CN108362465A - 连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，实现对喷管段喉块预定位姿的精确控制。该装置创新性地利用并联机构实现对喉块进行空间六自由度控制，可主动控制并消除作用在喉块上的附加载荷。其包括以竖直布置并以电机为驱动的驱动单元；由多组导轨组成的导向单元；由喉道滑台、滑块、驱动杆与球面副组成的传动单元；以外框架与喉块安装板组成的支撑单元。该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置通过多驱动形成自由度冗余的并联机构驱动喉块达到预定位姿，并保证其精度，和其成型的稳定性。

Description

连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动 装置

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喉块空间六自由度的位姿调整机构。通过六组有效竖直驱动(另可加多组随动竖直驱动)耦合运动，联合控制，进而实现对喉块六个自由度的完全控制。该装置主要用于连续式跨声速风洞半柔壁喷管的喉块驱动控制。

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，其主要原理是通过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。由于喉块段分别连接可调收缩段与柔板段，因此保证连续式跨声速风洞喷管段半柔壁的喉块段实现预定空间位姿的精度，对保证整个半柔壁成形的精度具有决定性的作用。在风洞实验中，理论上仅需要控制喉块在XOZ平面内的三个自由度，但由进入喉块段的流场不稳定性及其他因素的影响，喉块段往往承受整个空间的六维力，无法避免存在侧向(Y)、偏航(绕Z 轴)、滚转(绕X)方向的附加载荷。在工程实际中，喉块段常见的工作方式为“框架摆动式”，其一般使用液压驱动方式，仅可实现喉块段三个平面自由度的调整，并利用强制的导向装置来解决试验时侧向力、偏航力矩、滚转力矩对喉块段的影响。这种方式往往存在液压管路泄露、控制精度不足、响应速度慢、难以维护、所需摆动空间大等缺点，其仅可一定程度上满足小型风洞的需求，却并不适合于大型风洞，且无法提供高刚度的横向连接，并无法很好保证风洞试验流场被控参数的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置，使其具有在有限的竖直空间内完成喉块较大的位姿调整的能力；解决常见半柔壁喷管“框架摆动式”工作方式中存在的不可避免的摆动质量大的问题；解决传统的喉块驱动方式存在的能耗大、响应慢的问题，提供低能耗、高响应速度、创新、安全可靠的喉块段电动驱动方式；实现多电动机同步驱动和协调控制，基于耦合运动的并联机构提高喉块位置控制的精度；创新设计电机驱动条件下的精密传动系统和布置结构，并使该喉块驱动装置具有安装方便，运行可靠，寿命较长的优点；使喉块段具备空间六自由度调整能力，继而可依靠驱动装置主动抵抗侧向力，解决依靠强制导向来克服侧向力的传统方式会带来的巨大磨损与低可靠性。

为了实现上述目的，提出连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置，其技术方案如下：

该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置包括下列结构：

外框架(11)。通过该外框架(1)实现精确定位喉块安装座(10)的位置，并使得外框架(11)与装置整体拥有较好的刚性、强度，保证喉块段(9)成型的精度。

喉块安装座(10)。喉块安装座(10)用于安装并精确定位导向单元，在工作时会承受导向单元对其的分力。通过设计其结构保证其刚性良好，直接保证喉块段(9)最终位置的精度。喉块安装座(10)作为导向单元安装座的同时，也为外框架(11)提供高刚度的横向连接，继而很好地保证了喷管段框架整体的刚性，实现了功能复用。

执行单元C₁～C₈，每一个执行单元包括驱动杆单元、滑台、驱动单元、导向单元，以执行单元C₁为例，其包括：

导向单元(103)、驱动单元(104)。在喉块安装座(10)上竖直布置导向单元与驱动单元。

喉块滑台(102)。喉块滑台(102)在驱动单元的作用下沿导向单元作竖直方向的运动。

喉块段驱动杆单元(901)。喉块段驱动杆单元(901)两端分别为两个球副孔(1012、1014)，通过该两个球副孔(1012、1014)分别与喉块(9)上的球副支座(902)与喉块滑台(102)上的球副支座(1022)连接。

喉块段(9)。喉块(901)通过球面支座(902)与对应的C₁～C₈执行单元中的喉块段驱动杆单元连接，实现空间六自由度的调整。每组驱动杆单元(101) 分别与喉块段(9)连接。

该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置的部件连接方式为：水平布置的喉块段(9)通过多组球副支座(901)与对应的驱动杆单元连接；每喉块段驱动杆单元分别与对应的喉块段滑台以球副转轴-球副支座的方式连接；每执行单元下的滑台由对应的竖直方向布置的驱动单元驱动，并在竖直布置的导向单元上运动，其中驱动单元与导向单元都以喉块段安装座 (10)为安装基座；喉块段安装座(10)作为驱动单元、导向单元的安装座的同时，也为整个喷管段的外框架(11)提供高刚度的横向连接。

该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置的工作过程为：对于执行单元C₁，通过竖直布置的驱动单元(104)驱动对应的喉块段滑台(102)，使其在竖直布置的导向单元(102)上沿竖直方向运动；通过喉块段滑台(102)在竖直方向的运动，驱动喉块段驱动杆单元(101)运动，驱动杆单元(101)与喉块段(9)连接，将运动传递至喉块段(9)。其余执行单元C₂～C₈的运动实现方式与C₁执行单元一致。喉块段(9)与多组驱动杆单元连接，驱动杆单元均由其对应的驱动单元驱动。通过各执行单元的协调运动输出，实现喉块段(9)在空间位置的六自由度调整，实现其预定的空间位姿。其中通过各组执行单元位移传感器可精确地确定对应滑台的移动位置。当出现紧急情况时，利用电机抱闸与各组执行单元下的梯形丝杆的自锁功能实现装置的紧急停机，满足风洞试验的安全性要求。

该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置利用具有对喉块进行空间六自由度位姿调整功能的冗余驱动并联机构，可靠地解决了风洞试验中对喉块段调整存在的技术问题。

本发明的该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置的有益效果是：

①该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置能有效的应用于风洞试验中。特别能有效的运用于大型连续式跨声速风洞中。该装置克服了常用的“框架摆动式”喉块驱动装置的缺点，大大减小了机构运动时需占用的喉块段上方空间，且驱动杆单元更小的质量可使喉块段更好地实现快速响应，保证紧急情况下的刹车更可靠；

②本发明运用电动驱动，克服了传动液压驱动易发生泄漏的缺点，充分利用有限的使用空间，同时降低了故障时检修的难度，使得后续的维护成本更低；

③本发明使用自身具有自锁功能的驱动单元，使驱动-自锁一体化，可避免增加不必要的自锁装置，最大限度地减少了安装空间与建设成本。通过自身的强大的自锁能力，使喉块段(9)位姿的保持更加可靠，从而保证了在试验期间喉块(901)成型的可靠性；

④将各组执行单元下的导向单元与驱动单元竖直布置，使喉块滑台在竖直方向运动。较传统框架摆动式喉块驱动装置而言，本发明减小了喉块驱动杆长和滑块行程，滑块所提供驱动力在竖直方向有效分力增大，滑块驱动力降低，有效降低了电机功率，降低了试验时产生的能耗，实现绿色设计。

⑤在保证喉块段(9)所需推力的情况下，使用电机驱动可大大提升喉块段 (9)空间位姿的空间精度，直接保证了风洞试验数据的准确性、可靠性、有效性；且电动系统控制精度比液压驱动更高，更容易实现多驱动同步和协调控制；

⑥该发明使用电动方式驱动，使得试验操作简单方便，减轻试验操作人员的负担，且有利于后续的改造，甚至可基于该装置制定智能化的控制方法；

⑦该发明利用喉块段多执行单元的协调运动，形成空间冗余多杆(二力杆) 并联机构，进一步通过机构设计使得喉块保证了其强大的位姿调整能力、位姿保持能力，提高了板型控制的鲁棒性、可靠性和安全性。空间八驱动杆同时驱动喉块，可控制该喉块在空间的六个自由度。由于该发明形成的八杆并联机构存在侧向(Y)、偏航(绕Z轴)、滚装(绕X)的主动可控自由度，因此在风洞试验时，可充分利用本机构的控制能力将此三个喉块自由度方向的附加载荷主动消除，保障喉块不与壁板发生接触，继而也保障了喉块段达到预定的位置精度，且使喉块段的寿命大大增加。

⑧喉块段动作都由驱动单元驱动喉块滑台完成，喉块段驱动杆单元和驱动单元之间的导向单元承担了驱动杆和推杆因不同轴而产生的所有附加力和力矩，并全部传递给了支撑平台，保障驱动单元只承受轴向力，提高了动力源的可靠性。

⑨整个装置安装可按外框架(11)、喉块安装板(10)、各执行单元下的导向单元、各执行单元下的驱动单元、各执行单元下的喉块滑台、各执行单元下的喉块驱动杆单元、喉块段(9)进行模块式安装，可极大地增加装置的安装维修灵活性，极大地减少安装的时间，降低维护的难度，从而一定程度上降低了安装成本与使用成本。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置的整体示意图；

图2是图1中L部分的局部放大图；

图3是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置基于图一的视角再绕Z轴顺时针旋转120°之后的整体示意图；

图4是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置 C₁执行单元的组成图；

图5是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置喉块段部件图；

图6是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置 C₁执行单元中的喉块段驱动杆单元部件图；

图7是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置 C₁执行单元中的滑台部件图

图8是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置 C₁执行单元中的驱动导向单元部件图

图9是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置的喉块段安装座部件图

图10是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置的整体安装图

图11是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置的整体安装剖视图

图12是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置的机构运动原理图

图13是传统框架摆动式喷管段半柔壁喉块驱动装置的示意图

图中：C₁～C₈为具有相同组成的执行单元，(9)为喉块段，(10)为喉块安装座。在C₁执行单元下，(901)为驱动杆单元，(102)为滑台，(103)为导向单元，(104)为驱动单元；(901)为喉块，(902)为球副支座；驱动杆单元(901) 中，(1011)为球副转轴，(1012)为球副孔，(1013)为驱动杆，(1014)为球副孔，(1015)球副转轴；滑台(102)中，(1021)为滑台基座，(1022)为球副支座，(1023)为滑块，(1024)为螺母；导向单元(103)中，(1031)为导轨基座，(1032)为导轨，(1033)为位移传感器：驱动单元(104)中，(1041) 为驱动电机，(1042)为减速器，(1043)为减速器支座，(1044)为联轴器，(1045) 为轴承座，(1046)为传动梯形丝杆，(1047)为轴承座。(10)为安装座，(11) 为喷管段外框架。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

实施例一

连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置，其特征在于：

该装置包括若干执行单元C，所述执行单元C包括：驱动杆单元、滑台、导向单元、驱动单元。该装置包括安装座(10)，其为竖直放置的平板。该装置包括喉块(9)，其位于安装座(10)的正下方；

每一执行单元C中的导向单元包括竖直方向平行布置的导轨与安装导轨用的基座，导轨基座被固定安装在对应的安装座上(10)，导向单元旁边固定安装有位移传感器；每一执行单元C中的驱动单元驱动对应的滑台竖直方向运动，驱动单元中的电机通过减速器支座固定安装在对应的安装座(10)上；每一执行单元C中包括竖直移动的滑台，位于对应安装座(10)的一侧，通过底部安装若干组相互平行放置具有距离间隔的滑块，与对应的导向单元连接；每个滑台上均安装有球副支座和传感器读数头，通过球副支座将滑台和喉块段驱动杆单元连接，且喉块段驱动杆单元与导向单元有竖直方向的空间重叠布置；在安装座(10)的下方放置着喉块(901)，喉块(901)上固定安装有球副支座(902)，球副支座(902)被分为前、中、后三部分分别布置在喉块(901)三个不平行的表面上；每一执行单元C中包括驱动杆单元，驱动杆单元两端安装有球副转轴，其中一个球副转轴与喉块段(9)上的球副支座(902)连接，另一个球副转轴与对应的滑台上的球副支座连接；安装于喉块段(901)上的球副支座(902) 和安装于滑台上的球面副支座之间通过喉块段驱动杆单元连接，即每执行单元C 的喉块段驱动杆单元连接着其滑台和喉块段(9)。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

实施例二

如实施例一所述的一种续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，其特征在于该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置包括：

根据风洞试验的需求所确定的用于竖直方向布置驱动单元的安装座(10) 数量共有3块；

根据风洞试验的需求所确定的竖直方向布置的执行单元C数量共有8组；

根据风洞试验的需求确定每组执行单元C的驱动单元采用一个电机驱动、丝杆传动，同时也可采用一个电机电动缸形式直接驱动；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C的包括1组导向单元，1组导向单元包括2根导轨；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C包括1组位移传感器，可采取的形式有：如光栅传感器、容栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C包括1组滑台，1组滑台下安装 4个滑块；

作为对本发明的该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置的进一步优选的实施例，连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置的每一执行单元C的驱动单元包括一个伺服电机、一个减速器、一个减速器安装支座、一个联轴器、一传动丝杆；伺服电机通过减速器安装支座与喉块安装座(10)固定连接，该减速器用于连接伺服电机与该传动丝杆，该联轴器用于连接该减速器与传动丝杆；传动丝杆平行于导轨竖直布置，通过螺母将传动丝杆的转动变化为直线运动；其运动传动形式为：由该伺服电机产生动力，通过减速器与联轴器传输至该传动丝杆，再由传动丝杆将运动传递至螺母，再将螺母的直线运动作为下一级传动的驱动运动；

实施例三

如实施例一、二所述的一种连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，其特征在于该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置包括：

每一执行单元C下的喉块驱动杆单元与喉块的连接方式为球副连接，驱动杆单元分别连接对应的喉块段滑台与喉块段(9)，其中球面副依据实际工作条件所需调节的角度大小可确定为球铰或杆端轴承；

根据风洞试验的需求所确定每一执行单元C中的驱动杆单元与喉块段进行球副连接的连接点位置分布形式，形成驱动数大于等于六个，可形成对喉块六自由度控制的并联机构；

根据风洞试验的需求所确定每一执行单元C采用梯形丝杆自锁与电机抱闸进行喉块(901)成型之后的位姿锁定；

作为对本发明的该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置的进一步优选的实施例，连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置每一执行单元C滑台下一级传动机构包括一个与喉块滑台连接的杆端轴承支座，两个杆端轴承，一根喉块驱动杆，一个与喉块段(901)连接的杆端轴承支座(902)。该喉块驱动杆单元的杆端轴承转轴连接滑台杆端轴承支座；该喉块驱动杆单元头尾分别与两个杆端轴承支座连接；

连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置包括具有特定型面与结构的喉块(901)，喉块(901)通过其上8处杆端轴承支座与对应的喉块驱动杆单元连接。作为该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置进一步的实施例，喉块段最终位姿态由8个执行单元C₁～C₈协调运动而形成。

Claims (3)

1.连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式电动驱动装置，其特征在于：

该装置包括若干执行单元C，所述执行单元C包括：驱动杆单元、滑台、导向单元、驱动单元。该装置包括安装座(10)，其为竖直放置的平板。该装置包括喉块(9)，其位于安装座(10)的正下方；

每一执行单元C中的导向单元包括竖直方向平行布置的导轨与安装导轨用的基座，导轨基座被固定安装在对应的安装座上(10)，导向单元旁边固定安装有位移传感器；每一执行单元C中的驱动单元驱动对应的滑台竖直方向运动，驱动单元中的电机通过减速器支座固定安装在对应的安装座(10)上；每一执行单元C中包括竖直移动的滑台，位于对应安装座(10)的一侧，通过底部安装若干组相互平行放置具有距离间隔的滑块，与对应的导向单元连接；每个滑台上均安装有球副支座和传感器读数头，通过球副支座将滑台和喉块段驱动杆单元连接，且喉块段驱动杆单元与导向单元有竖直方向的空间重叠布置；在安装座(10)的下方放置着喉块(901)，喉块(901)上固定安装有球副支座(902)，球副支座(902)被分为前、中、后三部分分别布置在喉块(901)三个不平行的表面上；每一执行单元C中包括驱动杆单元，驱动杆单元两端安装有球副转轴，其中一个球副转轴与喉块段(9)上的球副支座(902)连接，另一个球副转轴与对应的滑台上的球副支座连接；安装于喉块段(901)上的球副支座(902)和安装于滑台上的球面副支座之间通过喉块段驱动杆单元连接，即每执行单元C的喉块段驱动杆单元连接着其滑台和喉块段(9)。

2.如权利要求1所述的一种续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，其特征在于该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置包括：

根据风洞试验的需求所确定的用于竖直方向布置驱动单元的安装座(10)数量共有3块；

根据风洞试验的需求所确定的竖直方向布置的执行单元C数量共有8组；

根据风洞试验的需求确定每组执行单元C的驱动单元采用一个电机驱动、丝杆传动，同时也可采用一个电机电动缸形式直接驱动；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C的包括1组导向单元，1组导向单元包括2根导轨；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C包括1组位移传感器，可采取的形式有：如光栅传感器、容栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等；

根据风洞试验的需求所确定每组执行单元C包括1组滑台，1组滑台下安装4个滑块。

3.如权利要求1、2所述的一种续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，其特征在于该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置包括：

每一执行单元C下的喉块驱动杆单元与喉块的连接方式为球副连接，驱动杆单元分别连接对应的喉块段滑台与喉块段(9)，其中球面副依据实际工作条件所需调节的角度大小可确定为球铰或杆端轴承；

根据风洞试验的需求所确定每一执行单元C中的驱动杆单元与喉块段进行球副连接的连接点位置分布形式，形成驱动数大于等于六个，可形成对喉块六自由度控制的并联机构；

根据风洞试验的需求所确定每一执行单元C采用梯形丝杆自锁与电机抱闸进行喉块(901)成型之后的位姿锁定。