CN111579198A - 一种前后并联的三关节双支撑攻角机构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风洞实验技术领域，公开了一种前后并联的三关节双支撑攻角机构及其控制方法，包括安装于进气道模型底部的前支撑和后支撑，前支撑一端固定于进气道模型底部前端，另一端通过活动关节一铰接有固定杆，固定杆固定在风洞底部壁板上；后支撑一端固定于进气道模型底部的后端，另一端通过活动关节二铰接有连杆，连杆端头铰接有由驱动机构驱动上下移动的推拉杆。本发明利用驱动机构推动推拉杆上下移动，带动进气道模型以活动关节一为转动中心变换攻角，既能支撑进气道模型，又能实现进气道模型变攻角功能，完全取代或部分取代风洞现有的攻角机构；操作控制简单、成本低；避免了内流试验模型气动载荷过大容易损伤传统外流试验用攻角机构的问题。

Description

一种前后并联的三关节双支撑攻角机构及其控制方法
技术领域
本发明涉及风洞实验技术领域，具体涉及一种前后并联的三关节双支撑攻角机构及其控制方法。
背景技术
常规超声速、高超声速闭式风洞设计之初大多以外流试验为主，如开展模型的气动力、气动力矩、气动热的测试等，整个试验模型都需要放在风洞试验段均匀区内，模型尺寸相对较小，堵塞比常在试验段面积的5％以内，模型通过尾支连接架设在风洞的攻角机构上。由于模型尺寸较小，风洞的攻角机构承受的气动载荷较小。
在这些风洞中开展进气道内流试验时，模型的尺度可以接近于风洞的极限阻塞比，如在0.6米×0.6米亚跨超风洞中，在来流马赫数4时可取到试验段面积的16％。此时决定模型大小的因素不再是整个模型的长度，而是同时满足以下两个因素：1模型内流的捕获口应在风洞的均匀区内，2模型形成的堵塞比小于风洞的极限堵塞比。
为了开展内流测量、流动显示、内流拍摄以及内流的流动控制并减少内流壁面效应对内流的影响，需要将内通道尽量做大尺度越小，则雷诺数越小，边界层占比越大，壁面效应越明显，从而导致内流试验模型尺度远大于外流试验模型。
按照空气动力学欧拉相似准则可知，模型受到的气动力与模型的特征尺寸的平方成正比或者说与特征面积成正比)。当进气道模型尺度较大时，其所受气动力就比外流试验模型大很多，这种情况下再使用风洞原有的攻角机构做支撑，原攻角机构将无法承载内流模型的气动载荷。此时必须额外加工承载能力较大的、与大尺度进气道模型相适应的攻角机构。
国内外在闭式风洞中开展内流试验有两种模型支撑方式：一种是上下并联双支撑形式，模型的气动载荷由上下支撑共同承担，从而大大减轻了攻角机构的载荷；另一种是“张线法”支撑形式，通过在模型上布置若干张线并牵引到风洞洞壁来支撑模型。
上下并联双支撑方式需要上下联动的双攻角机构来实现内流试验模型变攻角，成本高且控制复杂；张线结构可以形成支撑并代替攻角机构，然而想改变内流试验模型攻角则需要各个张线多自由度的联动伸缩，控制尤为复杂。因此如何设计这种既能支撑模型，又能实现模型变攻角的机构是一个很现实的问题。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种前后并联的三关节双支撑攻角机构及其控制方法，利用驱动机构推动推拉杆上下移动，带动进气道模型以活动关节一为转动中心变换攻角，既能支撑进气道模型，又能实现进气道模型变攻角功能，完全取代或部分取代风洞现有的攻角机构；操作控制简单、成本低，还避免了内流试验模型气动载荷过大容易损伤传统外流试验用攻角机构的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种前后并联的三关节双支撑攻角机构，包括安装于进气道模型底部的前支撑和后支撑，前支撑一端通过标准件固定于进气道模型底部前端，另一端通过活动关节一铰接有固定杆，固定杆上远离前支撑的端头固定在风洞底部壁板上；后支撑一端通过标准件固定于进气道模型顶部的后端，另一端通过活动关节二铰接有连杆，连杆上远离后支撑的端头通过活动关节三铰接有推拉杆，推拉杆上远离连杆的端头设置有可控制推拉杆在竖直方向上下运动的驱动机构，前支撑、后支撑、固定杆、连杆以及推拉杆的中心轴均位于同一竖直平面内。
进一步地，驱动机构包括壳体，壳体内腔中安装有丝杠，丝杠的两个端头分别通过轴承固定于壳体内壁；丝杠的螺纹段旋有丝杠螺母，丝杠螺母外壁固定有固定块，壳体上开设有可供固定块上下移动的导向槽，固定块由导向槽伸出壳体外并与驱动连接；丝杠螺纹段上方安装有蜗轮，壳体上固定有步进电机，步进电机的转轴上通过联轴器连接有与蜗轮相匹配的蜗杆。
进一步地，蜗杆上远离步进电机的端头穿出壳体外壁并连接有旋转把手。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种前后并联的三关节双支撑攻角机构的控制方法，包括如下步骤：
S1、调整推拉杆的初始位置，使进气道模型的起始攻角为零，并设此时推拉杆的上下调节距离H＝0；
S2、设A是活动关节一的中心，B是活动关节三的中心，C是活动关节二的中心，L1是活动关节一与活动关节二之间的中心间距，L2是连杆的长度；推拉杆的上下调节量H与模型攻角α具有一一对应的函数关系，设定进气道模型绕活动关节一逆时针旋转时，α>0；顺时针旋转时，α<0；对于某一个需要调整的α，推拉杆的上下调节量H是唯一的，即：
Figure BDA0002480286240000031
由于L1、L2是已知的，需要进行一个具体的攻角α试验时，根据公式可以计算出推拉杆的上下调节量H；α>0时，推拉杆向上调节相应的调节量H，α<0时,推拉杆向下调节相应的调节量H。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用驱动机构推动推拉杆上下移动，带动进气道模型以活动关节一为转动中心变换攻角，既能支撑进气道模型，又能实现进气道模型变攻角功能，完全取代或部分取代风洞现有的攻角机构；操作控制简单、成本低，还避免了内流试验模型气动载荷过大容易损伤传统外流试验用攻角机构的问题。
附图说明
图1为实施例1和2中前后并联的三关节双支撑攻角机构的结构示意图；
图2为实施例1和2中α>0时前后并联的三关节双支撑攻角机构结构示意图；
图3为实施例1和2中α>0时推拉杆的上下调节距离与攻角的关系示意图；
图4为实施例1和2中α<0时前后并联的三关节双支撑攻角机构结构示意图；
图5为实施例1和2中α<0时推拉杆的上下调节距离与攻角的关系示意图；
图6为实施例1中丝杠、丝杠螺母及推拉杆的连接示意图
其中，1、进气道模型；2、前支撑；3、活动关节一；4、固定杆；5、风洞底部壁板；6、后支撑；7、活动关节二；8、连杆；9、活动关节三；10、推拉杆；11、蜗轮；12、步进电机；13、丝杠螺母；14、丝杠；15、壳体；16、导向槽；17、固定块；18、蜗杆；19、旋转把手。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
参见图1-5，一种前后并联的三关节双支撑攻角机构，一种前后并联的三关节双支撑攻角机构，包括安装于进气道模型1底部的前支撑2和后支撑6，前支撑2一端通过标准件固定于进气道模型1底部前端，另一端通过活动关节一3铰接有固定杆4，固定杆4上远离前支撑2的端头固定在风洞底部壁板5上；后支撑6一端通过标准件固定于进气道模型1顶部的后端，另一端通过活动关节二7铰接有连杆8，连杆8上远离后支撑6的端头通过活动关节三9铰接有推拉杆10，推拉杆10上远离连杆8的端头设置有可控制推拉杆10在竖直方向上下运动的驱动机构，前支撑2、后支撑6、固定杆4、连杆8以及推拉杆10的中心轴均位于同一竖直平面内。
在本实施例中，前后并联的三关节双支撑攻角机构的各零部件的连接方式为：前支撑2的一端与进气道模型1的前端采用标准件固定连接，另一端通过活动关节一3与固定杆4的一端连接，固定杆4的另一端与风洞底部壁板5固定连接；推拉杆10的一端与驱动机构相连，另一端通过活动关节三9与连杆8的一端相连，连杆8的另一端通过活动关节二7与后支撑6的远端相连，后支撑6近端通过标准件与进气道模型1的后端固定连接。
前后并联的三关节双支撑攻角机构的运动过程：活动关节一3是进气道模型1的攻角旋转中心，设定进气道模型1绕活动关节一3逆时针旋转时，α>0；顺时针旋转时，α<0；推拉杆10只能在驱动机构的驱动下沿着竖直方向上下运动，调整推拉杆10的初始位置，使模型的起始攻角为α＝0如图1所示；推拉杆10向上运动时，推动活动关节三9向上运动，牵引连杆8并推动活动关节二7绕活动关节一3逆时针转动，由于进气道模型1与前支撑2和后支撑6固定连接，于是进气道模型1绕活动关节一3逆时针转动形成攻角α>0如图2和图3所示；推拉杆10向下运动时，拉动活动关节三9向下运动，牵引连杆8拉动活动关节二7绕活动关节一3顺时针转动，由于进气道模型1与前支撑2和后支撑6固定连接，于是进气道模型1绕活动关节一3顺时针转动形成攻角α<0如图4和图5所示。实施例利用驱动机构推动推拉杆10上下移动从而使连杆8带动进气道模型1以活动关节一3为转动中心变换攻角，既能支撑进气道模型1，又能实现进气道模型1变攻角功能，完全取代或部分取代风洞现有的攻角机构；操作控制简单、成本低，还避免了内流试验模型气动载荷过大容易损伤传统外流试验用攻角机构的问题。
参见图1和图6，本实施例中的驱动机构包括壳体15，壳体15内腔中安装有丝杠14，丝杠14的两个端头分别通过轴承固定于壳体15内壁；丝杠14的螺纹段旋有丝杠螺母13，丝杠螺母13外壁固定有固定块17，壳体15上开设有可供固定块17上下移动的导向槽16，固定块17由导向槽16伸出壳体15外并与推拉杆10驱动连接；丝杠14螺纹段上方安装有蜗轮11，壳体15上固定有步进电机12，步进电机12的转轴上通过联轴器连接有与蜗轮11相匹配的蜗杆18。通过控制步进电机12旋转带动蜗杆18转动，蜗杆18驱动蜗轮11转动从而实现丝杠14旋转，因壳体15上设置有导向槽16，导向槽16抵消了丝杠螺母13旋转的作用力，从而使得丝杠螺母13在丝杠14旋转过程中可沿着导向槽16上下移动，从而带动推拉杆10的竖直运动。
蜗杆18上远离步进电机12的端头穿出壳体15外壁并连接有旋转把手19。可以通过手动旋拧旋转把手19带动蜗杆18驱动蜗轮11转动，使得丝杠14旋转带动丝杠螺母13在竖直方向运动；实现了推拉杆10上下运动的手动控制。
实施例2：
一种前后并联的三关节双支撑攻角机构的控制方法，包括如下步骤：
S1、调整推拉杆10的初始位置，使进气道模型1的起始攻角为零，并设此时推拉杆10的上下调节距离H＝0；
S2、设A是活动关节一3的中心，B是活动关节三9的中心，C是活动关节二7的中心，L1是活动关节一3与活动关节二7之间的中心间距，L2是连杆8的长度；设定进气道模型1绕活动关节一3逆时针旋转时，α>0；顺时针旋转时，α<0；
如图2和图3，当推拉杆10向上调节时，进气道模型1的攻角α>0，此时活动关节三9的中心B垂直向上运动到B1，活动关节二7的中心C绕活动关节一3的中心A逆时针运动到C1位置；在运动过程中，活动关节一3与活动关节二7之间的中心间距以及连杆8的长度是不变的，即AC1＝L1，B1C1＝L2；于是：
L2 2＝(L2-H+L1sinα)2+(L1-L1cosα)2(H＜L2) (1
对公式1化简，得到：
Figure BDA0002480286240000061
当推拉杆10向上运动到活动关节三9与活动关节二7在同一水平线上时，攻角α达到最大值，即：
Figure BDA0002480286240000062
如图4和图5，当推拉杆10向下调节时，进气道模型1的攻角α<0，此时活动关节三9的中心B垂直向下运动到B1，活动关节二7的中心C绕活动关节一的中心A顺时针运动到C1；活动关节一3与活动关节二7之间的中心间距以及连杆8的长度是不变的，即AC1＝L1，B1C1＝L2；于是：
L2 2＝[L2+H-L1sin(-α)]2+[L1-L1cos(-α)]2 (3
对公式3化简，得到：
Figure BDA0002480286240000063
当推拉杆10向下运动到活动关节一3、活动关节二7、活动关节三9共线时，攻角α达到最小值，即
Figure BDA0002480286240000064
因此推拉杆10的上下调节量H与模型攻角α具有一一对应的函数关系，对于某一个需要调整的α，推拉杆10的上下调节量H是唯一的。即：
Figure BDA0002480286240000065
由于L1、L2是已知的，由于L1、L2是已知的，需要进行一个具体的攻角α试验时，根据公式可以计算出推拉杆10的上下调节量H，α>0时，推拉杆10向上调节相应的调节量H，α<0时,推拉杆10向下调节相应的调节量H。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种前后并联的三关节双支撑攻角机构，其特征在于，包括安装于进气道模型(1)底部的前支撑(2)和后支撑(6)，所述前支撑(2)一端通过标准件固定于进气道模型(1)底部前端，另一端通过活动关节一(3)铰接有固定杆(4)，固定杆(4)上远离所述前支撑(2)的端头固定在风洞底部壁板(5)上；所述后支撑(6)一端通过标准件固定于进气道模型(1)顶部的后端，另一端通过活动关节二(7)铰接有连杆(8)，连杆(8)上远离所述后支撑(6)的端头通过活动关节三(9)铰接有推拉杆(10)，推拉杆(10)上远离所述连杆(8)的端头设置有可控制推拉杆(10)在竖直方向上下运动的驱动机构，所述前支撑(2)、所述后支撑(6)、所述固定杆(4)、所述连杆(8)以及所述推拉杆(10)的中心轴均位于同一竖直平面内。
2.根据权利要求1所述的前后并联的三关节双支撑攻角机构，其特征在于：所述驱动机构包括壳体(15)，所述壳体(15)内腔中安装有丝杠(14)，所述丝杠(14)的两个端头分别通过轴承固定于壳体(15)内壁；所述丝杠(14)的螺纹段旋有丝杠(14)螺母(13)，所述丝杠(14)螺母(13)外壁固定有固定块(17)，所述壳体(15)上开设有可供固定块(17)上下移动的导向槽(16)，所述固定块(17)由导向槽(16)伸出壳体(15)外并与推拉杆(10)驱动连接；所述丝杠(14)螺纹段上方安装有蜗轮(11)，所述壳体(15)上固定有步进电机(12)，所述步进电机(12)的转轴上通过联轴器连接有与蜗轮(11)相匹配的蜗杆(18)。
3.根据权利要求2所述的前后并联的三关节双支撑攻角机构，其特征在于：蜗杆(18)上远离步进电机(12)的端头穿出壳体(15)外壁并连接有旋转把手(19)。
4.一种前后并联的三关节双支撑攻角机构的控制方法，该方法基于权利要求1-3中任意一项所述的前后并联的三关节双支撑攻角机构，其特征在于：包括如下步骤：
S1、调整推拉杆(10)的初始位置，使进气道模型(1)的起始攻角为零，并设此时推拉杆(10)的上下调节距离H＝0；
S2、设A是活动关节一(3)的中心，B是活动关节三(9)的中心，C是活动关节二(7)的中心，L1是活动关节一(3)与活动关节二(7)之间的中心间距，L2是连杆(8)的长度；推拉杆(10)的上下调节量H与模型攻角α具有一一对应的函数关系，设定进气道模型(1)绕活动关节一(3)逆时针旋转时，α>0；顺时针旋转时，α<0；对于某一个需要调整的α，推拉杆(10)的上下调节量H是唯一的，即：
Figure FDA0002480286230000021
由于L1、L2是已知的，需要进行一个具体的攻角α试验时，根据公式可以计算出推拉杆(10)的上下调节量H；α>0时，推拉杆(10)向上调节相应的调节量H，α<0时，推拉杆(10)向下调节相应的调节量H。
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