CN108362466A - 连续式跨声速风洞半柔壁喷管导轨水平式喉块驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式跨声速风洞半柔壁喷管导轨水平式喉块驱动装置，实现对喷管段喉块位姿的精确控制。其包括以水平布置电机、减速机、丝杠、滑台、导轨、滑块组成的驱动单元；由二力杆与关节轴承组成的执行单元；以支撑平台组成的支撑单元。本发明具有结构简单、紧凑；各个驱动独立控制，整体驱动装置稳定性高；在竖直方向行程有限的情况下，可以使用水平方向富余的空间来实现位姿调整；导轨的错位布置，实现了空间复用，节省了水平方向的空间；所有驱动单元均在支撑平台上方，大大的方便机构维护；可实现六个自由度的位姿调整以抵抗喉块侧向力的影响等特点。

Description

连续式跨声速风洞半柔壁喷管导轨水平式喉块驱动装置

技术领域

本发明涉及一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，属于风洞试验特种装备领域，是一种对风洞内喷管段不同马赫数的精确调节的半柔壁喷管导轨水平式喉块驱动装置。

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。在工程实际中，喉块段常见的工作方式为“框架摆动式”，如图9所示，其一般使用液压驱动方式，其一般使用液压驱动方式，每组驱动包括五个液压缸，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、难以维护等缺点，无法很好保证风洞试验流场被控参数的精度。因此，本发明针对于大型连续式跨声速风洞喷管段半柔壁的喉块段，创新性地提出一种导轨水平式喉块电动驱动装置，以满足风洞试验的需求。

发明内容

连续式跨声速风洞喷管段半柔壁包括可调收缩段、喉块段和柔板段三部分，具体位置布置如图8所示。本发明的目的在于提供一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，以实现在有限的空间内对喷管段喉块预定位置的精确控制，从而提升流场被控参数的控制精度。

本发明要解决的技术问题是：在有限的安装空间和运行空间内精确成型；喉块质量重达百吨级，目前喉块驱动采用的“框架摆动式”不够稳定，不能提供喉块的稳定持续的位姿形态；侧向力会影响喉块的成型能力；喉块驱动装置机构复杂，维护不方便。

为了实现上述目的，设计的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置的结构如图1-图6所示，其中包括：

支撑平台(5)为水平放置的开有槽的平板，用于安装并精确定位导轨(702)，在工作时会完全承受导轨(702)对其的力。通过设计其结构保证其刚性良好，将保证最终喉块(1)的位姿成型精度。支撑平台(5)上装有若干驱动单元(7)，每一个驱动单元(7)包括：伺服电机(705)通过与直角减速机(706)相连，将电机输出转速进行降速，伺服电机(705)和减速机(706)通过减速机支座(709) 水平安装在支撑平台(5)上，联轴器(704)两端分别连接着减速机(706)输出端和丝杠(703)，丝杠(703)由丝杠支座(701)安装在支撑平台(5)的上方，减速机(706)的输出通过联轴器(704) 带动丝杠(703)转动，丝杠螺母(707)将丝杠(703)的转动转换为水平方向的直线运动。支撑平台(5)上固定安装有多组相互平行的导轨(702)，一个驱动单元有一组导轨(702)，导轨(702)在水平方向错位布置，实现水平方向的空间复用，从而减小喉块驱动装置的水平空间，在每组导轨(702)上安装有滑块(708)，为双导轨双滑块布置。滑块(708)通过螺钉连接在滑台(6)上，滑台(6) 与丝杠螺母(707)固连，所以螺母(707)在水平方向的直线运动驱动使滑台在丝杠(703)上水平滑动，在滑台(6)底部以螺钉连接有上支座(9)，上支座(9)上装有上转动铰(8)，二力杆(4) 穿过支撑平台的槽与上转动铰(8)连接。特定型面的喉块(1)，能够保证型面曲线的准确性，在喉块(1)上固定安装有下支座(2)，下支座(2)被分为前、中、后三部分分别布置在喉块(1)的三个表面，下支座(2)上安装有下转动铰(3)，下转动铰(3)与二力杆(4)连接，各个上转动铰(8)分别与对应的下转动铰(3)通过二力杆(4)连接。各个滑台(6)在水平方向的运动位移传递给对应的二力杆(4)，使得二力杆(4)有着不同的空间位置，从而达到控制喉块的空间位姿形态的功能。连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置的机构简图如图7所示。

本发明的该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置的有益效果是：

1.将导轨与丝杠水平布置，使喉块滑台在水平方向运动，减小了该驱动装置在竖直方向的位移。

2.喉块段驱动单元形成空间六自由度并联机构，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，并且有能主动抵抗侧向力的功能。

3.导轨错位布置，实现了水平方向的空间复用，减少了水平方向机构的尺寸。

4.由于所有驱动单元和导轨滑块组件均布置在支撑平台上方，安装定位基准一样，减少了加工误差和安装误差，并大大的方便机构维护，保障了维护人员的人身安全。

5.支撑平台能够为喷管段框架提供高刚度横向连接。在喉块体积庞大且质量达百吨级，“框架摆动式”影响喉块段的成型精度，从而影响风洞试验结果，该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置的支撑平台为固定安装在外框架上，为喷管段框架提供高刚度横向连接，该装置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。

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是连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置整体图

图2是导轨水平式喉块驱动装置驱动单元布置图

图3是图2中L1部分放大图，也是驱动单元详图(隐藏滑台)

图4是图3中L2部分局部放大图

图5是导轨水平式喉块驱动装置局部剖视图

图6是支撑平台结构图

图7是导轨水平式喉块驱动装置机构简图

图8是喉块段在喷管段半柔壁中的位置图

图9是摆动式框架结构图

图中喉块(1)、下支座(2)、下转动铰(3)、二力杆(4)、支撑平台(5)、滑台(6)、驱动单元(7)、丝杠支座(701)、导轨(702)、丝杠(703)、联轴器(704)、伺服电机(705)、直角减速机(706)、丝杠螺母(707)、滑块(708)、减速机支座(709)、上转动铰(8)、上支座(9)、可调块(10)、喷管段入口支座(11)、柔板(12)、喷管段出口支座(13)。

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。

下面结合附图和实施案例对本方案进行进一步说明：

实施例1：

支撑平台(5)为水平放置的开有槽的平板，用于安装并精确定位导轨(702)，在工作时会完全承受导轨(702)对其的力。通过设计其结构保证其刚性良好，将保证最终喉块(1)的位姿成型精度。支撑平台(5)上装有若干驱动单元(7)，每一个驱动单元(7)包括：伺服电机(705)通过与直角减速机(706)相连，将电机输出转速进行降速，伺服电机(705)和减速机(706)通过减速机支座 (709)水平安装在支撑平台(5)上；联轴器(704)两端分别连接着减速机(706)输出端和丝杠(703)，丝杠(703)由丝杠支座(701) 安装在支撑平台(5)的上方，减速机(706)的输出通过联轴器(704) 带动丝杠(703)转动，丝杠螺母(707)将丝杠(703)的转动转换为水平方向的直线运动。支撑平台(5)上固定安装有多组相互平行的导轨(702)，一个驱动单元有一组导轨(702)，导轨(702)在水平方向错位布置，实现水平方向的空间复用，从而减小喉块驱动装置的水平空间，在每组导轨(702)上安装有滑块(708)，为双导轨双滑块布置。滑块(708)通过螺钉连接在滑台(6)上，滑台(6) 与丝杠螺母(707)固连，所以螺母(707)在水平方向的直线运动驱动使滑台在丝杠(703)上水平滑动，在滑台(6)底部以螺钉连接有上支座(9)，上支座(9)上装有上转动铰(8)，二力杆(4) 穿过支撑平台的槽与上转动铰(8)连接。特定型面的喉块(1)，能够保证型面曲线的准确性，在喉块(1)上固定安装有下支座(2)，下支座(2)被分为前、中、后三部分分别布置在喉块(1)的三个表面，下支座(2)上安装有下转动铰(3)，下转动铰(3)与二力杆(4)连接，各个上转动铰(8)分别与对应的下转动铰(3)通过二力杆(4)连接。各个滑台(6)在水平方向的运动位移传递给对应的二力杆(4)，使得二力杆(4)有着不同的空间位置，从而达到控制喉块的空间位姿形态的功能。

实施例2：

本实施例的主要结构同实施例1，进一步由于大型连续式跨声速风洞喷管段半柔壁的喉块段除了承受各个部件的自重之外，还需要考虑复杂多变的气动载荷大小，所以需要根据具体机构受力情况来判断导轨滑块的布置方式，为双导轨双滑块布置或多导轨多滑块布置，以保证受力在导轨滑块的承受范围之内，使导轨滑块正常运作，并保证其具有一定的使用寿命。

实施例3：

本实施例的主要结构同实施例1，进一步由于连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置会受到侧向力的作用，所以该导轨水平式喉块驱动装置设计为六自由度机构，以获得有主动抵抗侧向力的能力，所以转动铰可以选择球铰。但由于喉块在纵向方向的位移很小，喉块空间位姿在侧向倾角角度小于5°，由于关节轴承可以实现小角度的三个方向旋转，所以转动铰也可以采用关节轴承。

实施例4：

本实施例的主要结构同实施例1，进一步驱动单元的组数与二力杆的组数一致，并且根据二力杆所受到的力的大小、滑台所受到的驱动力的大小受电机驱动力的限制。一般采用六杆驱动实现喉块的稳定成型，但是在六杆驱动时，可能驱动力的过大而不能选出合适的电机，即电机驱动不能满足喉块的稳定成型，这时可以考虑冗余驱动，采用八根杆八组驱动的形式，相应的在支撑平台上的槽型也需要合理布置，即采用八组冗余驱动以获得更稳定的喉块驱动，实现精确地喉块位姿形态。

以上对本发明的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。

Claims (5)

1.一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，其特征在于:连续式跨声速风洞喷管段半柔壁包括可调收缩段、喉块段和柔板段三部分。

所述支撑平台(5)为水平放置的开有槽的平板，喉块(1)位于支撑平台(5)的下方；支撑平台(5)上装有若干驱动单元(7)，每一个驱动单元(7)包括：伺服电机(705)与直角减速机(706)相连，用于驱动丝杠(703)，该伺服电机(705)和该减速机(706)通过减速机支座(709)水平安装在支撑平台(5)上，联轴器(704)两端分别连接着减速机(706)输出端和丝杠(703)，丝杠(703)由丝杠支座(701)安装在支撑平台(5)的上方；支撑平台(5)上固定有多组相互平行的导轨(702)，一个驱动单元有一组导轨，导轨(702)在水平方向错位布置，在每组导轨(702)上安装有滑块(708)，为导轨滑块布置；滑块(708)通过螺钉连接在滑台(6)上，滑台(6)与丝杠螺母(707)固连，并且能够在丝杠(703)上水平滑动，上支座(9)以螺钉连接在滑台(6)底部，上支座上安装有上转动铰(8)；在喉块(1)上固定安装有下支座(2)，下支座(2)被分为前、中、后三部分分别布置在喉块(1)的三个表面，下支座(2)上安装有下转动铰(3)，下转动铰(3)与二力杆(4)连接，各个上转动铰(8)分别与对应的下转动铰(3)通过二力杆(4)连接，进而二力杆(4)连接着滑台(6)与喉块(1)。

2.根据权利要求书1所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，其特征在于：导轨(702)固定安装在支撑平台(5)上，滑块(708)通过螺钉连接在滑台(6)上，可为多导轨多滑块布置。

3.根据权利要求书1所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，其特征在于：支撑平台(5)为水平放置，丝杠支座(701)、导轨(702)、丝杠(703)、联轴器(704)、伺服电机(705)、直角减速机(706)、滑块(708)、减速机支座(709)和滑台(6)均为水平布置，且在支撑平台(5)的上表面，支撑平台(5)开有槽，二力杆(4)一端穿过槽连接着滑台(6)的上转动铰(8)。

4.根据权利要求书1所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，其特征在于：上转动铰(8)与下转动铰(3)可以是球铰或关节轴承。

5.根据权利要求书1所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁导轨水平式喉块驱动装置，其特征在于：驱动单元的组数与二力杆的组数一致，为多驱动。