CN107621349A - 一种风洞半模型变角度机构 - Google Patents

Abstract

一种风洞半模型变角度机构，包括大、小转窗系统、驱动系统、传动系统和限位系统。所述的大转窗系统，包括大转窗、大半径弧形滑轨、若干大半径滑块，大半径弧形滑轨固定在试验段壁板上，大半径滑块与大转窗固定，大转窗能够在试验段壁板上转动大转窗通过大半径弧形滑轨支撑在试验段壁板上。偏心的小转窗通过小半径弧形滑轨支撑在大转窗上，由伺服电机、减速器驱动，蜗轮蜗杆传动，带动半模型转动。通过限位系统，确保小转窗不超出设定的转动范围，限位系统包括控制和机械双重防护功能。X型支撑架能够由丝杠推动，沿光杠移动并由锁紧装置锁定位置，从而调整模型与壁板的间距。本发明结构紧凑，实验性能稳定、可靠，精度高。

Description

一种风洞半模型变角度机构

技术领域

本发明涉及的是风洞试验设备，具体涉及一种风洞半模型变角度机构。

背景技术

在风洞试验中，通常由于风洞试验段的尺寸比真实飞机/飞行器的尺寸小，需要将飞机/飞行器缩小到适合风洞试验的尺寸，做成模型，在风洞中进行试验。模型有全模型和半模型。相比于全模型，在风洞试验段横截面尺寸相同的条件下，半模型尺寸比全模型大，一方面使模型的强度、刚度得到了增强，模型几何外形模拟可更精确些，且雷诺数高；半模试验是从纵向对称面处支撑模型，没有全模型试验的尾支杆支撑或腹部支撑干扰，无需这方面的修正；模型靠近洞壁，天平和试验装置可以装在试验段外面，便于天平和试验装置的设计、安装，便于测压管路和各种测控信号线路的敷设。

半模型用变角度机构支撑在试验段的壁板上。亚声速时，尾撑机构干扰区相对较长，模型位置应靠前；而低超声速时，由于加速区的存在，模型位置又要靠后，现有的半模角度机构的旋转部件的旋转轴线在试验段上的位置固定，无法做到兼顾。此外，旋转部件的精度较低，维护不便，长期运行磨损导致间隙加大，影响运转的精度和平稳性。通常，半模天平所处的空间与风洞内的流场连通，流场内气流的温度变化直接影响天平的温度，进而影响天平的测量精度。现有的风洞变半模型角度机构通常只具备改变模型角度的基本功能。

发明内容

本发明是针对半模型试验的需求和现有机构的不足，提供一种风洞半模型变角度机构，能够改变半模型旋转轴在风洞轴向的位置，使模型处在合适的流场区域内，模型能够沿试验段横向移动，并设置锁紧结构，使模型在设计的行程内的任意位置锁定，调整模型在风洞内横向的位置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种风洞半模型变角度机构，包括大、小转窗系统、驱动系统、传动系统和限位系统，驱动系统和传动系统连接，

所述的大转窗系统，包括大转窗(4)、大半径弧形滑轨(5)、若干大半径滑块(31)，大半径弧形滑轨(5)固定在试验段壁板上，大半径滑块(31)与大转窗(4)固定，大转窗(4)能够在试验段壁板上转动；

所述的驱动系统和传动系统固定在大转窗(4)上，驱动系统和传动系统连接；传动系统和小转窗系统连接；

所述的小转窗系统，包括小转窗(23)、小半径弧形滑轨(22)及若干小半径滑块(30)、光杠(24)、丝杠(26)、锁紧装置、波纹套(28)、隔热棉(29)、 X型支撑架(25)，小转窗(23)与大转窗(4)在平行于试验段轴线的方向上有偏心量，小半径弧形滑轨(22)固定在大转窗(4)上，小半径滑块(30)与小转窗(23)固定，光杠(24)及丝杠(26)的两端分别支撑在小转窗(23) 的前端面和小转窗(23)的后端板(27)上，小转窗(23)的后端板(27)与小转窗(23)前端面固定连接，X型支撑架(25)的端部有垂直于X支撑架(25) 的圆柱孔，光杠(24)从中穿过，支撑着X型支撑架(25)，X型支撑架(25) 的中部有一个锥孔，锥孔的下方有一个梯形螺纹孔，丝杠(26)穿过X型支撑架(25)，X型支撑架(25)上有配套的梯形螺纹，转动丝杠(26)，推动X型支撑架(25)沿光杠(24)移动，X型支撑架(25)移动到位后，用锁紧装置锁定X型支撑架(25)的位置，每套锁紧装置包括a钢柱(32)和b钢柱(33) 和一个螺钉，其中a钢柱(32)的轴线上有通孔，b钢柱(33)的轴线上有螺纹孔，a钢柱(32)和b钢柱(33)嵌套在X型支撑架(25)的端部的孔内，孔的轴线与光杠(24)的轴线垂直，且有一定的偏移量，两圆柱与光杠(24)形成相贯的位置关系，两钢柱跨过光杠(24)相对安装，两钢柱与光杠(24)相贯的地方为部分圆柱面，螺钉穿过带通孔a钢柱(32)，拧入带螺纹孔的b钢柱(33)，拧紧螺钉，两钢柱的圆柱面将光杠(24)抱紧，从而锁定X型支撑架(25)与光杠(24)的相对位置，测力用的天平安装到所述的X型支撑架(25)中部的锥孔内，后端用螺母拉紧天平，波纹套(28)一端与X型支撑架(25)连接，另一端与天平用连接，波纹套(28)内衬隔热棉(29)；

所述的限位系统，包括两个非接触式限位开关(3)和两个限位挡块(1)，大转窗(4)上方固定有一个限位挡块(1)和非接触式限位开关(3)，大转窗 (4)下方也固定有一个限位挡块(1)和非接触式限位开关(3)，每个非接触式限位开关(3)的作用范围在其相邻的限位挡块(1)的前面。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的驱动系统，包括伺服控制系统、减速器(9)、减速器固定座(8)、伺服电机(12)、电机固定座(11)、联轴器(10)，减速器固定座(8)固定在大转窗(4)上，减速器固定座与减速器(9)连接，电机固定座(11)，固定在大转窗(4)上，伺服电机(12)和减速器(9)之间用联轴器(10)传动，伺服控制系统与伺服电机(12)电信号连接。

2、所述的传动系统包括蜗轮(14)、蜗杆(13)、成对安装的圆锥滚子轴承 (19)、深沟球轴承(16)、两个轴承密封圈(17)、a轴承座(15)和b轴承座 (21)；蜗轮(14)和蜗杆(13)啮合，蜗轮(14)与小转窗(23)固连，蜗杆 (13)支撑在a轴承座(15)和b轴承座(21)上，a轴承座(15)内装深沟球轴承(16)，b轴承座(21)内装圆锥滚子轴承(19)，a轴承座(15)和b轴承座(21)内安装轴承密封圈(17)，a轴承座(15)和b轴承座(21)固定在大转窗(4)上，小转窗(23)外圈与蜗轮(14)固定连接。

3、当小转窗(23)运转到距离任一个非接触式限位开关(3)一定距离内，非接触式限位开关(3)即反馈信号给伺服控制系统，伺服电机(12)停止转动，小转窗(23)也随之停止转动，起第一道限位的作用，当非接触式限位开关(3) 失效，限位挡块(1)硬性限制机构的进一步运行，限位挡块(1)的表面固定有橡胶板(2)

4、所述的大转窗(4)和小转窗(23)为偏心，大转窗(4)转动180°后，能够改变小转窗(23)的转心在风洞轴向的位置，从而改变模型在风洞内的位置。

5、所述的支撑天平的X型支撑架(25)能够沿光杠(24)移动，从而改变模型与试验段壁板的间距，将模型置于合适的流场内。

6、将大转窗正转180°或反转180°后，大转窗(4)上的销孔与试验段壁板上的销孔对正，用销(6)与试验段壁板定位。

本发明的特点是：结构紧凑，实验性能稳定、可靠，精度高，能够在有限的空间内，实现半模型安装、改变在流场中的位置、变攻角、隔热等功能。为天平测力元件加装封闭隔热结构，降低流场温度变化对天平测量的影响。为小转窗设置限位系统，防止机构运行超限而导致模型与试验段发生碰撞。

附图说明

图1是半模型变角度机构的主视图；

图2是半模型变角度机构的俯视图；

图3是图1中放大视图I；

图4是图1中的A-A剖视图；

图5是图1中的B-B剖面视图；

图6是图5中的C-C、D-D剖面旋转视图。

具体实施方式

下面根据附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

参见附图1～6所示，一种风洞半模型变角度机构，包括大转窗系统、驱动系统、传动系统、小转窗系统和限位系统；

所述的大转窗系统，包括大转窗4、大半径弧形滑轨5、若干大半径滑块31、销6。大半径弧形滑轨5固定在试验段壁板上，大半径滑块31与大转窗4固定，大转窗4能够在试验段壁板上顺畅转动。采用手动的方式转动大转窗4，正向 180°或反向转动180°，大转窗4上的销孔与试验段壁板上的销孔对正后，用销6与试验段壁板定位。

所述的驱动系统，包括高精度的减速器9及减速器固定座8、伺服电机12 及电机固定座11、联轴器10，减速器固定座8用螺栓固定在大转窗4上，上面有带孔的双耳片，与减速器上的单耳片用销轴7连接。电机固定座11用螺钉和销固定在大转窗4上，为节省空间，高精度的减速器9为输入轴与输出轴平行的形式。伺服电机12和减速器9之间用联轴器10传动。

所述的传动系统包括蜗轮14、蜗杆13、成对安装的圆锥滚子轴承19、深沟球轴承16、轴承密封圈17、a轴承座15和b轴承座21；蜗轮14和蜗杆13啮合。蜗轮14与小转窗23固连，蜗杆13驱动蜗轮14连同小转窗23转动，蜗杆 13支撑在a轴承座15和b轴承座21上，a轴承座15内装深沟球轴承16，b轴承座21内装圆锥滚子轴承19，在蜗杆13与轴承座间形成滚动摩擦，提高效率。 a轴承座15和b轴承座21内安装轴承密封圈17。用螺钉将a轴承座15和b轴承座21固定在大转窗4上。蜗杆13由驱动系统驱动。

所述的小转窗系统，包括小转窗23、小半径弧形滑轨22及若干小半径滑块 30、光杠24、丝杠26、锁紧结构、波纹套28、隔热棉29、X型支撑架25。小转窗23与大转窗4在平行于试验段轴线的方向上有一定的偏心量。小半径弧形滑轨22固定在大转窗4上，小半径滑块30与小转窗23固定。小转窗23外圈与蜗轮14用若干销及螺钉固定，并由蜗轮14驱动。光杠24及丝杠26的两端支撑在小转窗23的前端面和后端板27上。后端板27用螺钉固定在小转窗23的端面。X型支撑架25的端部有垂直于X型支撑架25的圆柱孔，孔内镶铜套 34，光杠24从铜套34中穿过，支撑着X型支撑架25。X型支撑架25的中部有一个锥孔，用于连接天平。锥孔的下方有一个梯形螺纹孔，丝杠26穿过X型支撑架25，X型支撑架25上有配套的梯形螺纹，转动丝杠26，推动X型支撑架25沿光杠24移动。移动到位后，用锁紧装置锁定X型支撑架25的位置。每套锁紧装置包括a钢柱32和b钢柱33和一个螺钉，其中a钢柱32的轴线上有通孔，b钢柱33的轴线上有螺纹孔。a钢柱32和b钢柱33嵌套在X型支撑架 25的端部的孔内，孔的轴线与光杠24的轴线垂直，且有一定的偏移量，两圆柱与光杠24形成相贯的位置关系，两钢柱跨过光杠24相对安装，两钢柱与光杠 24相贯的部分加工掉，形成部分圆柱面，螺钉穿过带通孔a钢柱32，拧入带螺纹孔的b钢柱33，拧紧螺钉，两钢柱的圆柱面将光杠24抱紧，从而锁定X型支撑架25与光杠24的相对位置。测力用的天平安装到X型支撑架25中部的锥孔内，后端用螺母拉紧天平。波纹套28一端与X型支撑架25用螺钉连接，另一端与天平用螺钉连接，波纹套28内衬隔热棉29。波纹套28的刚度足够小，对天平测力产生的影响可忽略。天平另一端与模型固定。

所述的限位系统，包括两个非接触式限位开关3和两个限位挡块1，大转窗 4上方固定有一个限位挡块1和非接触式限位开关3，大转窗4下方也固定有一个限位挡块1和非接触式限位开关3，每个非接触式限位开关3的作用范围在其相邻的限位挡块1的前面。小转窗23运转到距离限位开关一定距离内，非接触式限位开关3即可反馈信号给伺服控制系统，伺服电机12停止转动，小转窗23 也随之停止转动。非接触式限位开关3的作用范围在限位挡块1的前面，起第一道限位的作用。倘若非接触式限位开关3失效，限位挡块1可硬性限制机构的进一步运行。限位挡块1的表面固定有橡胶板2，减少碰撞时的冲击。提供控制和机械双重防护，防止小转窗转动过大的角度而导致蜗轮蜗杆的啮合脱出。

大转窗和小转窗为偏心结构，大转窗转动180°，能够改变模型在风洞轴轴向的位置，能够为不同的模型选择更合适的流场范围。小转窗由高精度的驱动、传动系统，能够准确改变模型的攻角。高精度的转动元件使转动顺畅，转动轨迹准确。非接触式限位开关和限位挡块能够防止小转窗转动超限。模型能够沿垂直于试验段壁板的方向移动，方便调整模型与壁板的距离，同时也方便模型的安装及拆卸。内嵌隔热棉的波纹套消除温度变化对天平对影响，同时，刚度足够小的波纹套不会对天平的影响可忽略。

本实施例的工作过程及原理：

1、大转窗转动180°后，与大转窗偏心的小转窗的位置沿风洞轴线方向发生改变，从而改变了模型在风洞轴线方向的位置，能够更大范围的满足不同模型的试验需求。高精度的弧形滑轨滑块能够充分满足转动的精度要求。

2、伺服系统驱动蜗轮蜗杆，配合大减速比，能够充分提高模型的定位精度和重复性精度。成对安装的圆锥滚子轴承能够很好的承受蜗杆上的轴向力和径向力。

3、转动丝杠，推动X型支撑架沿光杠移动，适应不同长度的天平。同时能够调整模型和试验段壁板的距离，更大程度上满足不同试验的需求。拧紧锁紧结构的螺钉，即可固定X型支撑架的位置，也就固定了模型与试验段壁板的距离。

4、波纹套筒的刚度足够小，对天平测量的精度影响可忽略。内衬的保温棉能够防止流场温度变化对天平测量的影响。

5、为小转窗设置限位系统，包括限位开关和限位挡块。可防止蜗轮蜗杆的啮合脱出。限位开关为非接触式，小转窗运转到距离限位开关一定距离内，限位开关即可反馈信号给伺服控制系统，停止小转窗的转动。限位开关布置在限位挡块的前面，起第一道限位的作用。倘若限位开关失效，限位挡块可硬性限制机构的进一步运行。

Claims (7)

1.一种风洞半模型变角度机构，包括大、小转窗系统、驱动系统、传动系统和限位系统，驱动系统和传动系统连接，其特征在于：

所述的大转窗系统，包括大转窗(4)、大半径弧形滑轨(5)、若干大半径滑块(31)，大半径弧形滑轨(5)固定在试验段壁板上，大半径滑块(31)与大转窗(4)固定，大转窗(4)能够在试验段壁板上转动；

所述的驱动系统和传动系统固定在大转窗(4)上，驱动系统和传动系统连接；传动系统和小转窗系统连接；

所述的小转窗系统，包括小转窗(23)、小半径弧形滑轨(22)及若干小半径滑块(30)、光杠(24)、丝杠(26)、锁紧装置、波纹套(28)、隔热棉(29)、X型支撑架(25)，小转窗(23)与大转窗(4)在平行于试验段轴线的方向上有偏心量，小半径弧形滑轨(22)固定在大转窗(4)上，小半径滑块(30)与小转窗(23)固定，光杠(24)及丝杠(26)的两端分别支撑在小转窗(23)的前端面和小转窗(23)的后端板(27)上，小转窗(23)的后端板(27)与小转窗(23)前端面固定连接，X型支撑架(25)的端部有垂直于X支撑架(25)的圆柱孔，光杠(24)从中穿过，支撑着X型支撑架(25)，X型支撑架(25)的中部有一个锥孔，锥孔的下方有一个梯形螺纹孔，丝杠(26)穿过X型支撑架(25)，X型支撑架(25)上有配套的梯形螺纹，转动丝杠(26)，推动X型支撑架(25)沿光杠(24)移动，X型支撑架(25)移动到位后，用锁紧装置锁定X型支撑架(25)的位置，每套锁紧装置包括a钢柱(32)和b钢柱(33)和一个螺钉，其中a钢柱(32)的轴线上有通孔，b钢柱(33)的轴线上有螺纹孔，a钢柱(32)和b钢柱(33)嵌套在X型支撑架(25)的端部的孔内，孔的轴线与光杠(24)的轴线垂直，且有一定的偏移量，两圆柱与光杠(24)形成相贯的位置关系，两钢柱跨过光杠(24)相对安装，两钢柱与光杠(24)相贯的地方为部分圆柱面，螺钉穿过带通孔a钢柱(32)，拧入带螺纹孔的b钢柱(33)，拧紧螺钉，两钢柱的圆柱面将光杠(24)抱紧，从而锁定X型支撑架(25)与光杠(24)的相对位置，测力用的天平安装到所述的X型支撑架(25)中部的锥孔内，后端用螺母拉紧天平，波纹套(28)一端与X型支撑架(25)连接，另一端与天平用连接，波纹套(28)内衬隔热棉(29)；

所述的限位系统，包括两个非接触式限位开关(3)和两个限位挡块(1)，大转窗(4)上方固定有一个限位挡块(1)和非接触式限位开关(3)，大转窗(4)下方也固定有一个限位挡块(1)和非接触式限位开关(3)，每个非接触式限位开关(3)的作用范围在其相邻的限位挡块(1)的前面。

2.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：所述的驱动系统，包括伺服控制系统、减速器(9)、减速器固定座(8)、伺服电机(12)、电机固定座(11)、联轴器(10)，减速器固定座(8)固定在大转窗(4)上，减速器固定座与减速器(9)连接，电机固定座(11)，固定在大转窗(4)上，伺服电机(12)和减速器(9)之间用联轴器(10)传动，伺服控制系统与伺服电机(12)电信号连接。

3.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：所述的传动系统包括蜗轮(14)、蜗杆(13)、成对安装的圆锥滚子轴承(19)、深沟球轴承(16)、两个轴承密封圈(17)、a轴承座(15)和b轴承座(21)；蜗轮(14)和蜗杆(13)啮合，蜗轮(14)与小转窗(23)固连，蜗杆(13)支撑在a轴承座(15)和b轴承座(21)上，a轴承座(15)内装深沟球轴承(16)，b轴承座(21)内装圆锥滚子轴承(19)，a轴承座(15)和b轴承座(21)内安装轴承密封圈(17)，a轴承座(15)和b轴承座(21)固定在大转窗(4)上，小转窗(23)外圈与蜗轮(14)固定连接。

4.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：当小转窗(23)运转到距离任一个非接触式限位开关(3)一定距离内，非接触式限位开关(3)即反馈信号给伺服控制系统，伺服电机(12)停止转动，小转窗(23)也随之停止转动，起第一道限位的作用，当非接触式限位开关(3)失效，限位挡块(1)硬性限制机构的进一步运行，限位挡块(1)的表面固定有橡胶板(2) 。

5.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：所述的大转窗(4)和小转窗(23)为偏心，大转窗(4)转动180°后，能够改变小转窗(23)的转心在风洞轴向的位置，从而改变模型在风洞内的位置。

6.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：所述的支撑天平的X型支撑架(25)能够沿光杠(24)移动，从而改变模型与试验段壁板的间距，将模型置于合适的流场内。

7.根据权利要求数1所述的一种风洞半模型变角度机构，其特征在于：将大转窗正转180°或反转180°后，大转窗(4)上的销孔与试验段壁板上的销孔对正，用销(6)与试验段壁板定位。