轴承21实现夹紧装置15的导向；夹紧装置15中部设有调整丝杠22，与固定在框架上的螺套实现夹头24位置的调整；夹头支架由矩形方管和钢板焊接而成，用于承受试验过程中被试油缸传递过来的各种动态载荷。
负载框架组件共安装了4套端部夹紧装置，每端两套；安装了3套顶部夹紧装置和6套侧面夹紧装置，所有夹紧装置的调整范围均为±90mm。
所述负载自旋机构由上下连接法兰、两块侧面连接法兰9、一套回转支承轴承齿轮14和两套自旋驱动单元等组成，所述自旋驱动单元包括电机10和回转驱动小齿轮13，自旋驱动单元通过螺钉固定在俯仰框架上，其小齿轮与回转支承轴承外圈齿轮啮合。
所述负载连接法兰主要用于将负载框架与回转支承轴承14连接在一起，以实现回转支承轴承携带负载框架5的旋转；为了方便负载框架5的装卸，负载连接法兰9分4块拼接而成，包括两块上下连接法兰和两块侧面连接法连；所述负载连接法兰9为一焊接件，由钢板焊接而成，其水平或立向连接板用于与负载框架本体上对应连接板固连，其圆周方向的分布孔与回转支承轴承外圈分布孔固连；为了保证法兰的连接刚度，法兰上增设了弧形和立向筋板。
所述回转支承轴承(带齿)14用于携带负载框架转动，实现被测油箱的自旋；回转支承轴外圈(带齿)与负载连接法兰固连，其内圈通过螺钉与俯仰框架4固连，回转支承轴承14外圈上的轮齿与回转驱动单元小齿轮啮合，并通过电机驱动。
所述负载俯仰机构主要由俯仰框架4、俯仰驱动检测组件、和试验台底座等，用于实现被测油箱俯仰角度的调整与检测。为了方便现场安装与调试，俯仰驱动检测组件与试验台底座采用了分体制造，两者间通过螺钉固定。为了保证俯仰机构的动态响应频率，所述俯仰驱动检测组件采用了双电机11同步驱动方式，包括驱动电机11、传动轴7、支承轴承、电机连接法兰、反馈元件、驱动支座2等组成；所述俯仰框架4为一焊接件，由钢板焊接而成，主要用于承载自旋驱动机构和负载框架组件自重，以及实验过程的各种动态载荷，并将这些载荷通过俯仰驱动检测组件传递给试验台底座。
所述俯仰框架4里侧通过螺钉与回转支承轴承内圈固连，其两端由螺钉与俯仰驱动组件传动轴固连；为了提高俯仰框架的结构刚度，框架内部及底侧均采用了辐射型筋板加固。
油箱位姿模拟试验台的一个示例性实施方式的工作方式如下，也可以其他方式工作。
确定所测试的油箱6以及油箱的空间位置，将油箱6放在支撑昆轮19上，并将油箱6推至所需放置的空间位置，调整两端及两侧的夹紧装置15，将油箱精确放置在所需位置，并固定，调整上部调整装置的调整丝杠，将油箱可靠压紧，根据实际工况需要，通过测控计算机控制俯仰电机及自旋电机单独或者配合运动，真是模拟实际工况，并实时检测所需参数，为后续的研究提供第一手资料。
根据本发明油箱位姿模拟试验台，其能够真实模拟油箱在空中各种姿态并测试油箱在空中各种姿态下的动力学特征，通过实验对油箱液体晃动典型非线性动力学行为进行复现和验证，为特殊用途的油箱设计及安全可靠运行提供理论依据和技术支撑。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种油箱位姿模拟试验台，其特征在于，包括：机械和电气两部分；机械系统用于实现负载自旋和摆动两个自由度的运动，包括负载框架组件、负载自旋机构、负载俯仰机构及试验台底座；电气系统用于实现负载姿态的调整和试验位置的准确就位；
所述负载框架组件由被测油箱、负载框架、夹紧装置、底部支承辊组成，主要用于对被测油箱的夹持、油箱质心位置调整的等功能；所述负载框架组件通过上、下连接法兰及左、右连接法兰与负载自旋驱动机构外齿圈固连，并由外齿圈带动油箱自旋；负载旋转角度通过安装在俯仰框架上的码盘驱动装置来检测、反馈，为了消除码盘的检测误差，码盘驱动机构小齿轮与回转支承齿圈采用了双片齿轮消隙啮合传动技术；
所述负载自旋机构由上下连接法兰、两块侧面连接法兰、一套回转支承轴承和两套自旋驱动单元组成，所述自旋驱动单元包括电机和回转驱动小齿轮，自旋驱动单元通过螺钉固定在俯仰框架上，其小齿轮与回转支承轴承外圈齿轮啮合；
所述负载俯仰机构主要由俯仰框架、俯仰驱动检测组件、和试验台底座，俯仰驱动检测组件与试验台底座采用了分体制造，两者间通过螺钉固定。
2.根据权利要求1所述的油箱位姿模拟试验台，其特征在于，所述负载框架为一桁架式结构，由矩形方钢管焊接而成；框架本体主弦为120x60x5mm方管，缀杆为60x60x3mm方管，框架本体中间的钢板作为与油箱自旋机构相连的连接板；所述框架两端贯穿，用于安装端部夹紧装置，以方便油箱纵向质心位置的调整；负载框架底部可安装辊轮，以方便油箱装卸；框架本体顶部和侧面横向主弦可安装夹紧装置，以方便被测油箱夹紧与质心位置额调整。
3.根据权利要求1所述的油箱位姿模拟试验台，其特征在于，所述底部支承辊安装在框架本体底部，共设计了8个支承辊，用于支承被测油箱，并方便被测油箱装卸；所述夹紧装置包括夹头、导杆与直线轴承、调整丝杠、夹头支架等，夹头与油箱接触部分为非金属材料，以保护油箱；夹紧装置设有两根导杆，布置在夹紧装置两侧通过固定在框架本体上直线轴承实现夹紧装置的导向；夹紧装置中部设有调整丝杠，与固定在框架上的螺套实现夹头位置的调整；夹头支架由矩形方管和钢板焊接而成，用于承受试验过程中被试油缸传递过来的各种动态载荷。
4.根据权利要求1所述的油箱位姿模拟试验台，其特征在于，负载框架组件共安装了4套端部夹紧装置，每端两套；安装了3套顶部夹紧装置和6套侧面夹紧装置，所有夹紧装置的调整范围均为±90mm。
5.根据权利要求1所述的油箱位姿模拟试验台，其特征在于，所述负载连接法兰主要用于将负载框架与回转支承轴承连接在一起，以实现回转支承轴承携带负载框架的旋转；为了方便负载框架的装卸，负载连接法兰分4块拼接而成，包括两块上下连接法兰和两块侧面连接法连；所述负载连接法兰为一焊接件，由钢板焊接而成，其水平或立向连接板用于与负载框架本体上对应连接板固连，其圆周方向的分布孔与回转支承轴承外圈分布孔固连；为了保证法兰的连接刚度，法兰上增设了弧形和立向筋板。
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Granted publication date: 20171024 Termination date: 20200917 |
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