CN108362467A - 连续式跨声速风洞半柔壁喷管竖直空间式液压驱动装置 - Google Patents

连续式跨声速风洞半柔壁喷管竖直空间式液压驱动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，包括喉块、支座、下转动铰、关节轴承、驱动杆、上转动铰、滑台、锁紧杆、锁紧缸、锁紧支座、滑块、导轨、液压缸、传感器读数头、位移传感器、耳轴支座，安装座。滑台通过转动副与液压推杆连接，通过液压驱动实现竖直方向的推拉运动，由六组有效液压驱动(剩下两组驱动为随动装置，无主动力)耦合运动改变六根杆的空间位置，从而实现喉块的空间位姿调整。本发明的六自由度机构控制能主动抵消由于初始安装等原因产生的侧向力；导轨滑块机构能将侧向力传递到安装座上，避免液压缸承受侧向力。

Description

连续式跨声速风洞半柔壁喷管竖直空间式液压驱动装置
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。
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。现已有跨声速风洞半柔壁喷管主要采用如图6所示的“框架摆动式”，这种驱动形式会产生较大的摆动质量，不能很好解决侧向力带来的负面影响(液压缸不具备很好承受侧向力的能力)。针对这类问题，开始思考一种减小会产生相对转动的部件质量，进而减小摆动质量，以及能主动抵消侧向力，减少对液压缸损害的新型驱动方式，即本发明介绍的一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，以满足风洞试验的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于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液压驱动装置，能够在有限的竖直空间内完成喉块的较大位姿调整，实现六个自由度的完全控制，具备主动抵消侧向力影响的功能，该液压驱动装置的安装座能够为喷管段框架提供高刚度的横向连接，本发明机构中有相对转动的部件是质量较轻的驱动二力杆，避免了常见如图6所示半柔壁喷管“框架摆动式”工作方式中不可避免的摆动质量大的问题。该装置需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，为试验段框架提供高刚度的横向连接等要求。
本发明的技术方案如下：本发明是连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，喷管段半柔壁分为可调收缩段、喉块段、柔板段，被执行件具体分为可调收缩块(7)、喉块(5)、柔板(8)，本装置作用于半柔壁喷管段的喉块段，由两个执行单元C驱动被执行件喉块(5),执行单元C细分为液压缸C1，C1包括液压缸体(101)，液压推杆(102)；滑台装置C2，C2包括滑台(201)，滑块(202)，液压推杆转动副(203)，驱动杆上端球铰(204)，锁紧缸(205)，传感器读数头(206)；驱动杆装置C3，C3包括驱动杆 (301)，关节轴承(302)，关节轴承(302)分为上端关节轴承(3021)，下端关节轴承(3022)；安装座装置C4，C4包括安装座(401)，耳轴支座(402)，锁紧支座(403)，锁紧杆(404)，导轨(405)，位移传感器(406)。安装座(401)为竖直放置的平板，固定连接于支撑框架(9)上，喉块(5)位于安装座(401)的正下方，滑台(201) 位于安装座(401)的一侧，滑台(201)也为竖直布置。在每个安装座(401)固定有多组左右互相平行的导轨(405)，一个滑台(201) 共用的两根互相平行的导轨为一组，每组导轨(405)旁边安装有位移传感器(406)，位移传感器(406)被固定安装在安装座(401) 上；在每根导轨(405)上安装有一组滑块(202)，每组滑块(202) 由多个互相平行并具有距离间隔的滑块组成，为导轨滑块布置；数组滑块(202)上固定安装有滑台(201)，滑块组数不定，可为双组或更多组；每个滑台(201)上均安装有驱动杆上端球铰(204)和传感器读数头(206)，每个滑台(201)的驱动由液压缸C1驱动实现；液压缸C1通过耳轴支座(402)安装在安装座(401)上，耳轴支座(402)通过转动副与液压缸体(101)连接，通过液压推杆转动副(203)将滑台(201)和液压推杆(102)连接，且液压推杆(102) 与滑台有竖直方向的空间重叠布置，实现了空间复用；在安装座(401) 的下方放置着喉块(5)，喉块(5)上固定安装有喉块球铰支座(6)，每两个喉块球铰支座(6)为一组，喉块(5)上一共固定安装有四组支座；喉块球铰支座(6)上安装有下端关节轴承(3022)与驱动杆(301)连接，各个驱动杆上端球铰(204)通过对应的各个上端关节轴承(3021)和驱动杆(301)连接，即驱动杆装置C3连接着滑台(201)和喉块(5)；在滑台(201)的两端设计有锁紧缸安装孔，液压锁紧缸(205)通过法兰安装于滑台(201)上；在滑台(201) 运动时，对液压锁紧缸(205)高压供油，液压锁紧缸(205)锁紧机构松开，液压机构可正常运动；在需要对机构进行锁紧时，切断液压锁紧缸(205)的供油，液压锁紧缸(205)锁住锁紧杆(404)，锁紧杆(404)通过两个锁紧支座(403)固定于安装座(401)，此液压机构因此锁定。
本发明采用的液压集成单元为驱动机构、导向机构、液压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。驱动通过液压缸提供大驱动力，导向通过多组导轨实现，锁紧通过液压锁紧缸实现。
本液压驱动装置具体结构如图1所示，驱动机构需整体布局在一安装座(401)上，安装座(401)固连于喷管段框架之上。安装座(401)上的每一组驱动装置(共两组)的每个部件都是通过滑台 (201)相互连接。每个滑台(201)通过驱动杆上端球铰(204)、关节轴承(302)连接一根驱动杆，液压缸推杆的杆端轴承也安装于此滑台上，每个滑台(201)上的两液压锁紧缸也通过法兰安装于滑台(201)上。每个滑台(201)的下平面安装有两组双滑块，各组滑块之间均相互平行，具有一定距离。两液压缸C1平行布置于安装座(401)之上，两液压缸C1具有完全同规格，液压缸C1的液压推杆通过杆端轴承连接滑台(201)，使液压缸的驱动力直接作用在滑台(201)之上，且此处采取内嵌结构，在运动过程中液压缸缸体可嵌入滑台的缸洞中，有效实现了空间复用。在滑台(201)的两端设计有锁紧缸安装孔，液压锁紧缸(205)通过法兰安装于滑台(201) 上。在滑台(201)运动时，对液压锁紧缸(205)高压供油，液压锁紧缸(205)锁紧机构松开，液压机构可正常运动。在需要对机构进行锁紧时，切断液压锁紧缸(205)的供油，液压锁紧缸(205) 锁住锁紧杆(404)，锁紧杆(404)通过两个锁紧支座(403)固定于安装座(401)，此液压机构因此锁定。
采用以上技术方案，通过驱动滑台，改变杆的位置来达到喉块的空间位姿调整，同时，在有侧向力的时候，可以通过主动调节喉块的位姿以达到主动抵抗侧向力的功能。侧向力通过杆传递至滑台，由滑台传递至导轨滑块，由导轨滑块传递至安装座，克服了“框架摆动式”抵抗横向载荷能力不足的缺点。
本发明的有益效果是：
1.与常见的半柔壁驱动单元相比，本液压驱动单元在运动过程中不存在液压缸的摆动，因此机构的摆动质量大大减小。这有效缓解了液压缸摆动带来的漏油现象严重，精度难以保证，缸体安装和位置标定困难等问题。
2.结构集成度高，机构的液压驱动机构、液压抱紧机构、导向机构通过平行布置或者层叠布置，依靠滑台的连接集成安装在有限的空间内。
3.该发明创新性地在滑台上设计了缸洞结构，液压缸在运动过程中可嵌入滑台内部，实现了空间复用。
4.该发明创新性地在滑台上安装了多导轨多滑块机构，喉块上的侧向力可通过两个驱动杆传递到滑台上，再通过多导轨多滑块机构传递到刚度极强的安装座上，有效避免了侧向力对液压缸等机构的不良影响。
5.驱动杆与竖直方向存在有一定的夹角，两根驱动杆呈“V”型布置，这极大地增加了装置的稳定性，并且是六自由度各姿态控制的基础。
6.风洞试验中对喉块的控制本来只需是平面机构，但这样的初始安装要求较高，侧向力问题难以解决，本发明创造性地采用六自由度控制，减小了初始安装的难度，可以通过对喉块的各自由度微调达到理想的初始位姿，也可以通过驱动去主动抵消侧向力。
本发明采用六自由度并联机构，抵抗了侧向力的影响，并且喉块的驱动形式为竖直的滑台驱动，有很高的运动效率；滑台和液压推杆的布置交叉实现了装置的空间复用。由于本发明在运作时需要承受较大的气动载荷和振动，要求驱动装置的刚度高，尽量减少由驱动装置带来的附加力和力矩，这一点经由固定安装的安装座来保证，因为有相对转动的部件质量较小，具有较小的摆动质量。
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竖直空间式液压驱动装置的空间整体示意图。
图2是图1中机构的沿X轴方向观测示意图。
图3是图1中C1、C4部分的沿Y轴负方向观测示意图。
图4是图1中C2部分的空间整体示意图。
图5是图4中机构的沿Z轴方向观测示意图。
图6是图4中机构的沿Y轴方向观测示意图。
图7是图1中C3部分的空间整体示意图。
图8是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁竖直空间式液压驱动装置的在风洞试验中应用的整体工作状态示意图。
图9是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式液压驱动装置的喉块三维模型示意图。
图10是连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块常见框架摆动式装置的整体示意图。
图11是该连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式液压驱动装置的机构运动简图。
图中：C1.液压缸，液压缸体(101)，液压推杆(102)；C2.滑台装置，滑台(201)，滑块(202)，液压推杆转动副(203)，驱动杆上端球铰(204)，液压锁紧缸(205)，传感器读数头(206)；C3. 驱动杆装置，驱动杆(301)，关节轴承(302)，上端关节轴承(3021)，下端关节轴承(3022)；C4.安装座装置，安装座(401)，耳轴支座 (402)，锁紧支座(403)，锁紧杆(404)，导轨(405)，位移传感器(406)；喉块(5)；喉块球铰支座(6)；可调收缩块(7)；柔板 (8)；支撑框架(9)
具体实施方式
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
本发明是连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，喷管段半柔壁分为可调收缩段、喉块段、柔板段，被执行件具体分为可调收缩块(7)、喉块(5)、柔板(8)，本装置作用于半柔壁喷管段的喉块段，由两个执行单元C驱动被执行件喉块 (5),执行单元C细分为液压缸C1，C1包括液压缸体(101)，液压推杆(102)；滑台装置C2，C2包括滑台(201)，滑块(202)，液压推杆转动副(203)，驱动杆上端球铰(204)，锁紧缸(205)，传感器读数头(206)；驱动杆装置C3，C3包括驱动杆(301)，关节轴承 (302)，关节轴承(302)分为上端关节轴承(3021)，下端关节轴承(3022)；安装座装置C4，C4包括安装座(401)，耳轴支座(402)，锁紧支座(403)，锁紧杆(404)，导轨(405)，位移传感器(406)。本液压驱动装置具体结构如图1所示，驱动机构需整体布局在一安装座(401)上，安装座(401)固连于支撑框架(9)之上。安装座 (401)上的每一组驱动装置(共两组)的每个部件都是通过滑台(201) 相互连接。安装座(401)为竖直放置的平板，喉块(5)位于安装座(401)的正下方，滑台(201)位于安装座(401)的一侧，滑台 (201)也为竖直布置，这极大地提高了运动效率，即驱动运动方向和技术要求所需的运动方向间夹角较小，有效运动行程大。在安装座(401)固定有多组左右平行的导轨(405)，一个滑台(201)共用的两根互相平行的导轨为一组，每组导轨(405)旁边安装有位移传感器(406)，位移传感器(406)被固定安装在安装座(401)上，并且各个位移传感器(406)与每组导轨(405)之间有一定的距离，在每根导轨(405)上安装有一组滑块(202)，每组滑块(202)由多个互相平行并具有距离间隔的滑块组成，一个滑台(201)共用多组滑块(202)，并安装在多组导轨上，为多导轨多滑块布置，减少了导轨的侧翻力矩，多组滑块(202)上安装有滑台(201)，每个滑台(201)上均安装有驱动杆上端球铰(204)和传感器读数头(206)，每个滑台(201)的驱动由液压驱动实现，通过转动铰将滑台和液压推杆连接，且液压推杆与滑台有竖直方向的空间重叠布置，实现了空间复用。传感器读数头(206)用于精确的监测控制滑台(201) 的实时位置，滑台(201)能够在相应的导轨(405)上滑动，每个滑台(201)连接着驱动杆和液压推杆，通过液压缸的驱动，滑台(201) 实现在竖直方向的移动，每个滑台(201)上的传感器读数头(206) 在相对应的位移传感器(406)的上方，位移传感器(406)与对应的传感器读数头(206)保持一定的距离间隙，位移传感器(406) 和传感器读数头(206)能够精确的检测滑台的位置，从而控制驱动杆(301)的空间位置，以达到喉块(5)的位姿调整，在安装座(401) 的下方放置着喉块(5)，喉块(5)上表面固定安装有喉块球铰支座 (6)，每两个喉块球铰支座(6)为一组，喉块(5)上一共固定安装有四组支座，喉块球铰支座(6)上安装有下端关节轴承(3022) 与驱动杆(301)连接，各个驱动杆上端球铰(204)通过对应的各个上端关节轴承(3021)和驱动杆(301)连接，即驱动杆装置C3 连接着滑台(201)和喉块(5)。在滑台(201)的两端设计有锁紧缸安装孔，液压锁紧缸(205)通过法兰安装于滑台(201)上。在滑台(201)运动时，对液压锁紧缸(205)高压供油，液压锁紧缸 (205)锁紧机构松开，液压机构可正常运动。在需要对机构进行锁紧时，切断液压锁紧缸(205)的供油，液压锁紧缸(205)锁住锁紧杆(404)，此液压机构因此锁定。
实施例2
本实施例的主要结构同实施例1，进一步：
位移传感器(406)和传感器读数头(206)有多种实现位移检测功能的装置，如光栅传感器、容栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等，实际中可根据具体功能要求来选择适当的传感器。
实施例3
本实施例的主要结构同实施例1，进一步：
导轨(405)固定安装于安装座(401)上，滑块(202)固定安装于滑台(201)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；关节轴承(302)允许一定空间偏角，换成球铰副也能达到同样功能。
本发明采用的液压集成单元为驱动机构、导向机构、液压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。驱动通过液压缸提供大驱动力，导向通过多组导轨实现，锁紧通过液压锁紧缸实现。采用以上技术方案，通过驱动滑台，改变杆的位置来达到喉块的空间位姿调整，同时，在有侧向力的时候，可以通过主动调节喉块的位姿以达到主动抵抗侧向力的功能。而且侧向力通过杆传递至滑台，由滑台传递至导轨滑块，进而由安装座承受，有较强的抵抗侧向力的能力，避免对液压缸的损坏。
总而言之，喉块驱动装置通过液压驱动使滑台(201)在竖直方向移动，从而改变驱动杆(301)的空间位置，由六根杆的耦合运动，联合控制，改变喉块(5)的空间位置，进而实现各个准确的位姿，位移传感器(406)和传感器读数头(206)为位姿的精准性提供支持。而通过对液压锁紧缸(205)实时供断油来控制液压机构的工作与否，以此为试验的安全性提供保证，为安装与维护带来便利。

Claims (3)

1.一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，喷管段半柔壁分为可调收缩段、喉块段、柔板段，被执行件具体分为可调收缩块(7)、喉块(5)、柔板(8)，本装置作用于半柔壁喷管段的喉块段，其特征在于：由两个所述执行单元C驱动被执行件喉块5,执行单元C细分为液压缸C1，C1包括液压缸体(101)，液压推杆(102)；滑台装置C2，C2包括滑台(201)，滑块(202)，液压推杆转动副(203)，驱动杆上端球铰(204)，锁紧缸(205)，传感器读数头(206)；驱动杆装置C3，C3包括驱动杆(301)，关节轴承(302)，关节轴承(302)分为上端关节轴承(3021)，下端关节轴承(3022)；安装座装置C4，C4包括安装座(401)，耳轴支座(402)，锁紧支座(403)，锁紧杆(404)，导轨(405)，位移传感器(406)；本发明中安装座(401)为竖直放置的平板，固定连接于支撑框架(9)上，喉块(5)位于安装座(401)的正下方，滑台(201)位于安装座(401)的一侧，滑台(201)也为竖直布置；在每个安装座(401)固定有多组左右互相平行的导轨(405)，一个滑台(201)共用的两根互相平行的导轨(405)为一组，每组导轨(405)旁边安装有位移传感器(406)，位移传感器(406)被固定安装在安装座(401)上。
在每根导轨(405)上安装有一组滑块(202)，每组滑块(202)由多个互相平行并具有距离间隔的滑块组成，为导轨滑块布置；数组滑块(202)上固定安装有滑台(201)；每个滑台(201)上均安装有驱动杆上端球铰(204)和传感器读数头(206)，每个滑台(201)的驱动由液压缸C1驱动实现；液压缸C1通过耳轴支座(402)安装在安装座(401)上，耳轴支座(402)通过转动副与液压缸体(101)连接，通过液压推杆转动副(203)将滑台(201)和液压推杆(102)连接，且液压推杆(102)与滑台有竖直方向的空间重叠布置。
在安装座(401)的下方放置着喉块(5)，喉块(5)上固定安装有喉块球铰支座(6)，每两个喉块球铰支座(6)为一组，喉块(5)上一共固定安装有四组支座；喉块球铰支座(6)上安装有下端关节轴承(3022)与驱动杆(301)连接，各个驱动杆上端球铰(204)通过对应的各个上端关节轴承(3021)和驱动杆(301)连接，即驱动杆装置C3连接着滑台(201)和喉块(5)；在滑台(201)的两端设计有锁紧缸安装孔，液压锁紧缸(205)通过法兰安装于滑台(201)上；当液压缸C1施加驱动力时，滑台(201)产生竖直方向的运动，对液压锁紧缸(205)高压供油，液压锁紧缸(205)锁紧机构松开，液压机构可正常运动；在需要对机构进行锁紧时，切断液压锁紧缸(205)的供油，液压锁紧缸(205)锁住锁紧杆(404)，锁紧杆(404)通过两个锁紧支座(403)固定于安装座(401)，此液压机构因此锁定。
2.根据权利要求1或2所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，其特征在于位移传感器(406)和传感器读数头(206)有多种实现位移检测功能的装置，包括光栅传感器、容栅传感器、磁栅传感器、感应同步器。
3.根据权利要求1或2所述的连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块的竖直空间式液压驱动装置，其特征在于：导轨(405)固定安装于安装座(401)上，滑块(202)固定安装于滑台(201)上，为多导轨多滑块布置；关节轴承(302)允许一定空间偏角，换成球铰副也能达到同样功能。
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