CN105823615B - 一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，采用内、外天平嵌套组合的测量方法实现，内天平选用常规的杆式六分量天平结构，外天平选用中空的轮辐式结构，内、外天平之间采用滚转摩擦阻尼较小的机械轴承连接；包括尾支杆、机械轴承支撑装置、模型后段和模型前段；尾支杆分别与机械轴承支撑装置、模型机构固定连接；机械轴承支撑装置与模型后段连接，模型后段与模型前段通过螺纹连接。这种气动力测量装置结构简单、体积小、刚度高，根据测量载荷匹配特点和天平结构约束条件将不同的测量分量分布在内、外天平上，适用于小不对称再入体气动力测量的高超声速风洞试验，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰，提高测量精准度。

Description

一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置。

背景技术

传统的轴对称高超声速再入体（如洲际导弹弹头、返回式卫星等，以下简称再入体），一般采用零攻角惯性再入方式，再入体端部烧蚀外形总体上呈轴对称分布、外形不对称程度低。特别是大型化再入体的质量、惯量和尺寸都比较大，因而上述外形变化对再入体气动性能的影响相对较小。而目前，某些高超声速再入体采用小倾角再入方式，再入过程中不可避免地产生小不对称烧蚀现象，将对再入体的气动力特性（包括的升阻特性、力矩特性）和静动态稳定性等产生明显影响；而同时因控制系统的需要，系统对小倾角再入体气动特性的预测精度提出了更高的要求，滚转气动力矩系数误差常值项预测精度需达到10^-5量级（滚转力矩测量精度需达到10^-2Nm量级，即再入体模型支撑装置自身的滚转阻尼力矩需达到10^-2Nm量级）。因此，如何精确预测小不对称烧蚀外形再入体的气动特性，是型号设计必须解决的关键技术问题。

目前，高超声速风洞气动力试验是获得高超声速再入体气动力特性数据、评估其气动性能的主要手段之一。新型高超声速再入体的气动布局、小不对称烧蚀以及控制系统对气动特性系数预示精度要求高等特点，对弹头气动特性的风洞试验预测精度提出了很高的要求，包括小不对称外形高精度六分量气动特性、小滚转力矩高精度测量等，都是尚未完全解决的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置。

本发明的机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特点是：包括尾支杆、机械轴承支撑装置、模型后段、模型前段、楔形键和第一平键；尾支杆后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆前端与机械轴承支撑装置中的内天平通过1:5锥面、第一平键、楔形键固定连接；机械轴承支撑装置与模型后段之间采用1:10锥面连接，通过开槽带销螺钉定位、紧固；模型后段与模型前段通过螺纹固定连接。

所述的机械轴承支撑装置是小不对称再入体气动力测量试验装置的主要部件，包括内天平、内轴、轴承后压环、深沟球轴承、外套、轴承前压环、外天平、外六角头螺栓、平垫、弹性垫片、第二平键、内六角螺钉、M5带销螺钉和开槽带销螺钉；内天平与内轴之间采用第二平键定位、1:5锥面连接紧固，内天平与外天平之间采用第二平键定位、螺栓紧固连接；内轴与外套之间采用两个深沟球轴承连接，内轴与外套之间可实现滚转摩擦阻尼达到10^-2Nm量级的相对转动，深沟球轴承两端分别采用轴承后压环和轴承前压环压紧；外套与外天平通过M5带销螺钉实现小间隙配合，当内轴与外套之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉驱动外天平外环产生转动，使得外天平的内环和外环之间产生变形，测量变形输出即可得到滚转力矩。

所述的机械轴承支撑装置与再入体模型连接位置处于模型的中后部；所述的深沟球轴承选用洛阳轴研科技有限公司的ZYS精密深沟球轴承61808。

所述的内天平采用常规的杆式六分量天平结构，直径为Ф30mm，轴向力元件采用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱；内天平的、、、和分量采用三柱矩形梁典型结构，对称布置于轴向力元件两端，尽量增大天平横侧向、和分量以及分量的应变信号输出；内天平的前后锥装配面与测量梁中间设置过渡段，减小装配应力影响。

所述的外天平采用中空的轮辐式结构，包括内环、外环、T型结构和矩形柱；内环为固定端，通过1:5配合锥面、第二平键与内天平、内轴固定连接；外环为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉小间隙配合，M5带销螺钉与外套固定连接；T型结构为滚转力矩测量的敏感元件，内环与外环之间通过4个均布的T型结构连接；与内环固定连接的4个均布的矩形柱、外环内侧4个均布的矩形凹槽之间进行小间隙配合，构成外天平的防过载保护结构。

所述的内轴与外套之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉驱动外天平的外环进行转动，使得内环和外环之间的T型结构产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，内轴与外套之间产生较大的相对转动，矩形柱与外环内侧对应的矩形凹槽之间产生碰触，对外天平进行防过载保护。

本发明的机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置具有以下特点：

1. 采用内、外天平嵌套组合的方法测量小不对称再入体六分量气动力，以便在保证其他分量测量精度的前提下，尽可能提高小滚转力矩测量的精准度；机械轴承支撑使较小滚转力矩分量的测量受其他大载荷分量的干扰较小，并可将支撑自身的滚转摩擦阻尼对滚转力矩测量的影响减小到10^-2Nm量级水平。

2. 内天平采用常规的六分量杆式天平结构，轴向力元件采用T形梁结构，布置于天平力矩中心处，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱结构，其他元对轴向力元的干扰较小；外天平采用中空的轮辐式结构，滚转力矩元件设计量程较小，设计了防过载保护结构。

3. 机械轴承支撑装置与再入体模型的接口位置处于模型的中后部，试验过程中模型该部位的温度上升相对缓慢，尤其是内、外天平的测量元件均与再入体模型不直接接触，有利于降低试验过程中天平的温度效应。

4. 这种机械轴承支撑的气动力测量装置具有结构简单、体积紧凑、刚度高、小滚转力矩测量灵敏高等特点，适用于小不对称再入体六分量气动力测量的高超声速风洞试验。

总之，本发明的机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，采用内、外天平嵌套组合的方法测量小不对称再入体模型六分量气动力，在保证其他五分量测量精度的前提下，能大幅提高小滚转力矩测量的灵敏度和精准度；具有结构简单、体积紧凑、刚度高等特点，适用于小不对称再入体气动力测量的高超声速风洞试验。同时，这种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置适用于其他气动力测量类的风洞试验场合，尤其能够用于各种高精度的小滚转力矩测量风洞试验。

附图说明

图1为本发明的机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置示意图；

图2为本发明装置中的机械轴承支撑装置示意图；

图3为本发明装置中的内天平结构示意图；

图4为本发明装置中的内天平A-A剖视图；

图5为本发明装置中的内天平B-B剖视图；

图6为本发明装置中的外天平结构示意图；

图中，1.尾支杆 2.机械轴承支撑装置 3.模型后段 4.模型前段 5.楔形键6.第一平键 7.内天平 8.内轴 9.轴承后压环 10.深沟球轴承 11.外套 12.轴承前压环 13.外天平 14.外六角头螺栓 15.平垫 16.弹性垫片 17.第二平键 18.内六角螺钉 19.M5带销螺钉 20.开槽带销螺钉 21.内环 22.外环 23.T型结构 24.矩形柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1为小不对称再入体气动力测量装置的结构示意图，包括尾支杆1、机械轴承支撑装置2、模型后段3、模型前段4、楔形键5和第一平键6。尾支杆1后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆1前端与支撑装置2固定连接；支撑装置2与模型后段3之间采用1:10锥面连接，并通过开槽带销螺钉20定位、紧固；模型后段3与模型前段4通过螺纹固定连接。机械轴承支撑装置2与再入体模型的接口位置处于模型中后部，试验过程中模型该部位温度上升相对缓慢，并且内天平7和外天平13均与模型不直接接触，有利于降低天平的温度效应。

图2为机械轴承支撑装置2的结构示意图，包括内天平7、内轴8、轴承后压环9、深沟球轴承10、外套11、轴承前压环12、外天平13、外六角头螺栓14、平垫15、弹性垫片16、第二平键17、内六角螺钉18、M5带销螺钉19和开槽带销螺钉20。内天平7与内轴8之间采用1:5锥面、平键17连接紧固，内天平7与外天平13之间采用平键17定位、螺栓14紧固连接，保证连接可靠；内轴8与外套11之间采用两个深沟球轴承10连接，内轴8与外套11之间可实现滚转摩擦阻尼达到10^-2Nm量级的相对转动，深沟球轴承10外端分别采用轴承后压环9和轴承前压环12压紧；外套11与外天平13通过M5带销螺钉19实现小间隙配合，当内轴8与外套11之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉19驱动外天平13外环22产生转动，使得外天平13的内环21和外环22之间产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩。

结合图1和图2可知，小不对称再入体的气动力测量装置采用内天平7与外天平13嵌套组合的测量方法实现。内天平7采用常规的杆式六分量天平结构，测量除滚转力矩外五分量气动力，能够保证测量精度；外天平13采用中空的轮辐式结构，能够大幅提高小滚转力矩测量的灵敏度；内天平7与外天平13之间采用滚转摩擦阻尼较小的机械轴承支撑装置2连接。这种由分立天平元件嵌套组合的气动力测量装置，根据测量载荷匹配特点和天平结构约束条件，将不同的测量分量分布在内天平7和外天平13上，能够适应试验测量要求、降低加工难度，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰、提高测量精准度。

轴承选型：本发明的小不对称再入体气动力测量装置使用不频繁，运行时间短，轴承寿命不是主要考虑因素；滚转摩擦阻尼的大小对轴承选型起决定性作用。根据气动力测量装置的相关技术指标可知，轴承必须承受三种载荷，即试验模型自重、法向载荷和小量轴向载荷，可以等效为径向载荷和轴向载荷的组合载荷。滚转轴轴承承受的载荷等效为：承受沿风洞流场方向的轴向载荷300N，承受由模型自重和流场法向载荷导致的径向载荷1000N。根据气动力测量装置的载荷特性，轴承选用洛阳轴研科技有限公司的ZYS精密深沟球轴承61808，相关性能指标如下：

轴承内径d=40mm，D=52mm，C _r =4.49KN，C _or =4.55KN，W=0.031Kg。

估算ZYS精密深沟球轴承61808在上述组合载荷作用下的滚转阻尼力矩。轴承阻尼力矩可根据经验公式计算：

其中：μ为轴承摩擦阻尼系数，深沟球轴承摩擦阻尼系数μ的范围为0.0015-0.002，取中间值μ=0.00175；d为轴承内圈直径，d=40mm；F为当量载荷，根据轴承所受径向载荷和轴向载荷确定；。

当量载荷F计算：

其中：为滚动轴承的载荷系数，；X为轴承轴向动载荷系数；Y为轴承径向动载荷系数。

轴承所受径向载荷：

轴承所受轴向载荷：

根据（深沟球轴承），查轴承样本取判断系数e=0.44（威布尔指数）；根据，则取X=1，Y=0。可得：

代入式1中可得：

图3为内天平7的结构示意图，图4、5分别为内天平7的剖视图。内天平7采用常规的杆式六分量天平结构，直径为Ф30mm，轴向力元件采用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱。采用这种轴向力元件结构，轴向力元测量的灵敏度相对较高，其他元对轴向力元测量的干扰较小，并且温度效应相对较低。通过优化T型梁和支撑梁结构尺寸，获取较大的应变—变形比，提高整体刚度。此外，为减小支撑梁端部与本体连接部位的应力值，改变了常规支撑梁相对天平轴线等高的布置方式，而采用阶梯式布置方式，可减小局部应力集中、提高安全系数与整体刚度。内天平7的、、、和分量采用三柱矩形梁典型结构，对称布置于轴向力元件两端。在保证天平整体刚度的条件下，通过优化三柱粱结构尺寸，尽量增大天平横侧向的、和分量以及分量的应变信号输出。内天平7的前后锥装配面与测量梁中间设置过渡段，以减小装配应力的影响。

图6为外天平13的结构示意图，采用中空的轮辐式结构，包括内环21、外环22、T型结构23和矩形柱24；内环21为固定端，通过1:5配合锥面、第二平键17与内天平7、内轴8固定连接；外环22为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉19小间隙配合，M5带销螺钉19与外套11固定连接；T型结构23为滚转力矩测量的敏感元件，内环21与外环22之间通过4个均布的T型结构23连接；与内环21固定连接的4个均布的矩形柱24、外环22内侧的4个均布的矩形凹槽之间进行小间隙配合，构成外天平13的防过载保护结构。

内轴8与外套11之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉19驱动外天平13的外环22进行转动，使得内环21和外环22之间的T型结构23产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，内轴8与外套11之间产生较大的相对转动，矩形柱24与外环22内侧对应的矩形凹槽产生碰触，对外天平13进行防过载保护。T型结构上、下的多片梁结构主要用作支撑梁，使其能够承受较大的法向载荷和一定的侧向载荷，并尽可能削弱其滚转自由度刚度以满足滚转灵敏度设计要求。经计算分析，滚转力矩元件可以满足10^-2Nm量级滚转力矩测量需求。

这种机械轴承支撑的气动力测量装置，采用内、外天平嵌套组合的测量方法实现；根据测量载荷匹配特点和天平结构约束条件，将不同的测量分量分布在内、外天平上；在保证其他五分量气动力测量精度的同时，能够大幅提高滚转力矩分量的测量灵敏度和精准度；具备结构简单、体积小、整体刚度高等特点，适用于小不对称再入体六分量气动力测量的高超声速风洞试验。这种由分立天平元件嵌套组合的气动力测量装置，能够适应试验要求、降低加工难度，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰、提高测量精准度，对其他小滚转力矩测量类的高超声速风洞试验也具有重要意义。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：包括尾支杆（1）、机械轴承支撑装置（2）、模型后段（3）、模型前段（4）、楔形键（5）和第一平键（6）；尾支杆（1）后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆（1）前端与机械轴承支撑装置（2）中的内天平（7）通过1:5锥面、第一平键（6）、楔形键（5）固定连接；机械轴承支撑装置（2）与模型后段（3）之间采用1:10锥面连接，通过开槽带销螺钉（20）定位、紧固；模型后段（3）与模型前段（4）通过螺纹固定连接；

所述的机械轴承支撑装置（2）是小不对称再入体气动力测量装置的主要部件，包括内天平（7）、内轴（8）、轴承后压环（9）、深沟球轴承（10）、外套（11）、轴承前压环（12）、外天平（13）、外六角头螺栓（14）、平垫（15）、弹性垫片（16）、第二平键（17）、内六角螺钉（18）、M5带销螺钉（19）和开槽带销螺钉（20）；内天平（7）与内轴（8）之间采用第二平键（17）定位、1:5锥面连接紧固，内天平（7）与外天平（13）之间采用第二平键（17）定位、外六角头螺栓（14）紧固连接；内轴（8）与外套（11）之间采用两个深沟球轴承（10）连接，内轴（8）与外套（11）之间可实现滚转摩擦阻尼达到10^-2Nm量级的相对转动，深沟球轴承（10）两端分别采用轴承后压环（9）和轴承前压环（12）压紧；外套（11）与外天平（13）通过M5带销螺钉（19）实现小间隙配合，当内轴（8）与外套（11）之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉（19）驱动外天平（13）的外环（22）产生转动，使得外天平（13）的内环（21）和外环（22）之间产生变形，测量变形输出即可得到滚转力矩。

2.根据权利要求1所述的一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的机械轴承支撑装置（2）与模型连接位置处于模型的中后部；所述的深沟球轴承（10）选用洛阳轴研科技有限公司的ZYS精密深沟球轴承61808。

3.根据权利要求1所述的一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特 征在于：所述的内天平（7）采用常规的杆式六分量天平结构，直径为Ф30mm，轴向力元件采 用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑 梁；内天平（7）的xml1417.tmp1.xml、xml1418.tmp1.xml、xml1419.tmp1.xml、xml141A.tmp1.xml和xml141B.tmp1.xml分量采用三柱矩形梁典型结构，对称布置于轴向力元件 两端，尽量增大天平横侧向xml141C.tmp1.xml、xml141D.tmp1.xml和xml141E.tmp1.xml分量以及xml141F.tmp1.xml分量的应变信号输出；内天平（7）的前 后锥装配面与测量梁中间设置过渡段，减小装配应力影响。

4.根据权利要求1所述的一种机械轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的外天平（13）采用中空的轮辐式结构，包括内环（21）、外环（22）、T型结构（23）和矩形柱（24）；内环（21）为固定端，通过1:5配合锥面、第二平键（17）与内天平（7）、内轴（8）固定连接；外环（22）为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉（19）小间隙配合，M5带销螺钉（19）与外套（11）固定连接；T型结构（23）为滚转力矩测量的敏感元件，内环（21）与外环（22）之间通过4个均布的T型结构（23）连接；与内环（21）固定连接的4个均布的矩形柱（24）、外环（22）内侧的4个均布的矩形凹槽之间进行小间隙配合，构成外天平（13）的防过载保护结构；

所述的内轴（8）与外套（11）之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉（19）驱动外天平（13）的外环（22）进行转动，使得内环（21）和外环（22）之间的T型结构（23）产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，内轴（8）与外套（11）之间产生较大的相对转动，矩形柱（24）与外环（22）内侧对应的矩形凹槽产生碰触，对外天平（13）进行防过载保护。