CN108844711B - 一种翼型两自由度动态风洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼型两自由度动态风洞试验装置，包括支撑框架，所述支撑框架包括左右两个支撑柱，两个支撑柱上分别设置有沉浮运动模块，每一个沉浮运动模块上设置有俯仰运动模块，被测翼型的两端各自连接到一个俯仰运动模块上；所述俯仰运动模块同步运动的同时沉浮运动模块同步运动，带动被测模型实现俯仰、沉浮耦合振荡；本发明突破了翼型振荡装置静力学和动力学仿真优化设计、电机动力系统安全同步控制、俯仰/沉浮两自由度运动路径规划等重大技术难题，能实现俯仰、沉浮，以及俯仰、沉浮耦合振荡运动下的旋翼翼型低速动态气动特性测试能力。

Description

一种翼型两自由度动态风洞试验装置

技术领域

本发明涉及风洞试验领域，尤其是涉及一种翼型两自由度动态风洞试验装置。

背景技术

对于直升机来讲，动态失速伴随着桨叶上气动载荷短时间内的剧烈变化，由此带来的问题包括：高载荷、振动、桨叶颤振、突发性噪声等等，严重地限制了直升机的承载、飞行速度和机动能力等。改进动态失速特性是实现武装直升机高机动飞行和运输直升机重载高速度飞行的关键。旋翼动态失速是一个严重的非定常气动现象，其机理十分复杂，而翼型的动态失速又是其集中体现，深入地了解旋翼翼型动态失速特性有利于研究如何提高旋翼性能, 更精确地预测旋翼气动力, 或进行旋翼初始设计和失速颤振计算。

风洞试验是认识旋翼翼型动态失速特性和流动机理的主要手段，建立旋翼翼型动态风洞试验技术，开展直升机旋翼翼型动态失速特性研究，将会对提升我国直升机自主设计能力，推动我国高载、高速、高机动军用直升机的研发发挥至关重要的支撑作用。

翼型风洞试验技术是一项精细工程，旋翼翼型的优化及性能确定需要先进完整的试验装置和技术体系作为支撑，国内现有试验装置模拟能力不能完全满足旋翼翼型动态失速研究需要。后行桨叶动态失速研究试验马赫数要求0.3～0.4范围，现有的旋翼翼型动态失速试验装置试验马赫数通常不超过0.2；另一方面，旋翼翼型试验折算频率要求不低于0.1，现有装置振荡频率或强度不足，难以同时兼顾马赫数和折算频率要求，往往通过降低试验马赫数实现高折算频率，如马赫数0.1，折算频率0.1。

专利（2014101090664）公开了一种连续式风洞翼型动态特性试验机构，通过连杆和转动机构实现了被测模型在风洞中连续式的俯仰振荡，实现了翼型的动态试验。但是该专利公开的技术也仅仅能实现翼型在一个自由度上的俯仰振荡，而且对于振荡平衡迎角和振幅是不能进行在线无极控制和调节的，必须通过对驱动结构（也就是曲柄连杆）的更换才能实现调节，并且该方案对于更多自由度上比如说沉浮振荡就不能实现，因此对于风洞试验的更多要求，现有技术并不能满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种试验装置，实现被测翼型能在两个自由度上耦合运动并完成试验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种翼型两自由度动态风洞试验装置，包括支撑框架，所述支撑框架包括左右两个支撑柱，两个支撑柱上分别设置有沉浮运动模块，每一个沉浮运动模块上设置有俯仰运动模块，被测翼型的两端各自连接到一个俯仰运动模块上；

所述两个俯仰运动模块同步运动带动被测模型实现俯仰振荡；

所述两个沉浮运动模块同步运动带动被测模型实现沉浮振荡；

所述俯仰运动模块同步运动的同时沉浮运动模块同步运动，带动被测模型实现俯仰、沉浮耦合振荡。

在上述技术方案中，所述沉浮运动模块包括沿着支撑柱轴线设置的直线导轨和设置在直线导轨上的直线电机、与所述直线电机初级连接的运动基座，所述俯仰运动模块设置在运动基座上。

在上述技术方案中，所述直线导轨包括六组滑块导轨副，直线电机的次级和初级通过六组滑块导轨副与支撑柱固定。

在上述技术方案中，直线电机上的运动基座上设置有用于制动抱闸的气动刹车，所述直线导轨的下端与运动基座对应位置设置有缓冲器。

在上述技术方案中，所述俯仰运动模块包括一个固定设置在沉浮运动模块上的旋转电机和减速器。

在上述技术方案中，所述减速器的输出轴上设置有编码器，所述编码器为圆光栅，圆光栅固定在旋转轴上，编码器的读数头固定在旋转轴座上。

在上述技术方案中，所述直线导轨上设置有光栅尺，光栅尺的读数头固定在运动基座上。

在上述技术方案中，沉浮运动模块内设置有水冷系统用于冷却直线电机，所述水冷系统为自动水循换冷却器。

在上述技术方案中，当被测模型进行大振幅、高频率和高马赫数的俯仰单自由度运动时，直线电机两侧的初级与运动基座通过连接件固定连接为一体。

在上述技术方案中，包括控制系统，所述控制系统通过两个光栅尺反馈的位移值，并控制相对应的沉浮运动模块的垂直位移，实现沉浮运动模块同步运动；所述控制系统通过编码器反馈的角度值，并控制相对应的俯仰运动模块中旋转电机的转动角度实现；所述控制系统输出控制信号到沉浮运动模块和俯仰运动模块，实现电机的无极变速和位移振荡。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明突破了翼型振荡装置静力学和动力学仿真优化设计、电机动力系统安全同步控制、俯仰/沉浮两自由度运动路径规划等重大技术难题，能实现俯仰、沉浮，以及俯仰、沉浮耦合振荡运动下的旋翼翼型低速动态气动特性测试能力；通过测试，低速动态试验振荡频率0～5Hz，最大振幅15°，最高试验马赫数接近0.3，最高试验雷诺数达到2×10⁶；以此作为开展旋翼翼型动态失速研究的设备平台和技术支撑，推动我国高性能自主翼型研发试验验证技术体系的建立。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是运动模块的结构示意图；

图3是控制系统示意图；

其中：1是支撑框架，2是俯仰运动模块，2.1是减速器，2.2是俯仰电机，3是沉浮运动模块,3.1是直线电机次级，3.2是直线电机初级，3.3是直线电机底座，3.4是导轨副，3.5是缓冲器，4是被测模型。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示风洞旋翼翼型动态试验装置机械部分包括沉浮运动模块、俯仰运动模块、机械支撑框架和旋翼翼型模型（包括天平）四个部分，俯仰运动模块由伺服电机、行星减速器、支座等构成，实现模型俯仰运动；沉浮运动模块由直线电机、导轨滑块副、气动刹车和缓冲器等构成，实现模型沉浮运动；天平为两台，分左右安装。俯仰运动模块安装在沉浮运动模块上，可随沉浮运动模块一起上下运动，实现模型俯仰、沉浮耦合运动。沉浮运动模块安装在机械支撑框架上，机械支撑框架固连在与地基相连的支撑转盘上，整套装置与风洞试验段之间没有接触，避免吹风过程中试验段振动对装置产生影响，同时可兼顾开口、闭口试验段使用，便于开展洞壁干扰研究。翼型模型横跨式安装，通过两端天平与俯仰运动组件连接。模型气动力由两种途径获得，一是通过双天平组合得出；二是通过模型布置的动态压力传感器积分得出，并对两种方式各自的优缺点开展对比研究。

俯仰、沉浮运动模块结构如图2所示。俯仰运动模块通过自动控制电机驱动减速机从而实现轴的旋转振荡。电机固定在减速机上，减速机固定在运动基座上，从而保证电机和减速机外壳的固定。运动基座既是俯仰运动模块的安装基础，又与直线电机的初级固连，充当沉浮运动模块运动部件，通过六组滑块导轨副与直线电机基座作用。

直线电机的次级和初级通过这六组滑块导轨副固定在基座上，从而限制了其除轴向转动以外的其它自由度，这样就使得电机次级初级相互作用将运动传递给运动基座，运动基座通过俯仰伺服电机、减速器将俯仰、沉浮组合运动传与模型（天平），控制直线电机、俯仰伺服电机的运动从而实现模型的可控运动。在该部件装配时，滑块导轨副安装前清洗干净并按照使用手册进行初始润滑，且对其它零件特别是装配面的污染物应该清除干净，避免各种杂质影响安装精度。滑块导轨副的平行度通过提高装配面的加工要求来实现。装配完成后要求运动灵活，无卡阻。

模型俯仰、沉浮振荡的幅度和频率的大小由电机（电机配套17位绝对式旋转编码器）控制，但为了降低减速机传动间隙的影响，模型俯仰、沉浮的幅度和频率由安装在减速器轴上的编码器和直线电机基座上的光栅尺直接测量。考虑到该部件特殊的结构方式，角度编码器选用Renishaw的圆光栅，光栅尺选用HEIDENHAIM的绝对式直线光栅尺。圆光栅固定在轴上，并随轴一起转动，编码器的读数头固定在转轴座上，光栅尺的读数头固定在运动基座上。读数头与光栅之间的装配要求由装配时的现场调整来实现。

直线电机在运行过程中出现故障，特别是滑块组已被加速到最高速度时出现的故障，为保护相关设备安全，必须采用制动器来实现制动抱闸，以防止出现“飞车失控”现象，严重损伤设备。使用制动器时，需计算停止距离，以确保足够的导轨长度。

本发明的控制系统如图3所示，主要体现在对两个电机之间的精准同步，分为两个俯仰运动的旋转电机的旋转角度和旋转速度的同步、两个沉浮运动的直线电机的上下位移和移动速度同步。

系统具有设置功能：用于设定系统零位、控制参数、运动角度和位移、运动振幅和频率、耦合运动的相位差等参数；系统具有轨迹规划功能：可通过选择运动模式，设定相应参数，完成风轴系内模型轨迹规划；系统具有轨迹跟踪功能，实现四台电机联动控制，从而完成模型在风轴系内的两自由度轨迹跟踪控制，其控制算法应具有较强的适应性和鲁棒性，控制参数对于一定范围内的模型重量和吹风风速具有通用性；系统具有人机交互功能：可通过友好的可视化操作界面，设置和查看运动控制系统参数，监控系统工作状态；能够实时地显示平台真实的运动过程；能自动保存运动过程数据，并可回访历史记录；系统具有完善的安全保护功能。具备软、硬限位，具有状态指示、报警显示、系统保护功能，可在线监控、保护电机；系统具有良好的EMC（电磁兼容性）。不仅能够在控制间及风洞正常运行的电磁干扰环境下稳定、正常的工作，同时对外部设备的电磁干扰要弱、不影响其他设备正常工作；在俯仰和沉浮运动机构上加装旋转电位计和直线电位计，接入数据采集系统中实时采集模型的俯仰角度和沉浮位移，便于数据处理；设计并研制供直线电机冷却的水冷系统，同时直线电机要有可靠快速稳定的抱闸功能，静止状态下不下滑，上下都有限位开关和缓冲器。

实施例一

当模型进行大振幅、高频率和高马赫数的俯仰单自由度运动时，为避免对直线电机造成冲击和损伤，而且两侧直线电机的滑块和导轨间易产生不相等的位移量造成两侧伺服电机不同轴，从而导致伺服电机损伤和模型变形扭断，因此需要将两侧初级用螺栓或销子等固定牢靠。

在保证模型具有足够的刚度和强度前提下，为满足系统高动态、高精度的要求，模型采用碳纤维材料，加上天平、传感器、线缆等质量总计为20kg，负载转动惯量为0.1kg•m2。设计时采用的指标：俯仰运动振幅15°，频率5Hz，试验风速为0.28Ma，运动路径按照余弦曲线θ=Acos(2πft)规划。电机负载转矩为模型运动的负载转矩叠加俯仰力矩（规定模型向上翻为正方向），由于采用两台电机驱动，且效率一般取0.9，设计安全余量30%（一般取20%~30%），因此折算到单台的负载总转矩为M负总=（M负-M俯仰）/2/0.9×1.3。

由于能够满足要求的单台力矩电机的重量就超过100kg，若加在直线电机的初级上，明显超重，无法实现沉浮振荡运动，在此不得不放弃力矩电机直接驱动的方式，而采用伺服电机加行星减速器的控制方案，而负载的总转矩还应加上减速器和转子自身的负载转矩。

实施例二

当模型只做沉浮单自由度运动时，由于受限于最大直线电机的负载运动能力，因此需要将俯仰运动机构从初级上撤下以减轻直线电机运动质量以实现大振幅、高频率和高马赫数的设计指标。

在设计时采用的指标：振幅0.13m，频率4Hz，试验风速为0.2Ma，运动路径按照余弦曲线s=Acos(2πft)规划，电机负载力为机构运动的负载力叠加升力（规定模型向上为正方向），由于运动方式为垂直运动，因此还需要考虑重力的影响。采用两台电机驱动，效率一般取0.9，设计安全余量30%（一般取20%~30%），直线电机总推力为F_总=m×(a+g)×1.3-F_升力/2/0.9。

实施例三

当模型进行耦合运动时，将俯仰运动机构安装在直线电机的初级上，随沉浮运动机构一起上下运动，但运动振幅和频率会受到限制。耦合运动是两台伺服电机和两台直线电机一般是按照相同频率、各自振幅共同运动，能够实现的最大指标依据具体调试结果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种翼型两自由度动态风洞试验装置，包括支撑框架，所述支撑框架包括左右两个支撑柱，其特征在于两个支撑柱上分别设置有沉浮运动模块，每一个沉浮运动模块上设置有俯仰运动模块，被测翼型的两端各自连接到一个俯仰运动模块上；

所述沉浮运动模块包括沿着支撑柱轴线设置的直线导轨和设置在直线导轨上的直线电机、与所述直线电机初级连接的运动基座，所述俯仰运动模块设置在运动基座上；

所述俯仰运动模块包括一个固定设置在沉浮运动模块上的旋转电机和减速器；

所述两个俯仰运动模块同步运动带动被测模型实现俯仰振荡；

所述两个沉浮运动模块同步运动带动被测模型实现沉浮振荡；

所述俯仰运动模块同步运动的同时沉浮运动模块同步运动，带动被测模型在频率0～5Hz、最大振幅15°、最高试验马赫数0.3、最高试验雷诺数2×10⁶的环境下实现俯仰、沉浮耦合振荡。

2.根据权利要求1所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于所述直线导轨包括六组滑块导轨副，直线电机的次级和初级通过六组滑块导轨副与支撑柱固定。

3.根据权利要求2所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于直线电机上的运动基座上设置有用于制动抱闸的气动刹车，所述直线导轨的下端与运动基座对应位置设置有缓冲器。

4.根据权利要求1所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于所述减速器的输出轴上设置有编码器，所述编码器为圆光栅，圆光栅固定在旋转轴上，编码器的读数头固定在旋转轴座上。

5.根据权利要求2所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于所述直线导轨上设置有光栅尺，光栅尺的读数头固定在运动基座上。

6.根据权利要求2所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于沉浮运动模块内设置有水冷系统用于冷却直线电机，所述水冷系统为自动水循换冷却器。

7.根据权利要求1所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于当被测模型进行大振幅、高频率和高马赫数的俯仰单自由度运动时，直线电机两侧的初级与运动基座通过连接件固定连接为一体。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种翼型两自由度动态风洞试验装置，其特征在于包括控制系统，所述控制系统通过两个光栅尺反馈的位移值，并控制相对应的沉浮运动模块的垂直位移，实现沉浮运动模块同步运动；所述控制系统通过编码器反馈的角度值，并控制相对应的俯仰运动模块中旋转电机的转动角度实现；所述控制系统输出控制信号到沉浮运动模块和俯仰运动模块，实现电机的无极变速和位移振荡。

Images