CN111175014B - 一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统及方法，该天平系统包括旋翼天平和扭矩天平。旋翼天平具有浮动端和固定端，以及设于二者之间的测量装置，可用于测量旋翼系统的六个分量载荷。扭矩天平包括外环和内环两个环体，外环包括若干呈环形阵列排布而围成镂空环形结构的环阵单体，及连接相邻两个环阵单体的第一测量元件，第一测量元件可有效捕捉旋翼轴的微轴向力；内环通过第二测量元件与环阵单体连接，第二测量元件可用于测量旋翼轴的扭矩。通过将所述旋翼天平和扭矩天平所测得的同类分量载荷进行矢量叠加，可获得更精确的分量载荷测量结果。

Description

一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统及方法

技术领域

本发明涉及航空测力试验测量技术领域，尤其涉及一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统及方法。

背景技术

由于直升机空气动力特性要比固定翼飞机复杂的多，尤其是作为主要升力面的旋翼气动载荷具有明显且复杂的周期变化特性，并且与机身、尾桨等部件存在着十分复杂的气动干扰，严重影响了直升机的稳定性、操纵性以及振动特性等主要性能，因此旋翼气动问题一直是直升机空气动力学研究的重要内容。直升机旋翼试验技术是研究旋翼气动问题的核心技术之一。其中，旋翼模型载荷的精确测量可以为测试与评估直升机旋翼的气动性能提供有效的验证基础。

传统的测量方法为在旋翼系统与动力系统之间安装旋翼天平与扭矩天平，各自单独实现对旋翼气动载荷及旋翼轴扭矩的测量，获得的试验数据精度有限。为进一步提高旋翼风洞试验的精准度，需要仔细分析试验中测试系统测量原理及影响因素，采用新技术、新方法提高测量设备的精细化程度。一方面，旋翼天平在获得气动载荷各分量的同时也传递了部分旋翼轴轴承的摩擦力矩(也称为旋翼系统的偏航力矩)，扭矩天平在测试过程中无法直接获取该部分载荷；另一方面，扭矩天平在获得旋翼轴扭矩的同时也传递了部分旋翼拉力，即还有部分残余拉力被传递到了旋翼天平以外，导致对旋翼气动载荷测量结果精度不够。因此，本发明基于传统的测量设备及方法，提出了一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统及方法。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统及方法，采用该系统可以实时、精确获取直升机旋翼模型的动态载荷。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：包括设于旋翼系统与试验台之间的旋翼天平，以及设于旋翼轴与传动轴之间的扭矩天平；所述旋翼天平具有浮动端和固定端，以及设于二者之间的测量装置，所述测量装置至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y和拉力F_y；所述扭矩天平包括外环和内环两个环体，所述外环包括若干呈环形阵列排布而围成镂空环形结构的环阵单体，及连接相邻两个环阵单体的第一测量元件，所述第一测量元件用于测量旋翼轴的微轴向力F_y'；所述内环通过第二测量元件与所述环阵单体连接，所述第二测量元件用于测量旋翼轴的扭矩M_k。

进一步地，所述浮动端与旋翼系统连接，所述固定端与试验台连接；旋翼轴贯穿于所述浮动端并与所述内环连接，传动轴贯穿于所述固定端与所述外环连接。

本发明公开的一种优选的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述测量装置包括第三测量元件和第四测量元件，所述第三测量元件至少用于测量旋翼系统的拉力F_y，所述第四测量元件至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y。

进一步地，所述测量装置包括第三测量元件、第四测量元件和第五测量元件；所述第三测量元件为垂向测量元件，用于测量旋翼系统的拉力F_y、滚转力矩M_x和俯仰力矩M_z；所述第四测量元件为横向测量元件，用于测量旋翼系统的侧向力F_z和偏航力矩M_y；所述第五测量元件为纵向测量元件，用于测量旋翼系统的阻力F_x。

更进一步地，所述第三测量元件设有四组，相对于旋翼天平的垂向中心轴对称分布；所述第四测量元件设有两组，相对于旋翼天平的横向中心轴对称分布；所述第五测量元件设有一组，沿旋翼天平的纵向中心轴设于旋翼天平的一端。

本发明公开的一种优选的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述浮动端与固定端之间设有安全支杆；在非试验状态时，所述安全支杆与所述浮动端和固定端保持锁紧；在试验状态时，所述安全支杆与所述所述浮动端和/或固定端保持间隙。

本发明公开的一种优选的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述环阵单体包括浮动单体和固定单体，所述浮动单体通过第二测量元件与所述内环连接，固定单体与旋翼轴或传动轴连接。

进一步地，至少一块固定单体与内环之间设有限位装置。

进一步地，内环上设有内环连接孔，用于与旋翼轴或传动轴连接的固定单体上设有外环连接孔，所述内环连接孔、外环连接孔的位置与所述限位装置相对应。

进一步地，所述限位装置具有榫合限位结构，包括前端具有凹槽的凸榫和内部具有凸块的榫槽，所述凹槽和凸块的配合结构可用于限制所述内环和外环在轴向上的相对位移。

更进一步地，所述凸榫和榫槽中的一个设于所述内环上，另一个设于所述外环上；所述凸榫和榫槽的配合处具有间隙，以保证所述第一测量单元和第二测量单元能够产生量程范围内的形变。

本发明公开的一种优选的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：垂向测量元件、横向测量元件和纵向测量元件均是应用拉力传感器进行载荷的测量，拉力传感器可为杆状，其轴向与其待测力的方向相同，其轴向两端分别通过相应的安装座与浮动端和固定端连接。

进一步地，所述第一测量元件和第二测量元件均是通过应变片进行载荷的测量，均包括应变片和用于贴设所述应变片的测量梁。

本发明的整体构思是，通过将测得的偏航力矩M_y和扭矩M_k矢量叠加即可得旋翼轴的总扭矩，将测得的拉力F_y和微轴向力F_y'矢量叠加即可得旋翼系统的总拉力，从而实现传递到旋翼天平上的偏航力矩M_y和传递到扭矩天平的的微轴向力F_y'的有效捕捉，进而实现旋翼气动载荷的精确测量。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种用于旋翼气动载荷精确测量的方法，其特征在于：包括数据采集和数据处理两个步骤；

数据采集：采用上述用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统测量和采集旋翼气动载荷的分量数据；

数据处理：将所述偏航力矩M_y和所述扭矩M_k进行叠加得到旋翼轴的总扭矩，将所述拉力F_y和所述微轴向力F_y'进行叠加得到旋翼系统的总拉力。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种用于旋翼气动载荷精确测量的方法，其特征在于：包括数据采集和数据处理两个步骤；

数据采集：采用一种包括旋翼天平和扭矩天平的天平系统测量和采集旋翼气动载荷的分量数据，所述旋翼天平至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y和拉力F_y，所述扭矩天平至少用于测量旋翼轴的扭矩M_k和微轴向力F_y'；

数据处理：将所述偏航力矩M_y和所述扭矩M_k进行叠加得到旋翼轴的总扭矩，将所述拉力F_y和所述微轴向力F_y'进行叠加得出旋翼系统的总拉力。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所涉及的一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统中的旋翼天平测量元件均采用拉力传感器作为测量设备，具有响应快、自动化程度高、易加工维护等特点。

2、本发明所涉及的一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统体积小、可置于机身模型或试验台内部，安装方便、适应性强、受外界干扰小。

3、本发明所涉及的一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统中的微轴向力扭矩天平可以及时捕获旋翼的残余拉力，使得测出的数据更接近旋翼实际载荷，增强了试验结果的可靠性与准确性。

4、本发明所涉及的一种用于旋翼载荷精确测量的天平系统设有天平自我保护装置，提高了系统的安全性。

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为本发明中天平系统的整体结构示意图；

图2为旋翼天平的立体图；

图2-1为垂向测量元件的位置示意图；

图2-2为横向测量元件的位置示意图；

图2-3为纵向测量元件的位置示意图；

图3为扭矩天平及其辅助组件的立体图；

图3-1为扭矩天平及其辅助组件的半剖面图；

图3-2为扭矩天平的立体图；

图3-3为扭矩天平的俯视图；

图3-4为图3-3中A-A处的剖面图。

附图标记说明：

1、旋翼天平，1-1、浮动端，1-2、固定端，1-3、垂向测量元件，1-4、横向测量元件，1-5、纵向测量元件，1-6、旋翼轴槽，1-7、传动轴槽，1-8、安全支杆；

2-扭矩天平，2-1、内环，2-2、外环，2-3、第二测量元件，2-4、第一测量元件，2-5、内环连接孔，2-6、外环连接孔，2-7、限位装置；

3、旋翼轴，4、传动轴，5、弹性联轴节，5-1、花键套，5-2、弹性片，5-3、法兰盘，6、过渡连接件，7、花键套筒。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

直升机旋翼测力试验中，传统的测力方法为在旋翼系统与动力系统之间安装旋翼天平与扭矩天平，分别实现对旋翼气动载荷及旋翼轴扭矩的测量。旋翼天平通常设于试验台上，并通过旋翼操纵机构将旋翼系统的气动载荷传递至旋翼天平；扭矩天平则通常设于旋翼轴和传动轴之间，通过弹性联轴节等配件实现连接。上述内容在现有技术中均有记载，如专利文献CN106168531A公开了一种风洞试验旋翼操纵机构，专利文献CN201069404Y中公开了一种高精度旋转模型分量载荷及扭矩测量装置。

本发明中公开了一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，包括旋翼天平1和扭矩天平2；旋翼天平1具有浮动端1-1和固定端1-2，以及设于二者之间的测量装置，测量装置至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y和拉力F_y；扭矩天平2包括外环2-2和内环2-1两个环体，外环2-2包括若干呈环形阵列排布而围成镂空环形结构的环阵单体，及连接相邻两个环阵单体的第一测量元件2-4，第一测量元件2-4用于测量旋翼轴3的微轴向力F_y'；内环2-1通过第二测量元件2-3与环阵单体连接，第二测量元件2-3用于测量旋翼轴3的扭矩M_k。

本发明的整体构思是，通过将测得的偏航力矩M_y和扭矩M_k进行矢量叠加即可得旋翼轴3的总扭矩，将测得的拉力F_y和微轴向力F_y'矢量叠加即可得旋翼系统的总拉力，从而实现传递到旋翼天平1上的偏航力矩M_y和传递到扭矩天平2的的微轴向力F_y'的有效捕捉，进而实现旋翼气动载荷的精确测量。旋翼天平1的测量装置至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y和拉力F_y，当其测得的旋翼气动载荷还包括阻力F_x、侧向力F_z、滚转力矩M_x和俯仰力矩M_z时，通过将旋翼天平1和扭矩天平2分别测得的同类分量数据进行矢量叠加，即可得到旋翼气动载荷的精确测量结果，即[F_x,F_y+F_y',F_z,M_x,M_y+M_k,M_z]，其中，M_y+M_k为旋翼系统的总扭矩，F_y+F_y'为旋翼系统的总拉力。

作为一个具体的实施例，本发明中公开的一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，包括旋翼天平1和扭矩天平2。

旋翼天平1具有浮动端1-1和固定端1-2，以及设于二者之间的测量装置；浮动端1-1与旋翼系统连接，固定端1-2与试验台连接。测量装置用于测量旋翼系统的阻力F_x、拉力F_y、侧向力F_z、滚转力矩M_x、偏航力矩M_y和俯仰力矩M_z。测量装置包括垂向测量元件1-3、横向测量元件1-4和纵向测量元件1-5，均是应用拉力传感器进行载荷的测量；其中，拉力传感器可为杆状，其轴向与其待测力的方向相同，轴向两端分别通过相应的安装座与浮动端1-1和固定端1-2连接，安装座的具体结构灵活多样，不拘于某一种结构，可根据实际需要进行设计，在此不作赘述。

各向测量元件的具体位置布局如下：垂向测量元件1-3设有四组，相对于旋翼天平的垂向中心轴对称分布，用于测量旋翼系统的拉力F_y、滚转力矩M_x和俯仰力矩M_z；横向测量元件1-4设有两组，相对于旋翼天平的横向中心轴对称分布，用于测量旋翼系统的侧向力F_z和偏航力矩M_y；纵向测量元件1-5设有一组，沿旋翼天平的纵向中心轴设于旋翼天平的一端，用于测量旋翼系统的阻力F_x。

扭矩天平2包括外环2-2和内环2-1两个环体，旋翼轴3贯穿浮动端1-1并与内环2-1连接，传动轴4贯穿固定端1-2并与外环2-2连接。外环2-2包括多块呈环形阵列排布而围成镂空环形结构的环阵单体，相邻两块环阵单体间通过第一测量元件2-4进行连接，第一测量元件2-4用于测量旋翼轴3的微轴向力F_y'。内环2-1通过第二测量元件2-3与环阵单体进行连接，第二测量元件2-3用于测量旋翼轴3的扭矩M_k。与内环2-1连接的环阵单体可称之为浮动单体，与传动轴固定连接的环阵单体可称之为固定单体。第一测量元件2-4和第二测量元件2-3均是通过应变片进行载荷的测量，均包括应变片和用于贴设应变片的测量梁。

更具体地，环阵单体共设有八块，四块浮动单体和四块固定单体，交错地设置。浮动单体与内环2-1连接，固定单体则与传动轴4连接；连接方式可为螺栓连接，内环2-1上设有内环连接孔2-5，外环2-2的固定单体上设有外环连接孔2-5。

在另一个具体实施例中，环阵单体共设有八块，四块浮动单体和四块固定单体交错设置。固定单体与内环2-1之间还设有限位装置2-7，用于限制内环2-1和外环2-2在轴向、径向和绕轴旋向上的相对位移，内环连接孔2-5、外环连接孔2-6的位置与限位装置2-7相对应。限位装置2-7具有榫合限位结构，包括前端具有凹槽的凸榫和内部具有凸块的榫槽。凸榫设于内环2-1上，榫槽设于外环2-2的固定单体上。凸榫和榫槽的配合处具有间隙，避免因凸榫和榫槽卡死，而致使第一测量单元2-4和第二测量单元2-3无法产生形变或形变量太小，影响测量精度。

通过设置用上述限位装置2-7，能够有效防止载荷过大引起天平损坏，提高天平的抗冲击载荷硬限位保护的能力。本实施例中共设置有四套限位装置2-7，与所在平面直角坐标系的四个象限相对应。

在另一个具体实施例中，旋翼轴3贯穿于浮动端1-1上的旋翼轴槽1-6，并通过弹性联轴节5及过渡连接件6与内环2-1连接，可以采用螺栓连接；传动轴4贯穿于固定端1-2上的传动轴槽1-7，并通过花键套筒7与外环2-2连接，可以采用螺栓连接。其中，弹性联轴节5包括法兰盘5-3、单/多层弹性片5-2和花键套5-1。

在另一个具体实施例中，浮动端1-1与固定端1-2之间设有安全支杆1-8；在非试验状态时，安全支杆1-8与浮动端1-1和固定端1-2保持锁紧；在试验状态时，安全支杆1-8与浮动端1-1和/或固定端1-2保持间隙。通过安全支杆1-8的设置，在非试验状态时，可有效保护浮动端1-1和固定端1-2之间的测量装置，尤其是垂向测量元件1-3。

对扭矩天平2的结构进行分析可知，为实现对旋翼轴3的扭矩M_k的测量，环阵单体可设置若干块，并不局限于八块。当环阵单体设置更多或更少时，第一测量元件2-4、第二测量元件2-3、固定单体、浮动单体的数量可随之作适应性调整，也无需将所有环阵单体均通过第二测量元件2-3与内环2-1进行连接。当两个浮动单体(分别与两个第二测量单元连接)之间分布有多个环阵单体时，在这些环阵单体中，分别邻近两个浮动单体的两个环阵单体作为固定单体与传动轴4连接，而其他环阵单体则可不与传动轴连接，且它们之间的连接也可以不采用第一测量元件2-4。具有多块固定单体时，至少有一块固定单体配备有限位装置2-7即可。因此，诸如这类基于本发明具体实施方式中扭矩天平2的结构作出的简易改变，也应当包含在本发明的保护范围之内。

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 (9)

1.一种用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：

包括设于旋翼系统与试验台之间的旋翼天平，以及设于旋翼轴与传动轴之间的扭矩天平；

所述旋翼天平具有浮动端和固定端，以及设于二者之间的测量装置，所述测量装置至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y和拉力F_y；

所述扭矩天平包括外环和内环两个环体，所述外环包括若干呈环形阵列排布而围成镂空环形结构的环阵单体，及连接相邻两个环阵单体的第一测量元件，所述第一测量元件用于测量旋翼轴的微轴向力F_y'；所述内环通过第二测量元件与所述环阵单体连接，所述第二测量元件用于测量旋翼轴的扭矩M_k。

2.根据权利要求1所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述浮动端与旋翼系统连接，所述固定端与试验台连接；旋翼轴贯穿于所述浮动端并与所述内环连接，传动轴贯穿于所述固定端与所述外环连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述测量装置包括第三测量元件和第四测量元件，所述第三测量元件至少用于测量旋翼系统的拉力F_y，所述第四测量元件至少用于测量旋翼系统的偏航力矩M_y。

4.根据权利要求3所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述测量装置包括第三测量元件、第四测量元件和第五测量元件；所述第三测量元件为垂向测量元件，用于测量旋翼系统的拉力F_y、滚转力矩M_x和俯仰力矩M_z；所述第四测量元件为横向测量元件，用于测量旋翼系统的侧向力F_z和偏航力矩M_y；所述第五测量元件为纵向测量元件，用于测量旋翼系统的阻力F_x。

5.根据权利要求4所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述第三测量元件设有四组，相对于旋翼天平的垂向中心轴对称分布；所述第四测量元件设有两组，相对于旋翼天平的横向中心轴对称分布；所述第五测量元件设有一组，沿旋翼天平的纵向中心轴设于旋翼天平的一端。

6.根据权利要求1或2所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述浮动端与固定端之间设有安全支杆；在非试验状态时，所述安全支杆与所述浮动端和固定端保持锁紧；在试验状态时，所述安全支杆与所述浮动端和/或固定端保持间隙。

7.根据权利要求1或2所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述环阵单体包括浮动单体和固定单体，所述浮动单体通过第二测量元件与所述内环连接，固定单体与旋翼轴或传动轴连接，至少一块固定单体与内环之间设有限位装置。

8.根据权利要求7所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统，其特征在于：所述限位装置具有榫合限位结构，包括前端具有凹槽的凸榫和内部具有凸块的榫槽，所述凹槽和凸块的配合结构用于限制所述内环和外环在轴向上的相对位移；所述凸榫和榫槽中的一个设于所述内环上，另一个设于所述固定单体上；所述凸榫和榫槽的配合处具有间隙。

9.一种用于旋翼气动载荷精确测量的方法，其特征在于：包括数据采集和数据处理两个步骤；

数据采集：采用权利要求1-8中任一项所述的用于旋翼气动载荷精确测量的天平系统测量和采集旋翼气动载荷的分量数据；

数据处理：所述偏航力矩M_y和所述扭矩M_k的叠加为旋翼轴的总扭矩，所述拉力F_y和所述微轴向力F_y'的叠加为旋翼系统的总拉力。

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