CN108195546A - 用于连续式跨声速风洞喷管半柔壁的电动驱动集成单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式跨声速风洞喷管半柔壁的姿态动态调节电动集成单元，其特征在于：采用的电动集成单元为驱动机构、导向机构、锁紧机构的分离布置的形式，三大机构独立运作，却又功能协调、空间复用。各机构之间采用内嵌、层叠等形式，空间复用，结构紧凑，在有限空间内增加刚度，增大工作空间。集成单元的各部分机构均通过刚性的滑台相互连接，保证了集成单元之中各部分机构间的强制同步，有效避免了驱动机构和导向机构不同步的可能性。

Description

用于连续式跨声速风洞喷管半柔壁的电动驱动集成单元

技术领域

本发明涉及连续式跨声速风洞试验技术领域，具体涉及连续式跨声速风洞喷管段半柔壁各部分的位姿调整机构。该装置主要用于连续式跨声速风洞半柔壁喷管的驱动控制。

背景技术

风洞是用于验证各型航空航天飞行器、高速动车组等气动外形是否合理的重要试验装置，其主要实验过程是在风洞中模拟出对象运行时的外部气体流场特性(马赫数、雷诺数、普朗特数等)，并对被试验对象在模拟流场中的测量参数做出一系列的评估，从而实现对其真实工作情况下特性的预知。根据风洞可模拟的气体流流场流速范围不同，可分为亚声速、跨声速、超声速、高超声速风洞。而根据流场产生的方式，风洞可分为暂冲式和连续式。暂冲式风洞气体流场产生的原理是：在风洞两端分别预先产生一定的高压气体与负压气体，然后同时打开两端的气阀沟通高压与负压，即可产生流场；而连续式风洞一般是依靠大型的轴流风机作为驱动来产生流场。为了精确控制风洞中流场的参数，需利用相关的风洞试验特种装置对流场进行调节，而其中喷管段是整个风洞中调节气体流场最为关键、直接的部分。喷管段一般是通过一定的型面来改变流场的参数，对于暂冲式风洞，由于其流场作用时间短，流场马赫数高，一般采用具有固定型面喷管段进行调节；而对于连续式风洞，由于其要求具有连续的马赫数调节能力，一般是采用可调型面的喷管段。根据连续式风洞喷管段可调型面中柔性壁(或称柔板)所占的比例不同，进一步又可分为半柔壁与全柔壁。全柔壁喷管的可调型面全部由柔性壁组成；半柔壁喷管的可调型面一般是由可调收缩段、喉块段、柔板段组成(布置顺序为气流方向)。对于连续式跨声速风洞喷管段半柔壁，能否保证其整个型面成形的精度就是能否保证风洞试验结果可靠性最关键的问题，因此喷管段对气体流场相关参数控制的精度，是评价其工作能力的关键指标。本发明介绍一种适用于连续式跨声速风洞喷管段半柔壁的电动驱动集成单元，以满足风洞试验的要求。

该电动集成单元适用于连续式跨声速风洞喷管半柔壁的姿态动态调节，在有限的空间内实现了电动驱动系统(2)、锁紧系统(3)、导向系统(4)的分离布置。

发明内容

本发明的基本功能是：该集成单元在有限的空间内，通过电动机构驱动喷管段中的可调收缩段、喉块、柔板等来实现对型面的准确控制，形成流场所需内型面，动态调节喷管中流场的流速。

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于大型跨声速半柔壁风洞喷管姿态动态调节的电动集成单元。满足试验要求的驱动力大，吹风过程中可动态调节，型面成型长期稳定性好，同组执行机构之间具有良好的同步性，具备抵抗侧向力的能力，运动范围大，机构尺寸小等要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明采用的电动集成单元为电动驱动系统(2)、锁紧系统(3)、导向系统(4)的分离布置的形式，三大系统独立运作，却又功能协调。各机构之间结构紧凑，在有限空间内增加刚度，增大工作空间。驱动系统(3)通过电机(2-1)带动丝杠(2-3)、螺母(5-1)提供大驱动力，导向系统(4)通过导轨(4-2)实现，锁紧系统(3)通过梯形丝杠和减速机自锁功能实现。

具体的，本电动集成单元整体机构需整体布局在一安装座(1)上，共两个集成单元协同控制被执行件喉块(7-1)，安装座(1)固连于喷管段框架之上，本集成单元的各部分机构均通过一滑台单元(5)相互连接。

具体的，每组电动集成单元配有2个电机(2-1)，3个驱动杆(6)，4组双滑块导轨(4-2)，这些机构均通过滑台单元(5)相互连接。电机(2-1)通过电机座(2-2)安装于安装座(1)上，电机(2-1)带动丝杠(2-3)旋转，产生螺母(5-1)的直线运动，螺母(5-1)通过法兰与滑台单元(5)固连。3个驱动杆(6)两端均为转动副，驱动杆(6)的上端通过转动副和滑台单元(5)连接，下端通过转动副和被执行件连接(可调收缩段、喉块等)。导轨(4-2)和减速机实现电动锁紧的功能。而滑台单元(5)的下平面安装有四组双滑块，各组滑块之间均相互平行。

具体的，两电机(2-1)平行布置于安装座(1)之上，两电机(2-1)具有完全同规格，且在安装座(1)上对称布置。电机(2-1)通过电机座(2-2)安装于安装座(1)上，电机(2-1)带动丝杠(2-3)旋转，产生螺母(5-1)的直线运动，螺母(5-1)通过法兰与滑台单元(5)固连。电机(2-1)在此处只作为驱动，而不起导向作用，依靠导轨滑块机构导向。

具体的，3个驱动杆(6)上端的转动副分别布置于滑台单元(5)的中间和两端，且3个驱动杆(6)转动副的转动轴共线，三驱动杆(6)具有相同的尺寸规格，避免了运动过程中出现卡死。滑台单元(5)上，在有限空间内集成了滑块(4-1)、螺母(5-1)、驱动杆转动副(5-3、5-4)等部件，结构紧凑，整体刚性好。

具体的，整个机构通过导轨和减速机自锁功能以实现装置的锁紧，即在不施加驱动力时，装置能够实现自锁。且在风洞运行时，当调到需求马赫数的型面后，可利用装置的自锁功能将执行机构构锁定，维持半柔壁喷管的型面，以降低控制技术要求，并且可以消除振动等环境对型面成型精度的影响。

具体的，滑台单元(5)的下平面安装有4组双滑块导轨机构，滑块均为滑块(4-1)，可有效承载滑台所受到的侧向力等破坏力，并起到高精度导向作用，保证机构的运行。

本发明用于大型跨声速半柔壁风洞喷管姿态动态调节的有益效果是：

1.与现有的半柔壁驱动单元相比，本电动集成单元在运动过程中不产生驱动单元的摆动，有效避免了传统半柔壁液压驱动单元，摆动质量大，造成漏油现象严重，工作精度降低等问题。

2.结构集成度高，机构的电动驱动系统(2)、锁紧系统(3)、导向系统(4)通过平行布置或者层叠布置，依靠滑台单元(5)的连接集成安装在有限的空间内。

3.该发明创新性地设计了滑台单元(5)，高效地集成了滑块(4-1)、螺母(5-1)、驱动杆转动副(5-3、5-4)等部件，以此作为电机(2-1)驱动的直接作用目标，结构布置紧凑，空间利用率高。

4.该发明创新性地在滑台上安装了双滑块导轨机构，可调收缩段、喉块、乃至柔板上的侧向力可通过三个驱动杆(6)传递到滑台上，再通过双滑块导轨机构传递到刚度极强的安装座(1)上，有效避免了侧向力对丝杠(2-3)等机构的破坏作用。

5.由于集成单元的各部分机构均通过刚性的滑台单元(5)相互连接，保证了集成单元之中各部分机构间的强制同步，有效避免了驱动系统(2)和导向系统(4)不同步的可能性。

6.本电动集成单元的适用性较广，适用于大型跨声速半柔壁风洞喷管姿态动态调节，半柔壁喷管的可调收缩段、喉块、柔板部分均可采取此种形式的电动集成单元实现板型的动态调节。在实际应用中，组间可采取“背靠背”布置此集成单元来进一步减少安装座(1)的数量，减小安装空间，如图4。

7.由于安装座(1)的相对独立性，大大方便了集成单元的维护。每组电动集成单元均可单独吊装，维修，避免了传统框架式维修困难的问题。

附图说明

图1是本发明的电动集成单元整体结构示意图

图2是本发明的集成单元组成结构示意图

图3是本发明中滑台机构简图

图4是本发明的一种应用形式

图5是风洞喷管半柔壁中常用的传统框架摆动式装置示意图

图6是本发明的电动集成单元在风洞喷管半柔壁中应用的整体示意图

图中：1.安装座，2.电机驱动系统，2-1.电机，2-2.电机安装座，2-3.丝杠，3.锁紧系统，3-1(或2-3).丝杠，3-2.减速机，4.导向系统，4-1.滑块，4-2.导轨，5.滑台单元，5-1.螺母法兰，5-2.滑台滑块安装面，5-3.驱动杆上转动副，5-4.驱动杆下转动副，6.驱动杆，7.喉块支座，8.丝杠支座，9.喉块，10.可调收缩块，11.柔板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1所示，该集成单元在有限的空间内，通过电动驱动系统(2)驱动喷管段中的可调收缩段、喉块、柔板等来实现对型面的准确控制，形成流场所需内型面，动态调节喷管中流场的流速。满足试验要求的驱动力大，吹风过程中可动态调节，型面成型长期稳定性好，同组执行机构之间具有良好的同步性，具备抵抗侧向力的能力，运动范围大，机构尺寸小等要求。

具体来说，本发明采用的电动集成单元为电动驱动机构系统(2)、锁紧机构系统(3)、导向机构系统(4)的分离布置的形式，三大系统独立运作，却又功能协调。各机构之间采用共用、层叠等形式，功能复用，结构紧凑，在有限空间内增加刚度，增大工作空间。驱动系统(3)通过电机(2-1)提供大驱动力，导向系统(4)通过导轨(4-2)实现，锁紧系统(3)通过梯形丝杠和减速机自锁功能实现自锁。

本电动集成单元整体机构需整体布局在一安装座(1)上，共两个集成单元协同控制被执行件喉块(7-1)，安装座(1)固连于喷管段框架之上。本电动集成单元整体结构如图1所示，安装座(1)上高效集成了本电动驱动单元的所有工作系统，在有限空间内完成了电动驱动系统(2)、锁紧系统(3)、导向系统(4)的布置，安装座(1)固连于喷管段框架之上；本集成单元的各部分机构均通过一滑台单元(5)相互连接，滑台单元(5)是本电动驱动单元的核心，其他系统、部件都经由滑台单元(5)相互联系，传递运动和动力；每组电动集成单元配有电机(2-1)，多个驱动杆(6)和多组双滑块导轨(4-2)，这些机构均通过滑台单元(5)相互连接；电机(2-1)通过电机座(2-2)安装于安装座(1)上，电机(2-1)带动丝杠(2-3)旋转，产生螺母(5-1)的直线运动，螺母(5-1)通过法兰与滑台单元(5)固连；驱动杆(6)两端均为转动副，驱动杆(6)的上端通过转动副(5-3)和滑台单元(5)连接，下端通过转动副(5-4)和可调收缩块、喉块连接；梯形丝杠(2-3)和减速机共同构成锁紧系统，工作原理是由导轨和减速机的自锁功能实现整个系统的自锁，即没有驱动力施加的时候，整个系统不具备运动功能；而滑台单元(5)的下平面安装有多组双滑块，各组滑块之间均相互平行，多组滑块的布置能够增强滑台单元(5)抵抗倾覆力矩的能力；各电机(2-1)平行布置于安装座(1)之上，两电机(2-1)具有完全同规格，且在安装座(1)上对称布置，保证两电机驱动方向互相平行，驱动力在同一平面；驱动杆(6)上端的转动副分别布置于滑台单元(5)的中间和两端，且驱动杆(6)转动副的转动轴共线，驱动杆(6)具有相同的尺寸规格，滑台单元(5)上，在有限空间内集成了滑块、螺母(5-1)、驱动杆上转动副(5-3)、驱动杆下转动副(5-4)等部件；此外，滑台单元(5)的下平面安装有多组双滑块导轨机构，滑块均为滑块(4-1)，可有效承载滑台单元(5)所受到的侧向力等破坏力。

实施例2

本实施例的主要结构同实施例1，进一步：

电机(2-1)和驱动杆(6)的数目可根据风洞的具体运行条件来选取不同数目；导轨(4-2)固定安装于安装座(1)上，滑块(4-1)固定安装于滑台单元(5)上，可为多导轨多滑块布置，具体数目根据抵抗倾翻力矩能力要求来决定。

实施例3

本实施例的主要结构同实施例1，进一步：

丝杠(2-3)采用具有自锁功能且承载能力强的梯形丝杠，梯形丝杠与减速机共同构成了本发明的自锁系统，即不施加驱动力时，能保证型面稳定。这保证了工作精度和安装维护的便利性。

本电动驱动单元中的滑台单元(5)将多种部件联系在一起，尤其是两个电机连接的丝杠螺母作用于这个滑台单元(5)，滑台单元(5)固连四组双滑块导轨机构，强制地保证了各机构的运动同步性。本电动驱动单元有别于传统的液压框架摆动式风洞试验设计思路，将离散和整合有机统一，电动驱动系统(2)、锁紧系统(3)、导向系统(4)整合于一个驱动单元上，而每个单元互相独立，共同作用于工作段(可调收缩段、喉块段、柔板段)，整个驱动单元直接安装于框架，维护简便，安装容易。整体不存在重型件的摆动，电动驱动本身精度较液压驱动高，工作安全性更高，因此本发明用于连续式跨声速风洞喷管半柔壁整个系统的精度和安全性都有所提高。

Claims (3)

1.一种用于大型跨声速半柔壁风洞喷管的姿态动态调节电动集成单元，其特征在于：大型跨声速半柔壁风洞喷管分为可调收缩段、喉块段和柔板段，其被执行件具体为所述可调收缩块(10)、喉块9、柔板(11)；本电动集成单元整体机构需整体布局在一安装座(1)上，共两个集成单元协同控制被执行件喉块(7-1)，安装座(1)固连于喷管段框架之上；本集成单元的各部分机构均通过一滑台单元(5)相互连接；每组电动集成单元配有电机(2-1)，多个驱动杆(6)和多组双滑块导轨(4-2)，这些机构均通过滑台单元(5)相互连接；电机(2-1)通过电机座(2-2)安装于安装座(1)上，电机(2-1)带动丝杠(2-3)旋转，产生螺母(5-1)的直线运动，螺母(5-1)通过法兰与滑台单元(5)固连，将直线运动传递给滑台单元(5)；驱动杆(6)两端均为转动副，驱动杆(6)的上端通过转动副(5-3)和滑台单元(5)连接，下端通过转动副(5-4)和可调收缩块、喉块连接；丝杠(2-3)和减速机共同构成锁紧系统；而滑台单元(5)的下平面安装有多组双滑块，各组滑块之间均相互平行；各电机(2-1)平行布置于安装座(1)之上，两电机(2-1)具有完全同规格，且在安装座(1)上对称布置，保证两电机驱动方向平行，运动轨迹在同一平面；驱动杆(6)上端的转动副分别布置于滑台单元(5)的中间和两端，且驱动杆(6)转动副的转动轴共线，驱动杆(6)具有相同的尺寸规格，滑台单元(5)上，在有限空间内集成了滑块、螺母(5-1)、驱动杆上转动副(5-3)、驱动杆下转动副(5-4)等部件。滑台单元(5)的下平面安装有多组双滑块导轨机构，滑块均为滑块(4-1)。

2.根据权利要求1或2所述的大型跨声速半柔壁风洞喷管的姿态动态调节电动集成单元，其特征在于：电机(2-1)和驱动杆(6)的数目可根据风洞的具体运行条件来选取不同数目；导轨(4-2)固定安装于安装座(1)上，滑块(4-1)固定安装于滑台单元(5)上，可为多导轨多滑块布置。

3.根据权利要求1或2所述的大型跨声速半柔壁风洞喷管的姿态动态调节电动集成单元，其特征在于：丝杠(2-3)采用梯形丝杠，梯形丝杠与减速机共同构成了本发明的自锁系统，即不施加驱动力时，能保证型面稳定。