CN106768829B - 一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置 - Google Patents

一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，包括：驱动底座、安装平台和电动缸；其中，所述驱动底座与所述安装平台相连接，所述安装平台能够相对于所述驱动底座运动；所述电动缸与所述安装平台相连接；所述安装平台用于放置试验模型。本发明不仅使得结构简单、成本较低、便于操作和维护，而且所需投放力相对较小。

Description

一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置
技术领域
本发明涉及高温风洞试验技术领域，尤其涉及一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置。
背景技术
高温超声速燃气流风洞是高温热隔热地面考核和验证最重要、最有效的试验手段之一，可以有效降低飞行试验风险和研制成本。高温超声速燃气流风洞主要由燃气发生器、超音速喷管、试验舱、模型投放装置、模型支架及试验模型、燃气收集器、扩压器、喷水降温段、喷淋冷凝段及抽真空装置等组成。
模型投放装置作为高温超声速燃气流风洞试验系统的重要组成部分，其主要作用在于试验初始阶段能够保证风洞系统的顺利启动，以及试验结束阶段对试验模型的保护。
为保证高温超声速燃气流风洞在负压状态下的顺利启动，最大限度降低试验模型对风洞系统的堵塞效应，通常在试验前将试验模型安装在模型投放装置上，但并不放置在试验舱内的高温燃气流场试验区域内，不堵塞超音速喷管出口，确保高温超声速燃气流风洞在试验初始阶段能够顺利启动。在风洞顺利启动、高温燃气流场稳定后，再通过模型投放装置将试验模型动态投放至试验流场的指定区域内进行高温防隔热考核验证试验。
在试验结束阶段，为避免试验结束时高温燃气流反冲对试验模型带来的损坏，通常在试验结束前就通过模型投放装置将试验模型撤离高温燃气流场试验区域。
目前，国内外具备模型投放功能的高温风洞(如美国八英尺风洞等)所采用的模型投放方案均为底部投放方案(如附图1所示)，该方案虽具有热防护难度低、模型尺寸限制小等优点，但其不仅结构和地基较复杂，成本较高，而且所需投放力很大，一般都需要引入液压系统，会对高温风洞带来额外的安全隐患。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，不仅使得结构简单、成本较低、便于操作和维护，而且所需投放力相对较小。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，包括：驱动底座、安装平台和电动缸；其中，所述驱动底座与所述安装平台相连接，所述安装平台能够相对于所述驱动底座运动；所述电动缸与所述安装平台相连接，所述电动缸用于驱动所述安装平台运动；所述安装平台用于放置试验模型。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，所述驱动底座包括基座、滑块和两个导轨；其中，所述两个导轨平行的安装于所述基座；所述滑块的底部设置于所述导轨，所述滑块能够沿着所述导轨运动；所述滑块的上部与所述安装平台相连接。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，所述滑块包括第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块；其中，第一滑块和第二滑块设置于一个导轨，第三滑块和第四滑块设置于另一个导轨；第一滑块和第二滑块的间隔距离等于第三滑块和第四滑块的间隔距离；第一滑块和第三滑块的连线与导轨的轴向垂直。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，所述安装平台的上表面为正方形，其中，边长为1.0m-1.5m。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，电动缸包括电机、主螺纹丝杠、螺母和若干个小螺纹滚柱丝杠；其中，所述螺母与所述电机相连接；所述螺母套设于所述主螺纹丝杠；所述主螺纹丝杠与所述安装平台相连接；若干个小螺纹滚柱丝杠行星设置于所述螺母与所述主螺纹丝杠之间。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，所述小螺纹滚柱丝杠的数量为6-12个，6-12个小螺纹滚柱丝杠沿所述螺母的周向均匀分布。
上述高温风洞试验舱内的模型横向投放装置中，所述安装平台的材料为HT200材料。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的结构简单，便于操作和维护，有效降低成本，并且所需的投放力较小；
(2)本发明通过电动缸提供动力，相比于现有技术中的液压系统安全可靠；
(3)本发明通过采用行星滚柱丝杠副的电动缸作为动力源，与现有的滚珠丝杠副不同，行星滚柱丝杠副载荷传递的元件为螺纹滚柱，由众多的螺纹线来支撑负载，不仅接触面显著增加，而且有效避免了高速旋转时滚珠间相互碰撞的问题，具有高刚性、高承载能力，抗冲击性能好、输出速度高、启动特性好、寿命长的特点；
(4)本发明的安装平台选择为HT200材料，满足热变形小，热传导率小，比热容相对要大，刚度大，吸震效果好，加工性好的效果；
(5)本发明选用此导轨，动载荷安全系数为3、静载荷安全系数为4.5，根据《产品样本》，滑块可以承受加大振动。
附图说明
图1是现有技术的模型底部投放装置示意图；
图2是本发明的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置的结构示意图；
图3是本发明的驱动底座的结构示意图；
图4是本发明的安装平台的结构示意图；
图5是本发明的电动缸中行星滚柱丝杠的结构示意图；
图6是本发明的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置在试验舱内投放示意图；
图7(a)是本发明的安装平台与滑块的连接示意图；
图7(b)是本发明的安装平台与滑块的连接又一示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图2是本发明的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置的结构示意图。如图2所示，该高温风洞试验舱内的模型横向投放装置包括：驱动底座100、安装平台200和电动缸300；其中，驱动底座100设置于安装平台200，安装平台200能够相对于驱动底座100运动；电动缸300与安装平台200相连接；安装平台200用于放置试验模型。
如图6所示，试验前将本实施例的模型横向投放装置放置于超音速喷管出口侧方，确保高温超声速燃气流风洞在试验初始阶段能够顺利启动。在风洞顺利启动、高温燃气流场稳定后，再通过模型投放装置将试验模型横向投放至试验流场的指定区域内进行高温防隔热考核验证试验。试验结束前，通过模型投放装置将试验模型横向撤离高温燃气流场试验区域，避免试验结束时高温燃气流反冲对试验模型带来的损坏。通过在试验舱内气流中心水平面内气流的垂直方向上设置驱动底座，按照试验要求对试验模型进行横向投放操作。通过采用模型横向投放技术，将需要平衡的垂直方向的重力改为了水平方向的摩擦力，可以大幅减小模型投放所需驱动力，还可以简化结构，降低地基要求，便于操作和维护，有效降低成本。
本实施例的模型横向投放装置简化结构，降低地基要求，便于操作和维护，有效降低成本，并且所需的投放力较小。
上述实施例中，如图2所示，驱动底座100包括基座110、滑块120和两个导轨130；其中，两个导轨130平行的安装于基座110；滑块120的底部设置于导轨130，滑块120能够沿着导轨130运动；滑块120的上部与安装平台200相连接。
具体的，基座110与试验舱基础相连接，两个导轨130和滑块120承受轴向载荷、垂直载荷和翻转力矩。
驱动底座上的导轨滑块需承担除了电动缸方向，其它两个方向的力，以及受力点到滑块因高度差产生的力矩。通过分析平台和滑块等部件的受力和力矩，对导轨进行合理设计选型。
对于本实施例中通过分析平台和滑块部件的受力和力矩，对滑动导轨进行合理设计选型具体步骤如下:
导轨滑块需承担除了电动缸方向，其它两个方向的力，以及受力点到滑块因高度差产生的力矩。具体选型过程如下：
作用在平台下表面的力和力矩：如图7(a)和图7(b)所示X为沿运动平台运动方向；Z为喷管轴向方向；Y为铅垂方向。其中，安装平台与滑块整体受力为：FX＝50KN、FZ＝20KN、FY＝30KN，安装平台与滑块重力G＝30KN，其作用点距安装平台台面1.5m，所造成的力矩为：
Mz＝FX×H＝50×1.5＝75KNm
Mx＝FZ×H＝20×1.5＝30KNm
滑块受力分析：经过分析滑块在其压向承受最大载荷为：
Pmax＝(Fy+G)/4+(FX×H)/(L×2)+(Fz×H)/(b×2)
＝(30+30)/4+(50×1.5)/(0.8×2)+(20×1.5)/(0.7×2)
＝84kN
根据平台和滑块部件的受力和力矩可选择导轨为：选用导轨型号：MSA65LE；技术指标：动态C＝260KN；静态C0＝380KN。
本实施例选用此导轨，动载荷安全系数为3、静载荷安全系数为4.5，根据《产品样本》，滑块可以承受加大振动，满足设计要求。
基座110由350mm×150mm×10mm(宽×高×厚)的矩形Q345钢管焊接而成的框架结构。
上述实施例中，如图3所示，滑块120包括第一滑块121、第二滑块122、第三滑块123和第四滑块124；其中，第一滑块121和第二滑块122设置于一个导轨130，第三滑块123和第四滑块124设置于另一个导轨130；第一滑块121和第二滑块122的间隔距离等于第三滑块123和第四滑块124的间隔距离；第一滑块121和第三滑块123的连线与导轨130的轴向垂直。
具体的，第一滑块121、第二滑块122、第三滑块123和第四滑块124四个滑块设置于安装平台200的四个底角上，由于安装平台200的形状一般为长方体，从而使得四个滑块能够很好的与安装平台的形状相匹配，由于四个滑块如图2所示的分布形式，从而使得各个滑块受到的力相当大小，从而能够很好的支撑安装平台，有利于安装平台在导轨上运动。
上述实施例中，如图4所示，安装平台200的上表面为正方形，其中，边长为1.0m-1.5m。具体实施时，安装平台200的材质选用大多数机床立柱、床身、箱体等器件优选的HT200材料，这种材料能够满足热变形小，热传导率小，比热容相对要大，刚度大，吸震效果好，加工性好等效果。安装平台200的上表面设置有标准梯形螺栓槽孔，可将其上表面作为安装试验模型及模型支架的基准平面，用于连接安装试验模型或模型支架模型，并且安装平台的下表面设置有多个盲孔，从而可以减小其安装平台的重量，能够方便的推动安装平台运动，从而大大减小了电动缸的输出动力。
上述实施例中，如图5所示，电动缸300包括电机、主螺纹丝杠310、螺母320和若干个小螺纹滚柱丝杠330；其中，螺母320与电机相连接；螺母320套设于主螺纹丝杠310；主螺纹丝杠310与安装平台200相连接；若干个小螺纹滚柱丝杠330行星设置于螺母320与主螺纹丝杠310之间。主螺纹丝杠310、螺母320和若干个小螺纹滚柱丝杠330组成了行星滚柱丝杠。
具体的，电动缸是驱动电机将旋转运动转换为输出轴直线运动的机械装置，其原理主要依靠当中的行星滚柱丝杠来实现。通过在主螺纹丝杠310和螺母320之间，行星布置了若干根小螺纹滚柱丝杠330，这样在电机带动螺母320的旋转运动时，数根小螺纹滚柱丝杠330围绕主螺纹丝杠310轴心做行星运动，螺母320轴向位置不动，主螺纹丝杠310做轴向直线运动。不仅接触面显著增加，而且有效避免了高速旋转时现有技术中滚珠间相互碰撞的问题，具有高刚性、高承载能力，抗冲击性能好、输出速度高、启动特性好、寿命长等特点。本实施中的主螺纹丝杠310速度可达2000mm/s，最大加速度可达近30m/s2，能够解决现有技术中模型横向投放机构运转速度慢的问题。
上述实施例中，小螺纹滚柱丝杠330的数量为6-12个，6-12个小螺纹滚柱丝杠330沿螺母320的周向均匀分布。6-12个小螺纹滚柱丝杠330通过这种布置，使得螺母320通过小螺纹滚柱丝杠330很容易带动主螺纹丝杠310运动，从而节省了动力。
本发明的结构简单，便于操作和维护，有效降低成本，并且所需的投放力较小；并且本发明通过电动缸提供动力，相比于现有技术中的液压系统安全可靠；并且本发明通过采用行星滚柱丝杠副的电动缸作为动力源，与现有的滚珠丝杠副不同，行星滚柱丝杠副载荷传递的元件为螺纹滚柱，由众多的螺纹线来支撑负载，不仅接触面显著增加，而且有效避免了高速旋转时滚珠间相互碰撞的问题，具有高刚性、高承载能力，抗冲击性能好、输出速度高、启动特性好、寿命长的特点；并且本发明的安装平台选择为HT200材料，满足热变形小，热传导率小，比热容相对要大，刚度大，吸震效果好，加工性好的效果。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，其特征在于包括：驱动底座(100)、安装平台(200)和电动缸(300)；其中，
所述驱动底座(100)与所述安装平台(200)相连接，所述安装平台(200)能够相对于所述驱动底座(100)运动；
所述电动缸(300)与所述安装平台(200)相连接，所述电动缸(300)用于驱动所述安装平台(200)运动；
所述安装平台(200)用于放置试验模型；
其中，电动缸(300)包括电机、主螺纹丝杠(310)、螺母(320)和若干个小螺纹滚柱丝杠(330)；其中，
所述螺母(320)与所述电机相连接；
所述螺母(320)套设于所述主螺纹丝杠(310)；
所述主螺纹丝杠(310)与所述安装平台(200)相连接；
若干个小螺纹滚柱丝杠(330)行星设置于所述螺母(320)与所述主螺纹丝杠(310)之间；
所述驱动底座(100)包括基座(110)、滑块(120)和两个导轨(130)；其中，
所述两个导轨(130)平行的安装于所述基座(110)；
所述滑块(120)的底部设置于所述导轨(130)，所述滑块(120)能够沿着所述导轨(130)运动；
所述滑块(120)的上部与所述安装平台(200)相连接；
根据平台和滑块部件的受力和力矩得到两个导轨(130)的导轨型号：MSA65LE、技术指标：动态C＝260KN，静态C0＝380KN；其中，平台和滑块部件的力矩通过如下步骤得出：X为沿运动平台运动方向；Z为喷管轴向方向；Y为铅垂方向；其中，安装平台与滑块整体受力为：FX＝50KN、FZ＝20KN、FY＝30KN，安装平台与滑块重力G＝30KN，其作用点距安装平台台面的距离H为1.5m，所造成的力矩为：Mz＝FX×H＝50×1.5＝75KNm；Mx＝FZ×H＝20×1.5＝30KNm；其中，Mz为Z方向力矩，Mx为X方向力矩；
滑块受力为：
Pmax＝(Fy+G)/4+(FX×H)/(0.8×2)+(Fz×H)/(0.7×2)
＝(30+30)/4+(50×1.5)/(0.8×2)+(20×1.5)/(0.7×2)
＝83.3kN。
2.根据权利要求1所述的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，其特征在于：所述滑块(120)包括第一滑块(121)、第二滑块(122)、第三滑块(123)和第四滑块(124)；其中，
第一滑块(121)和第二滑块(122)设置于一个导轨(130)，第三滑块(123)和第四滑块(124)设置于另一个导轨(130)；
第一滑块(121)和第二滑块(122)的间隔距离等于第三滑块(123)和第四滑块(124)的间隔距离；
第一滑块(121)和第三滑块(123)的连线与导轨(130)的轴向垂直。
3.根据权利要求1所述的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，其特征在于：所述安装平台(200)的上表面为正方形，其中，边长为1.0m-1.5m。
4.根据权利要求1所述的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，其特征在于：所述小螺纹滚柱丝杠(330)的数量为6-12个，6-12个小螺纹滚柱丝杠(330)沿所述螺母(320)的周向均匀分布。
5.根据权利要求1所述的高温风洞试验舱内的模型横向投放装置，其特征在于：所述安装平台(200)的材料为HT200材料。
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