CN111307400B - 一种风洞地面效应试验用背部支撑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，包括X型基座、主提升机构、尾提升机构、侧滑角机构和运动控制器；侧滑角机构固定设置在X型基座的中央，主提升机构和尾提升机构均安装于侧滑角机构上；主提升机构位于X型基座的正下方，尾提升机构位于X型基座的一侧且末端向X型基座的正下方延伸，主提升机构和尾提升机构的末端通过天平固定框连接；由主提升机构、尾提升机构、天平固定框、X型基座相互连接后共同构成平行双滑块曲柄机构。本发明能够满足风洞地面效应试验中模型支撑和运动的要求，也能与多种地面效应装置配合使用，为模型提供支撑和运动能力，提供侧滑、升降和迎角运动，运动精度达到试验要求。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，特别是涉及一种风洞地面效应试验用背部支撑装置。
背景技术
飞机在起飞着陆(水)过程中，当它距地面半个翼展或更近时，将明显受到地面(水面)的影响。这种影响通常使飞机的升力线斜率增大、诱导阻力减小、纵向静稳定性增加。这主要是由于地(水)面的存在，对涡的形成起抑制作用而使下洗角减小的缘故。人们把飞机在接近地面时受到的这种影响称为地面效应。在风洞中用地板模拟地面、并通过调节地板与模型间的距离来模拟飞机近地面不同高度时地面影响的试验叫地面效应试验。地面效应试验是低速风洞的一项基本而重要的试验。
在风洞里采用地板装置进行地面效应试验，模型可采用两点式背(腹)撑、单点式背(腹)撑配合上置或下置式地板以及模型采用尾撑配合下置式地板。但采用腹撑、尾撑方式时，通常会破坏地板平面以方便支杆通过，且支撑装置占用试验段地面空间较多，这些缺点对于地(水)面效应试验是不可接受的。一方面地(水)面效应试验中使用的关键地面效应模拟装置如活动地板、波浪地板等设备的地板平面不能破坏，另一方面这些装置与腹撑、尾撑装置也会产生干涉导致无安装空间。因此，现有的支撑装置无法实现风洞试验中飞行器模型与多种地面效应装置配合，无法开展不同类型的地面效应试验，无法达到地面效应试验所需要的运动精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，能够用以开展在风洞中开展飞行器模型的地(水)面效应试验，满足风洞地(水)面效应试验中模型支撑和运动的要求，也能与多种地面效应装置配合使用，为模型提供支撑和运动能力，可提供侧滑、升降和迎角运动，且运动精度达到试验要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，包括X型基座、主提升机构、尾提升机构、侧滑角机构、天平固定框和运动控制器；
所述X型基座与风洞支撑框架相连；所述侧滑角机构固定设置在X型基座的中央，所述主提升机构和尾提升机构均安装于侧滑角机构上，由侧滑角机构提供整个装置的侧滑角变化；所述主提升机构位于X型基座的正下方，所述尾提升机构位于X型基座的一侧且末端向X型基座的正下方延伸，所述主提升机构和尾提升机构的末端通过天平固定框连接，且所述天平固定框上设置有天平以固定飞行器模型；由主提升机构、尾提升机构、天平固定框、X型基座相互连接后共同构成平行双滑块曲柄机构；
所述运动控制器与主提升机构、尾提升机构和侧滑角机构的信号控制端电连接，通过运动控制器控制主提升机构、尾提升机构和侧滑角机构，实现飞行器模型的升降、迎角、侧滑角三个自由度可控运动。
进一步的是，所述侧滑角机构包括伺服电机一、蜗轮蜗杆减速器一和蜗轮蜗杆副，所述伺服电机一通过弹性联轴器与蜗轮蜗杆减速器一相连接，所述蜗轮蜗杆减速器一带动蜗轮蜗杆副运动，由蜗轮蜗杆减速器和蜗轮蜗杆副组成的两级传动结构，所述蜗轮蜗杆副连接主提升机构和尾提升机构，带动主提升机构和尾提升机构运动。
所述侧滑角运动机构中采用两级减速，两级减速器中第一级为蜗轮蜗杆减速器一，通过弹性联轴器与伺服电机一连接；第二级为蜗轮蜗杆副；两级减速串联驱动整个侧滑角运动机构转动，从而带动主提升机构和尾提升机构实现飞行器模型的侧滑角运动。
伺服电机驱动两级蜗轮蜗杆减速器作旋转运动，实现模型侧滑角变化。采用蜗轮蜗杆副既可以保证机构运动精度，满足风洞试验中角度运动精度要求，也使机构具有自锁能力，保证侧滑角机构在掉电等状态下，角位移保持无偏移。同时蜗轮蜗杆减速器和蜗轮蜗杆副组成的两级传动结构，可以组合出合适的传动比，保证机构电机和负载具有好的惯量比，优化电机功率。
进一步的是，所述主提升机构包括伺服电机二、蜗轮蜗杆减速器二、T型丝杠副、主力柱、轴承和主支杆，在所述主力柱的顶端设置伺服电机二和蜗轮蜗杆减速器二，所述T型丝杠副、轴承和主支杆依次从主立柱内部穿过；所述伺服电机二通过轮蜗杆减速器二驱动连接T型丝杠副顶端，所述T型丝杠副的底端通过轴承连接主支杆，所述主支杆的底端与天平固定框铰接；所述伺服电机二依次驱动蜗轮蜗杆减速器二、T型丝杠副、轴承、主支杆，实现主支杆上下滑动；所述主提升机构穿过侧滑角运动机构，且主提升机构主支杆纵轴与侧滑角运动机构旋转轴重合，有利于使模型/主支杆受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。T型丝杠副具有精度较高、承载能力强、结构紧凑等优点，可保证机构在受限空间要求内承载能力满足试验需求。
进一步的是，所述主提升机构中采用铜套镶嵌石墨轴承和导向键约束上下运动之外的五个自由度，铜套镶嵌石墨轴承安装在主力柱上下两端内，轴承内嵌套主支杆，主支杆沿轴承上下运动。采用石墨作为润滑介质，滑动摩擦力小、结构紧凑、配合间隙较小，使模型/主支杆受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。采用T型丝杠副和铜套镶嵌石墨轴承为主构建提升机构，有利于使模型/主支杆受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。
进一步的是，所述尾提升机构包括尾支杆、杆端轴承和直线运动模块，直线运动模块通过杆端轴承和尾支杆的顶端连接，所述尾支杆的底端与天平固定框铰接。
进一步的是，所述直线运动模块包括伺服电机三和蜗轮蜗杆减速器三，所述伺服电机三通过蜗轮蜗杆减速器三连接杆端轴承驱动尾支杆运动。
进一步的是，所述运动控制器采用非线性控制，根据风洞试验中飞行器模型高度要求，调整主提升机构和尾提升机构，由尾提升机构调整尾支杆长度至所需范围，使飞行器模型处于该高度下零度迎角状态；通过使尾提升机构中滑块阶梯移动并同时标定试验模型实际迎角的方式，获得给定脉冲数与实际迎角的非线性对应关系，更新程序中控制参数；试验中当操作员给定模型迎角后，运动控制器根据前述标定的非线性关系返算出对应脉冲数控制电机运动。采用非线性控制。根据风洞试验需要，在不同试验高度下，通过标定模型实际角度的方式确定模型迎角与电机控制脉冲数的非线性关系，当操作员给定模型迎角后，控制程序根据前述标定的非线性关系返算出对应脉冲数控制电机运动。
采用本技术方案的有益效果：
本发明能够用以在风洞中开展飞行器模型的地(水)面效应试验，满足风洞地(水)面效应试验中模型支撑和运动的要求，也能与多种地面效应装置配合使用，为模型提供支撑和运动能力，可提供侧滑、升降和迎角运动，且运动精度达到试验要求。其中升降运动可使试验模型变换不同高度以完成变高度地效试验，解决了仅依靠地面效应试验装置自身升降能力带来的变高度试验范围不足的问题。所构成的双滑块曲柄机构以侧滑角机构为支撑基础，使模型迎角运动与侧滑角运动互相独立，不产生角度耦合，模型角度定位精度高；侧滑、迎角运动为模型提供姿态角变化以完成不同姿态地面效应试验，两种运动相互独立，互不干涉，杜绝了运动耦合产生的偏差。
本发明中双滑块曲柄机构由主提升机构、尾提升机构、天平固定框、基座等部件构成，其中主、尾提升机构同步同向运动时实现升降功能，主提升机构不动、尾提升机构运动时实现迎角运动功能，升降运动和迎角运动由双滑块曲柄机构驱动，可满足于该风洞模型支撑距离长、减少对模型表面破坏、驱动设备必须置于风洞流场外等要求。实现升降运动和迎角运动功能的机构位于风洞流场内，在满足载荷要求的前提下，尽可能的降低试验装置在风洞中的阻塞比，避免对风洞流场品质造成影响。需要机构结构尽可能紧凑，迎风面积小。本发明中双滑块曲柄机构以侧滑角机构为支撑基础，随侧滑角机构运动。根据迎角、侧滑角的定义和风洞试验特征，当侧滑角运动机构转轴为铅垂线、迎角机构转轴为试验模型体轴的横轴时，两套机构的角度运动相互独立，不会产生角度耦合，因此采用双滑块曲柄机构安装于侧滑角机构之上、同步水平转动的方式，可以达到这个效果。
附图说明
图1为本发明的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中侧滑角机构的结构示意图；
图3为本发明实施例中主提升机构的结构示意图；
图4为本发明实施例中尾提升机构的结构示意图。
其中，1是X型基座，2是侧滑角机构，3是主提升机构，4是尾提升机构，5是天平固定框；21是伺服电机一，22是弹性联轴器，23是蜗轮蜗杆减速器一，24是蜗轮蜗杆副；31是伺服电机二，32是蜗轮蜗杆减速器二，33是主力柱，34是T型丝杠副，35是铜套镶嵌石墨轴承，36是主支杆；41是尾支杆，42是杆端轴承，43是直线运动模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，包括X型基座1、主提升机构3、尾提升机构4、侧滑角机构2、天平固定框5和运动控制器；
所述X型基座1与风洞支撑框架相连；所述侧滑角机构2固定设置在X型基座1的中央，所述主提升机构3和尾提升机构4均安装于侧滑角机构2上，由侧滑角机构2提供整个装置的侧滑角变化；所述主提升机构3位于X型基座1的正下方，所述尾提升机构4位于X型基座1的一侧且末端向X型基座1的正下方延伸，所述主提升机构3和尾提升机构4的末端通过天平固定框5连接，且所述天平固定框5上设置有天平以固定飞行器模型；由主提升机构3、尾提升机构4、天平固定框5、X型基座1相互连接后共同构成平行双滑块曲柄机构；
所述运动控制器与主提升机构3、尾提升机构4和侧滑角机构2的信号控制端电连接，通过运动控制器控制主提升机构3、尾提升机构4和侧滑角机构2，实现飞行器模型的升降、迎角、侧滑角三个自由度可控运动。
作为上述实施例的优化实施例一，如图2所示，所述侧滑角机构2包括伺服电机一21、蜗轮蜗杆减速器一23和蜗轮蜗杆副24，所述伺服电机一21通过弹性联轴器22与蜗轮蜗杆减速器一23相连接，所述蜗轮蜗杆减速器一23带动蜗轮蜗杆副24运动，由蜗轮蜗杆减速器和蜗轮蜗杆副24组成的两级传动结构，所述蜗轮蜗杆副24连接主提升机构3和尾提升机构4，带动主提升机构3和尾提升机构4运动。
所述侧滑角运动机构中采用两级减速，两级减速器中第一级为蜗轮蜗杆减速器一23，通过弹性联轴器22与伺服电机一21连接；第二级为蜗轮蜗杆副24；两级减速串联驱动整个侧滑角运动机构转动，从而带动主提升机构3和尾提升机构4实现飞行器模型的侧滑角运动。
伺服电机驱动两级蜗轮蜗杆减速器作旋转运动，实现模型侧滑角变化。采用蜗轮蜗杆副24既可以保证机构运动精度，满足风洞试验中角度运动精度要求，也使机构具有自锁能力，保证侧滑角机构2在掉电等状态下，角位移保持无偏移。同时蜗轮蜗杆减速器和蜗轮蜗杆副24组成的两级传动结构，可以组合出合适的传动比，保证机构电机和负载具有好的惯量比，优化电机功率。
作为上述实施例的优化实施例二，如图3所示，所述主提升机构3包括伺服电机二31、蜗轮蜗杆减速器二32、T型丝杠副34、主力柱33、轴承和主支杆36，在所述主力柱33的顶端设置伺服电机二31和蜗轮蜗杆减速器二32，所述T型丝杠副34、轴承和主支杆36依次从主立柱内部穿过；所述伺服电机二31通过轮蜗杆减速器二驱动连接T型丝杠副34顶端，所述T型丝杠副34的底端通过轴承连接主支杆36，所述主支杆36的底端与天平固定框5铰接；所述伺服电机二31依次驱动蜗轮蜗杆减速器二32、T型丝杠副34、轴承、主支杆36，实现主支杆36上下滑动；所述主提升机构3穿过侧滑角运动机构，且主提升机构3主支杆36纵轴与侧滑角运动机构旋转轴重合，有利于使模型/主支杆36受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。T型丝杠副34具有精度较高、承载能力强、结构紧凑等优点，可保证机构在受限空间要求内承载能力满足试验需求。
优选的是，所述主提升机构3中采用铜套镶嵌石墨轴承35和导向键约束上下运动之外的五个自由度，铜套镶嵌石墨轴承35安装在主力柱33上下两端内，轴承内嵌套主支杆36，主支杆36沿轴承上下运动。采用石墨作为润滑介质，滑动摩擦力小、结构紧凑、配合间隙较小，使模型/主支杆36受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。采用T型丝杠副34和铜套镶嵌石墨轴承35为主构建提升机构，有利于使模型/主支杆36受风载后不会产生偏心进而影响模型姿态。
作为上述实施例的优化实施例三，如图4所示，所述尾提升机构4包括尾支杆41、杆端轴承42和直线运动模块43，直线运动模块43通过杆端轴承42和尾支杆41的顶端连接，所述尾支杆41的底端与天平固定框5铰接。
其中，所述直线运动模块43包括伺服电机三和蜗轮蜗杆减速器三，所述伺服电机三通过蜗轮蜗杆减速器三连接杆端轴承42驱动尾支杆41运动。
作为上述实施例的优化实施例四，所述运动控制器采用非线性控制，根据风洞试验中飞行器模型高度要求，调整主提升机构3和尾提升机构4，由尾提升机构4调整尾支杆41长度至所需范围，使飞行器模型处于该高度下零度迎角状态；通过使尾提升机构4中滑块阶梯移动并同时标定试验模型实际迎角的方式，获得给定脉冲数与实际迎角的非线性对应关系，更新程序中控制参数；试验中当操作员给定模型迎角后，运动控制器根据前述标定的非线性关系返算出对应脉冲数控制电机运动。采用非线性控制。根据风洞试验需要，在不同试验高度下，通过标定模型实际角度的方式确定模型迎角与电机控制脉冲数的非线性关系，当操作员给定模型迎角后，控制程序根据前述标定的非线性关系返算出对应脉冲数控制电机运动。
为了更好的理解本发明，下面对本发明实际实施过程的工作原理作一次完整的描述：
该装置在为地水面效应试验中为模型提供支撑和运动控制。试验时，将飞行器模型和天平固定框5连接，通过运动控制器控制各电机运转实现模型升降、迎角运动和侧滑角运动，结合风洞的固定平地板装置、固定波浪地板装置、活动地板装置、活动波浪地板装置等地面效应试验设备开展地水面效应试验。
在本支撑装置运动过程中，当主、尾提升机构4同步同向运动时，实现固连于天平框上的模型升降运动；当主提升机构3不动，尾提升机构4运动时，实现模型的迎角运动。运动控制器为三个运动机构提供运动控制信号及接受反馈，其中迎角运动控制采用非线性控制方式。
尾提升机构4、主提升机构3依次连接构成一种平行双滑块曲柄机构风洞试验时，根据试验要求，风洞主控计算机将飞机模型姿态参数如侧滑角、俯仰角、升降位移值的控制信号通过电缆传递给运动控制器，运动控制器通过运动解算给出3台电机的角位移量，并控制3台电机运动。使模型按照给定的方式运动或者到达指定的姿态。分别控制侧滑角电机、迎角电机，通过侧滑角机构2、尾提升机构4实现模型侧滑角、迎角独立变化，同步驱动迎角电机和升降电机，使尾提升机构4中的直线运动模块43和主提升机构3的运动同步，可在保持模型迎角恒定情况下，实现模型作为整体上下运动，调节模型与地板的相对位置。
主提升机构3与尾提升机构4同步运动时，天平框与模型固联做升降运动，主提升机构3静止尾提升机构4运动时，天平框与模型固联做迎角运动。通过以上运动组合，平行双滑块曲柄机构可变成升降或迎角机构，当然也可通过主提升机构3与尾提升机构4耦合运动同时实现升降和迎角运动。平行双滑块曲柄机构克服了传统机构功能单一，可塑性差的特点，实现功能柔性。且具有结构紧凑、各组成模块技术成熟度高、运动精度好的优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，包括X型基座(1)、主提升机构(3)、尾提升机构(4)、侧滑角机构(2)、天平固定框(5)和运动控制器；
所述X型基座(1)与风洞支撑框架相连；所述侧滑角机构(2)固定设置在X型基座(1)的中央，所述主提升机构(3)和尾提升机构(4)均安装于侧滑角机构(2)上，由侧滑角机构(2)提供整个装置的侧滑角变化；所述主提升机构(3)位于X型基座(1)的正下方，所述尾提升机构(4)位于X型基座(1)的一侧且末端向X型基座(1)的正下方延伸，所述主提升机构(3)和尾提升机构(4)的末端通过天平固定框(5)连接，且所述天平固定框(5)上设置有天平以固定飞行器模型；由主提升机构(3)、尾提升机构(4)、天平固定框(5)、X型基座(1)相互连接后共同构成平行双滑块曲柄机构；
所述运动控制器与主提升机构(3)、尾提升机构(4)和侧滑角机构(2)的信号控制端电连接，通过运动控制器控制主提升机构(3)、尾提升机构(4)和侧滑角机构(2)，实现飞行器模型的升降、迎角、侧滑角三个自由度可控运动。
2.根据权利要求1所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述侧滑角机构(2)包括伺服电机一(21)、蜗轮蜗杆减速器一(23)和蜗轮蜗杆副(24)，所述伺服电机一(21)通过弹性联轴器(22)与蜗轮蜗杆减速器一(23)相连接，所述蜗轮蜗杆减速器一(23)带动蜗轮蜗杆副(24)运动，由蜗轮蜗杆减速器和蜗轮蜗杆副(24)组成的两级传动结构，所述蜗轮蜗杆副(24)连接主提升机构(3)和尾提升机构(4)，带动主提升机构(3)和尾提升机构(4)运动；
侧滑角运动机构中采用两级减速，两级减速器中第一级为蜗轮蜗杆减速器一(23)，通过弹性联轴器(22)与伺服电机一(21)连接；第二级为蜗轮蜗杆副(24)；两级减速串联驱动整个侧滑角运动机构转动，从而带动主提升机构(3)和尾提升机构(4)实现飞行器模型的侧滑角运动。
3.根据权利要求1所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述主提升机构(3)包括伺服电机二(31)、蜗轮蜗杆减速器二(32)、T型丝杠副(34)、主力柱(33)、轴承和主支杆(36)，在所述主力柱(33) 的顶端设置伺服电机二(31)和蜗轮蜗杆减速器二(32)，所述T型丝杠副(34)、轴承和主支杆(36)依次从主立柱内部穿过；所述伺服电机二(31)通过蜗 轮蜗杆减速器二驱动连接T型丝杠副(34)顶端，所述T型丝杠副(34)的底端通过轴承连接主支杆(36)，所述主支杆(36)的底端与天平固定框(5)铰接；所述伺服电机二(31)依次驱动蜗轮蜗杆减速器二(32)、T型丝杠副(34)、轴承、主支杆(36)，实现主支杆(36)上下滑动；所述主提升机构(3)穿过侧滑角运动机构，且主提升机构(3)主支杆(36)纵轴与侧滑角运动机构旋转轴重合。
4.根据权利要求3所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述主提升机构(3)中采用铜套镶嵌石墨轴承(35)和导向键约束上下运动之外的五个自由度，铜套镶嵌石墨轴承(35)安装在主力柱(33)上下两端内，轴承内嵌套主支杆(36)，主支杆(36)沿轴承上下运动。
5.根据权利要求1所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述尾提升机构(4)包括尾支杆(41)、杆端轴承(42)和直线运动模块(43)，直线运动模块(43)通过杆端轴承(42)和尾支杆(41)的顶端连接，所述尾支杆(41)的底端与天平固定框(5)铰接。
6.根据权利要求5所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述直线运动模块(43)包括伺服电机三和蜗轮蜗杆减速器三，所述伺服电机三通过蜗轮蜗杆减速器三连接杆端轴承(42)驱动尾支杆(41)运动。
7.根据权利要求1所述的一种风洞地面效应试验用背部支撑装置，其特征在于，所述运动控制器采用非线性控制，根据风洞试验中飞行器模型高度要求，调整主提升机构(3)和尾提升机构(4)，由尾提升机构(4)调整尾支杆(41)长度至所需范围，使飞行器模型处于该高度下零度迎角状态；通过使尾提升机构(4)中滑块阶梯移动并同时标定试验模型实际迎角的方式，获得给定脉冲数与实际迎角的非线性对应关系，更新程序中控制参数；试验中当操作员给定模型迎角后，运动控制器根据前述标定的非线性关系返算出对应脉冲数控制电机运动。
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