CN110595726B - 一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法，包括加载外套、内套筒、天平、天平支杆和轴向力加载板，内套筒插接在加载外套内，天平伸入加载外套内，天平一端伸入内套筒内，天平另一端伸入天平支杆内，天平支杆伸入加载外套内，轴向力加载板固连在加载外套靠近天平支杆的一端，天平支杆一端穿过轴向力加载板以伸出加载外套外，本发明具有满足加载头变形小的刚度要求下大幅度减小加载头重量，减小了加载头重量对小量程天平静校不利影响的优点。

Description

一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法

技术领域

本发明涉及风洞天平校准设备领域，尤其涉及一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法。

背景技术

风洞天平是风洞中开展飞行器气动力测量试验所用的关键测试设备，是具有一定特殊性的非标结构力传感器。不同的气动力试验所要求的测力天平精准度也有所不同。一般常规气动力试验，要求测力天平静校精度误差和准度误差都小于5‰，为达到这一目标，静校系统的数据采集误差通常都控制在0.3‰以内，天平静校载荷的施力误差一般也控制在0.8‰以内。施力载荷通过静校加载头传递给天平，加载头施力点位置的准确性和加载过程中加载头的结构变形是影响施力精度的主要因素。

随着天平种类、结构、量程、用途等的不同，天平加载头结构形式也千差万别。一般而言，对于盒式天平，加载头多采用方块结构安装于天平上联结板处。对于杆式天平，加载头多采用中空柱状结构，天平安装于加载头内部空腔中，此类加载头对于载荷量级为200N的加载头重量较大，对天平静校精准度也有较大影响。

因此，针对以上不足，需要提供一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决目前200N载荷量杆式天平静校所用加载头重量偏大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于杆式天平静校的轻型加载头及其使用方法，包括加载外套、内套筒、天平、天平支杆和轴向力加载板，内套筒插接在加载外套内，天平伸入加载外套内，天平一端伸入内套筒内，天平另一端伸入天平支杆内，天平支杆伸入加载外套内，轴向力加载板固连在加载外套靠近天平支杆的一端，天平支杆一端穿过轴向力加载板以伸出加载外套外。

通过采用上述技术方案，用于杆式天平静校的轻型加载头与同尺度现有加载头相比，该加载头结构巧妙、制造简单、使用方便，在满足加载头变形小的刚度要求下大幅度减小了加载头重量，使加载头重量小于2千克，减小了加载头重量对小量程天平静校的不利影响，并能满足200N量程的杆式天平静校的要求。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内套筒为圆柱状，内套筒内部一侧开设有圆柱状的孔，内套筒内部另一侧开设有圆锥状的孔，所述圆锥状孔的外径小于所述圆柱状孔的外径，所述圆锥状的孔外径大于天平一端的外径。

通过采用上述技术方案，便于将天平插入内套筒内且不伤天平。

作为对本发明的进一步说明，优选地，天平一端穿过所述圆柱状孔和所述圆锥状孔并伸出内套筒外，天平伸出所述圆锥状孔的一端螺纹连接有螺母，所述螺母与内套筒之间的天平外套接有弹簧垫圈，弹簧垫圈抵接在内套筒上。

通过采用上述技术方案，可将天平固定在内套筒上。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内套筒外壁上间隔开设有若干个带有螺纹的孔，加载外套顶部开设有长方形的通孔，所述通孔内插接有紧固螺栓，紧固螺栓与所述螺纹孔螺纹连接，紧固螺栓螺帽底端面与加载外套抵接。

通过采用上述技术方案，可将内套筒固定在加载外套上，并利用螺栓连接，使内套筒可更换。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载外套两侧架设有轴向位置调节器，轴向位置调节器包括位置调节螺栓、固定螺栓和轴向位置调整块，轴向位置调整块滑动连接在加载外套上，位置调节螺栓螺纹连接在轴向位置调整块滑动方向两端的加载外套上，位置调节螺栓与轴向位置调整块抵接，固定螺栓穿过轴向位置调整块与内套筒螺纹连接。

通过采用上述技术方案，可使内套筒沿加载外套的轴线方向移动，使加载外套和内套筒相对位置调整满足天平设计中心位置和加载外套中心位置重合的静校要求，设置固定螺栓起到固定内套筒位置的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，天平伸入天平支杆一端外套接有隔热锥套，隔热锥套与天平支杆抵接，天平伸入天平支杆一端顶部开设有键槽，所述键槽内插接有方形的平键，所述平键贯穿隔热锥套插入天平支杆内壁的正上方。

通过采用上述技术方案，设置隔热锥套减少温度对天平静校的影响，设置键槽和平键以便调正天平的安装位置。

作为对本发明的进一步说明，优选地，轴向力加载板为细长板状，轴向力加载板长度方向与加载外套轴线方向垂直，轴向力加载板长度方向两端设有轴向力加载线连接头。

通过采用上述技术方案，可在轴向力加载板上挂载加载线，且细长的轴向力加载板力臂较长，可减少一定的加载力实现对天平轴向力的原定加载力。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载外套外侧顶部固连有十字状的横梁，横梁长度方向与加载外套轴线方向垂直的直杆两端设有滚转力矩加载线连接头，加载外套长度方向两端底部设有法向力加载线连接头，加载外套远离轴向力加载板一端两侧设有侧向力加载线连接头。

通过采用上述技术方案，可实现对天平进行滚转力矩、法向力和侧向力的加载。

本发明还提供一种用于杆式天平静校的轻型加载头的使用方法，包括以下步骤：

Ⅰ.将轴向力加载板通过螺栓固连在加载外套前端面上；

Ⅱ.通过穿孔打结的方式将施力线安装在各加载线连接头上；

Ⅲ.将装好天平的天平支杆安装在天平校准架支座上；

Ⅳ.使用弹簧垫圈和螺母将内套筒紧固安装于天平上，并调整天平校准架支座滚转角，使天平前锥段的键槽垂直向上；

Ⅴ.将加载外套滑动安装在内套筒上，使加载外套中心位置在天平设计中心位置附近，并将轴向位置调节器安装在加载外套和内套筒上，所有螺栓均处于拧松状态；

Ⅵ.在横梁水平面上放置倾角仪检测加载头俯仰和滚转方向的安装角度，调整校准架支座角度，使得所测加载头俯仰和滚转方向的安装角度小于1′；

Ⅶ.在两个法向力加载线连接头上施加相同载荷，观测加载前后天平俯仰力矩测量单元信号输出变化，如果输出变化较大，则旋动四个位置调节螺栓微调加载外套在内套筒轴线方向的相对位置，直到加载前后天平俯仰力矩测量单元信号输出变化很小后，拧紧固定螺栓和紧固螺栓实现加载外套和内套筒紧密固连，使满足天平静校要求，最后按照加载、采集数据的流程重复上述操作完成天平的静校工作。

通过采用上述技术方案，利用结构巧妙的天平静校加载头，配合简易的调节方法，即可实现对天平的静校工作，操作简单，能满足200N量程的天平静校要求。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载前后天平俯仰力矩测量单元信号输出变化小于20微伏后，拧紧固定螺栓和紧固螺栓，以使加载头加载中心与天平校心接近重合。

通过采用上述技术方案，采用判断俯仰力矩测量单元检测的信号变化大小的方法，可准确的得出加载头的加载中心与天平校心是否重合，检测精度高。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明设计的加载头结构巧妙、制造简单、使用方便，在满足加载头变形小的刚度要求下大幅度减小了加载头重量，使加载头重量小于2kg，减小了加载头重量对小量程天平静校的不利影响，以完全满足200N量程的杆式天平静校要求。

附图说明

图1是本发明的总装效果图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的A-A剖面图；

图4是本发明的B-B剖面图；

图5是本发明的C-C剖面图；

图6是本发明的内套筒结构图；

图7是本发明的轴向位置调整块结构图。

图中：1、加载外套；11、横梁；12、滚转力矩加载线连接头；13、法向力加载线连接头；14、侧向力加载线连接头；15、紧固螺栓；2、内套筒；3、天平；31、弹簧垫圈；4、天平支杆；41、隔热锥套；5、轴向力加载板；51、轴向力加载线连接头；6、轴向位置调节器；61、位置调节螺栓；62、固定螺栓；63、轴向位置调整块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于杆式天平静校的轻型加载头，结合图1、图2，包括加载外套1、内套筒2、天平3、天平支杆4和轴向力加载板5，内套筒2插接在加载外套1内，天平3伸入加载外套1内，天平3一端伸入内套筒2内，天平3另一端伸入天平支杆4内，天平支杆4伸入加载外套1内，轴向力加载板5固连在加载外套1靠近天平支杆4的一端，天平支杆4一端穿过轴向力加载板5以伸出加载外套1外。

结合图3、图6，加载外套1为两端固连有菱形法兰的圆柱管道，内套筒2为空心圆柱体，天平3为两端固连有圆锥体的柱状杆，加载外套1与内套筒2均由7075航空铝材料制成，内套筒2内部一侧开设有圆锥状的孔，所述圆锥状孔的外径小于内套筒2空心柱体的外径，所述圆锥状的孔外径大于天平3圆锥体一端的外径，天平3一端的圆锥体插入内套筒2的所述圆锥孔内，内套筒2内中空的孔径大于天平3的最大外径，可便于将天平3插入内套筒2内且不伤天平3；天平3一端穿过所述圆锥状孔并伸出内套筒2外，天平3伸出所述圆锥状孔的一端螺纹连接有螺母，所述螺母与内套筒2之间的天平3外套接有弹簧垫圈31，弹簧垫圈31外径大于所述圆锥孔外径，弹簧垫圈31抵接在内套筒2上，此时天平3的圆锥体与内套筒2的圆锥孔一端抵接，以将天平3固定在内套筒2上。

结合图1、图3，天平支杆4也为中空的圆柱杆，天平支杆4伸入加载外套1的一端也开设有圆锥状的孔，天平3另一端的圆锥体内设有天平俯仰力矩测量单元，天平3带有天平俯仰力矩测量单元的圆锥体插入天平支杆4的圆锥孔内，天平3伸入天平支杆4一端外套接有隔热锥套41，隔热锥套41外壁与天平支杆4抵接，天平3伸入天平支杆4一端顶部开设有键槽，所述键槽内插接有方形的平键，所述平键贯穿隔热锥套41插入天平支杆4内壁的正上方，设置隔热锥套41减少温度对天平3静校的影响，设置键槽和平键同时保持竖直向上的状态时，可调正天平3的安装位置。

结合图1、图2，轴向力加载板5为细长板状，轴向力加载板5也由7075航空铝制成，轴向力加载板5长度方向与加载外套1轴线方向垂直，轴向力加载板5中部通过螺栓固连在加载外套1的菱形法兰上，轴向力加载板5中部开设有圆柱孔，所述圆柱孔外径大于天平支杆4的外径，以使天平支杆4伸出轴向力加载板5外，天平支杆4伸出轴向力加载板5的一端可与天平校准架支座固连，以起到固定加载头位置的作用，便于后续进行对天平3静校的作用。

结合图3、图6，内套筒2外壁上间隔开设有十二个带有螺纹的孔，所述十二个螺纹孔以四个孔为一组，分别位于内套筒2的左右两侧和顶部，一组的四个孔沿内套筒2轴线方向间隔分布，加载外套1顶部开设有长方形的通孔，所述通孔长度方向与加载外套1轴线方向相同，所述通孔内插接有四个紧固螺栓15，紧固螺栓15的螺杆穿过所述通孔与内套筒2顶部的螺纹孔螺纹连接，紧固螺栓15的螺帽底端面与加载外套1外端面抵接，紧固螺栓15与所述通孔滑动连接，可通过紧固螺栓15将内套筒2固定在加载外套1上，并利用螺栓连接，使内套筒2可更换。

结合图1、图7，加载外套1两侧架设有轴向位置调节器6，轴向位置调节器6包括位置调节螺栓61、固定螺栓62和轴向位置调整块63，轴向位置调整块63为桥形块，轴向位置调整块63平板面上开设有四个通孔，轴向位置调整块63凸块上开设有圆柱通孔，所述圆柱通孔轴线与平板面上的通孔轴线垂直，轴向位置调整块63平板面抵接在加载外套1外壁上，以使轴向位置调整块63滑动连接在加载外套1上，加载外套1左右两侧也开设有长方形的通孔，四个固定螺栓62穿过轴向位置调整块63上的通孔和加载外套1上的通孔与内套筒2上的螺纹孔螺纹连接；位置调节螺栓61螺纹连接在轴向位置调整块63滑动方向两端的加载外套1上，位置调节螺栓61的螺柱外径大于轴向位置调整块63凸块上圆柱通孔的外径，位置调节螺栓61端头与轴向位置调整块63凸块上圆柱通孔抵接，以使位置调节螺栓61与轴向位置调整块63抵接。

结合图1、图7，通过轴向位置调整块63与加载外套1的滑动连接，可使内套筒2沿加载外套1的轴线方向移动，使加载外套1和内套筒2相对位置调整满足天平3设计中心位置和加载外套1中心位置重合的静校要求，设置位置调节螺栓61可微调轴向位置调整块63的位置，起到精确定位内套筒2位置的作用，且在凸块上设置外径小于位置调节螺栓61的通孔，可起到定位位置调节螺栓61准心的目的，避免位置调节螺栓61端头偏移影响对轴向位置调整块63的位置调节精度；设置固定螺栓62起到固定内套筒2位置的作用。

结合图1、图4，加载外套1外侧顶部固连有十字状的横梁11，可用于放置倾角仪检测加载头俯仰和滚转方向的安装角度；横梁11长度方向与加载外套1轴线方向垂直的直杆两端设有滚转力矩加载线连接头12，结合图3、图5，加载外套1长度方向两端底部设有法向力加载线连接头13，加载外套1远离轴向力加载板5一端左右两侧设有侧向力加载线连接头14，轴向力加载板5长度方向两端设有轴向力加载线连接头51，通过穿孔打结的方式将施力线安装在各加载线连接头上，可实现对天平3进行滚转力矩、法向力、侧向力和轴向力的加载，且细长的轴向力加载板5力臂较长，可减少一定的加载力实现对天平3轴向力的原定加载力。

综上所述，本申请通过设计形状较为规整的加载外套1及内套筒2等零件进行简单组合成加载头，与同尺度现有加载头相比，该加载头结构巧妙、制造简单、使用方便，在满足加载头变形小的刚度要求下大幅度减小了加载头重量，使加载头重量小于2千克，减小了加载头重量对小量程天平静校的不利影响，并能满足200N量程的杆式天平静校的要求。

本发明还提供一种用于杆式天平静校的轻型加载头的使用方法，包括以下步骤：

Ⅰ.将轴向力加载板5通过螺栓固连在加载外套1前端面上；

Ⅱ.通过穿孔打结的方式将施力线安装在各加载线连接头上；

Ⅲ.将天平3、隔热锥套41和天平支杆4通过平键组装后，将天平支杆4安装在天平校准架支座上；

Ⅳ.使用弹簧垫圈31和螺母将内套筒2紧固安装于天平3上，并调整天平校准架支座滚转角，使天平前锥段的键槽垂直向上，完成天平3安装位置调正；

Ⅴ.将加载外套1滑动安装在内套筒2上，使加载外套1中心位置在天平3设计中心位置附近，并将轴向位置调节器6安装在加载外套1和内套筒2上，所有螺栓均处于拧松状态；

Ⅵ.在横梁11水平面上放置倾角仪检测加载头俯仰和滚转方向的安装角度，调整校准架支座角度，使得所测加载头俯仰和滚转方向的安装角度小于1′；

Ⅶ.在两个法向力加载线连接头13上施加相同载荷，观测加载前后天平3俯仰力矩测量单元信号输出变化，如果输出变化较大，则旋动四个位置调节螺栓61微调加载外套1在内套筒2轴线方向的相对位置，直到加载前后天平3俯仰力矩测量单元信号输出变化很小(小于20微伏)后，拧紧固定螺栓62和紧固螺栓15实现加载外套1和内套筒2紧密固连，使满足天平3静校要求；

根据上述方法，在加载线上连接施力转向法轮、砝码盘和砝码对天平3施加载荷，天平3在施加载荷下，天平俯仰力矩测量单元输出信号发生变化，信号变化量与载荷施加量有一定对应关系；通过重复施加载荷和数据收集，获得被校天平3所受载荷与天平3信号输出量之间的关系，完成天平3的静校工作；在之后天平3的正常使用时可根据该关系从获得的天平信号输出量反推出天平3所承受的载荷值。

综上所述，本申请利用结构巧妙的天平静校加载头，配合简易的调节方法，即可实现对天平的静校工作，操作简单，能满足200N量程的天平静校要求，且采用判断俯仰力矩测量单元检测的信号变化大小的方法，可准确的得出加载头的加载中心与天平校心是否重合，检测精度高。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于杆式天平静校的轻型加载头，其特征在于：包括加载外套(1)、内套筒(2)、天平(3)、天平支杆(4)和轴向力加载板(5)，内套筒(2)插接在加载外套(1)内，天平(3)伸入加载外套(1)内，天平(3)一端伸入内套筒(2)内，天平(3)另一端伸入天平支杆(4)内，天平支杆(4)伸入加载外套(1)内，轴向力加载板(5)固连在加载外套(1)靠近天平支杆(4)的一端，天平支杆(4)一端穿过轴向力加载板(5)以伸出加载外套(1)外；

内套筒(2)外壁上间隔开设有若干个带有螺纹的孔，加载外套(1)顶部开设有长方形的通孔，所述通孔内插接有紧固螺栓(15)，紧固螺栓(15)与所述螺纹孔螺纹连接，紧固螺栓(15)螺帽底端面与加载外套(1)抵接；

加载外套(1)两侧架设有轴向位置调节器(6)，轴向位置调节器(6)包括位置调节螺栓(61)、固定螺栓(62)和轴向位置调整块(63)，轴向位置调整块(63)滑动连接在加载外套(1)上，位置调节螺栓(61)螺纹连接在轴向位置调整块(63)滑动方向两端的加载外套(1)上，位置调节螺栓(61)与轴向位置调整块(63)抵接，固定螺栓(62)穿过轴向位置调整块(63)与内套筒(2)螺纹连接；

加载外套(1)外侧顶部固连有十字状的横梁(11)，横梁(11)上放置有倾角仪；横梁(11)长度方向与加载外套(1)轴线方向垂直的直杆两端设有滚转力矩加载线连接头(12)，加载外套(1)长度方向两端底部设有法向力加载线连接头(13)，加载外套(1)远离轴向力加载板(5)一端两侧设有侧向力加载线连接头(14)。

2.根据权利要求1所述的一种用于杆式天平静校的轻型加载头，其特征在于：内套筒(2)为圆柱状，内套筒(2)内部一侧开设有圆柱状的孔，内套筒(2)内部另一侧开设有圆锥状的孔，所述圆锥状的孔的外径小于所述圆柱状的孔的外径，所述圆锥状的孔外径大于天平(3)一端的外径。

3.根据权利要求2所述的一种用于杆式天平静校的轻型加载头，其特征在于：天平(3)一端穿过所述圆柱状的孔和所述圆锥状的孔并伸出内套筒(2)外，天平(3)伸出所述圆锥状的孔的一端螺纹连接有螺母，所述螺母与内套筒(2)之间的天平(3)外套接有弹簧垫圈(31)，弹簧垫圈(31)抵接在内套筒(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种用于杆式天平静校的轻型加载头，其特征在于：天平(3)伸入天平支杆(4)一端外套接有隔热锥套(41)，隔热锥套(41)与天平支杆(4)抵接，天平(3)伸入天平支杆(4)一端顶部开设有键槽，所述键槽内插接有方形的平键，所述平键贯穿隔热锥套(41)插入天平支杆(4)内壁的正上方。

5.根据权利要求1所述的一种用于杆式天平静校的轻型加载头，其特征在于：轴向力加载板(5)为细长板状，轴向力加载板(5)长度方向与加载外套(1)轴线方向垂直，轴向力加载板(5)长度方向两端设有轴向力加载线连接头。

6.一种用于权利要求1-5任一所述 杆式天平静校的轻型加载头的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

Ⅰ.将轴向力加载板(5)通过螺栓固连在加载外套(1)前端面上；

Ⅱ.通过穿孔打结的方式将施力线安装在各加载线连接头上；

Ⅲ.将装好天平(3)的天平支杆(4)安装在天平校准架支座上；

Ⅳ.使用弹簧垫圈(31)和螺母将内套筒(2)紧固安装于天平(3)上，并调整天平校准架支座滚转角，使天平(3)前锥段的键槽垂直向上；

Ⅴ.将加载外套(1)滑动安装在内套筒(2)上，使加载外套(1)中心位置在天平(3)设计中心位置附近，并将轴向位置调节器(6)安装在加载外套(1)和内套筒(2)上，所有螺栓均处于拧松状态；

Ⅵ.在横梁(11)水平面上放置倾角仪检测加载头俯仰和滚转方向的安装角度，调整校准架支座角度，使得所测加载头俯仰和滚转方向的安装角度小于1′；

Ⅶ.在两个法向力加载线连接头(13)上施加相同载荷，观测加载前后天平(3)俯仰力矩测量单元信号输出变化，如果输出变化较大，则旋动四个位置调节螺栓(61)微调加载外套(1)在内套筒(2)轴线方向的相对位置，直到加载前后天平(3)俯仰力矩测量单元信号输出变化小于20微伏后，拧紧固定螺栓(62)和紧固螺栓(15)，以使加载头加载中心与天平校心接近重合，实现加载外套(1)和内套筒(2)紧密固连，使满足天平(3)静校要求，最后按照加载、采集数据的流程重复Ⅰ～Ⅶ的操作完成天平(3)的静校工作。

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