CN112345195B - 一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，包括：支撑装置；外侧驱动装置和内侧驱动装置，由所述支撑装置支撑；试验模型支撑装置，用于支撑试验模型，所述外侧驱动装置和内侧驱动装置与所述试验模型支撑装置的驱动端连接，用于驱动所述试验模型支撑装置运动；随动端支撑装置，用于支撑所述试验模型支撑装置的随动端；运动测量装置，用于测量所述试验模型的运动角度。本发明的试验装置采用双侧支撑的形式，能够实现攻角0～360°连续运动时支撑干扰最小化和均匀化。将外侧驱动和内侧驱动同时放置于一个支持轴承座内，实现二者输出之间叠加，同时驱动试验机构运动，可以实现超大攻角俯仰运动时运动速度最大化和驱动扭矩最大化。

Description

一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置

技术领域

本发明属于风洞实验技术领域，具体地涉及一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动和运动测量的试验装置。

背景技术

新型导弹在快速翻转机动过程中，导弹绕流流场十分复杂。以往在线性范围内量值很小、对总体气动力影响不大的非定常气动力，在飞行姿态和运动参数作快速变化的机动飞行中，量级突然增大，往往左右着整个导弹的气动特性。导弹在快速翻转机动过程中，其飞行攻角可达180°，翻转角速度大于180°/s，现有的高速风洞大振幅试验技术不能完全模拟导弹快速翻转历程中的飞行姿态和运动参数。因此，需要建立超大攻角快速翻转动态试验技术。突破该项关键技术需设计满足超大攻角/高翻转角速度/高刚度/大载荷的运动系统，研制同时具备大刚度、高灵敏度的天平结构形式，满足超大攻角下动态气动力的快速响应和精确测量。

美、俄等航空航天发达国家，由于其先进飞行器发展迅速，型号研制需求强烈，风洞基础良好，大攻角气动力及其风洞试验技术研究起步较早。如美国上世纪八十年代中期开始实施大攻角研究计划，进行了大量的大攻角静态试验、动态试验、数值模拟和流动机理、建模方法与控制技术研究，使大攻角气动力预测技术逐步成熟，形成了具有代表性的大攻角静、动态气动力综合研究体系。促进了具有过失速机动能力战斗机F-22的研制成功。

我国从上世纪八十年代开始飞行器动态特性试验研究。国内三家主力空气动力学研究机构，中国航天空气动力技术研究院、军事科学院空气动力试验基地和中航工业空气动力研究院先后在多座生产型风洞中建立动态试验装置和试验技术，针对飞行器的大攻角动态气动特性评估分析开展了大量试验研究工作。

当攻角增大，随之产生的气流分离与再附着、涡破碎等非定常、迟滞现象难以通过常规小振幅动导数风洞试验表现出来。为了模拟大攻角飞行特性，必须采用新的风洞试验技术。进入90年代，特别是“九五”以来，在空气动力学预先研究项目的支持下，各气动研究单位又都相继在生产型高低速风洞建立了一系列用于动态气动力研究的试验装置。其中，大振幅动态风洞试验研究成为模拟飞机大攻角运动的必备手段。

目前国内高速生产型风洞中建立的大振幅振荡试验技术，试验振幅达到30°，模型最大攻角为75°，振荡频率可以达到3.15Hz，很难满足新型导弹快速翻转运动的需求。因此为了实现对新型导弹在快速翻转机动过程中模拟，在高速风洞中建立最大振幅90°，0～180°攻角快速运动的试验装置很有必要。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置。

本发明提供一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，包括：

支撑装置；

外侧驱动装置和内侧驱动装置，由所述支撑装置支撑；

试验模型支撑装置，用于支撑试验模型，所述外侧驱动装置和内侧驱动装置与所述试验模型支撑装置的驱动端连接，用于驱动所述试验模型支撑装置运动；

随动端支撑装置，用于支撑所述试验模型支撑装置的随动端；

运动测量装置，用于测量所述试验模型的运动角度。

进一步地，所述支撑装置包括轴承座、输出端面板、随动端面板；

所述轴承座为中空设计，用于支撑所述外侧驱动装置和内侧驱动装置。

进一步地，所述外侧驱动装置安装在所述轴承座内部，包括驱动电机、减速器、电机驱动块和电机大轴；

所述驱动电机的输出轴通过减速器连接到电机驱动块，通过电机驱动块驱动电机大轴转动；

所述电机大轴通过一对圆锥滚子轴承支撑在轴承座内部，能够在所述轴承座内360°滚转，所述输出端面板用于支撑所述电机大轴运动。

进一步地，所述内侧驱动装置包括驱动电机、减速器、主动端输出轴；

所述内侧驱动装置固定在所述电机大轴内部，所述驱动电机的输出轴通过减速器与所述主动端输出轴连接，由所述主动端输出轴输出驱动力，用于驱动所述试验模型支撑装置运动。

进一步地，所述试验模型支撑装置包括依次连接的输出端支杆、模型支撑架、随动端支杆；

所述输出端支杆与所述主动端输出轴连接，所述随动端支杆支撑在所述随动端支撑装置上，试验模型安装在所述模型支撑架上，能够实现试验模型0～360°运动。

进一步地，所述随动端支撑装置包括随动端转盘、随动运动支撑轴承、角度测量连接套筒；

所述随动端支杆通过所述随动端支撑轴承支撑于所述随动端转盘的内腔，所述角度连接套筒安装于所述随动端支杆的一侧内部；

所述随动端面板支撑所述随动端转盘运动。

进一步地，所述运动测量装置包括角度编码器、测量支座；

所述测量支座安装在所述随动端转盘的一端，所述角度编码器安装于所述测量支座上，所述角度编码器的测量轴与所述角度连接套筒配合。

进一步地，所述输出端支杆和随动端支杆分别通过锥配合方式与所述模型支撑架连接。

进一步地，所述的主动端输出轴通过一对输出支撑轴承固定在所述电机大轴的内腔，所述主动端输出轴能够在所述电机大轴内360°转动。

进一步地，所述随动端转盘为可调心随动端转盘，能够调节输出端轴线和随动端轴线保持同心。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用双侧支撑的形式，能够实现攻角0～360°连续运动时支撑干扰最小化和均匀化。

(2)采用了外侧驱动和内侧驱动同时驱动试验机构运动，可以实现超大攻角俯仰运动时运动速度最大化和驱动扭矩最大化。

(3)外侧驱动和内侧驱动形式同时放置于一个支持轴承座内，实现二者输出之间叠加，减小传动环节，提高整个机构输出效率。

(4)采用主动端和随动端形式的支撑，在随动端设置测量单元，能够最大化的减小输出端装置电磁信号干扰，提高测量单元的精度。

(5)随动端支撑采用可调心随动端转盘，方便调节输出端轴线和随动端轴线位置，保证运动同心。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的实施例的装配示意图。

图2为根据本发明的实施例的轴承座示意图。

图3为根据本发明的实施例的电机驱动块示意图。

图4为根据本发明的实施例的电机大轴示意图。

图5为根据本发明的实施例的输出端面板示意图。

图6为根据本发明的实施例的随动端面板示意图。

图7为根据本发明的实施例的主动端输出轴示意图。

图8为根据本发明的实施例的输出端支杆示意图。

图9为根据本发明的实施例的模型支撑架示意图。

图10为根据本发明的实施例的随动端支杆示意图。

图11为根据本发明的实施例的随动端转盘示意图。

图12为根据本发明的实施例的角度连接套筒示意图。

图13为根据本发明的实施例的测量支座示意图。

图14为根据本发明的实施例的调试图片。

图15为根据本发明的实施例的调试时采集到的超大攻角运动信号。

附图标记：

外侧驱动电机1、外侧驱动减速器2、电机驱动块3、圆锥滚子轴承4、轴承座5、电机大轴6、内侧驱动电机7、内侧驱动减速器8、输出支撑轴承9、输出端面板10、主动端输出轴11、输出端支杆12、模型支撑架13、试验模型14、随动端支杆15、随动端面板16、随动端转盘17、随动端支撑轴承18、角度连接套筒19、测量支座20、角度编码器21。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提出了一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，包括：

支撑装置；

外侧驱动装置和内侧驱动装置，由所述支撑装置支撑；

试验模型支撑装置，用于支撑试验模型，所述外侧驱动装置和内侧驱动装置与所述试验模型支撑装置的驱动端连接，用于驱动所述试验模型支撑装置运动；

随动端支撑装置，用于支撑所述试验模型支撑装置的随动端；

运动测量装置，用于测量所述试验模型的运动角度。

优选地，支撑装置采用三点支撑形式，包括轴承座、输出端面板、随动端面板。

进一步的，轴承座同时固定外侧驱动装置和内侧驱动装置，轴承座为中空设计，电机大轴通过一对圆锥滚子轴承支撑在轴承座内部，电机大轴可以绕轴承座360°滚转，输出端面板同时可以支撑电机大轴辅助运动。

进一步的，随动端面板支撑整个机构的随动端支撑装置，并且通过8个螺纹孔实现随动端和主动端的同心度。

进一步的，外侧驱动装置安装在轴承座上，通过电机驱动块可以驱动电机大轴转动。

进一步的，电机驱动块通过定位键和4个锥销连接，减少传递间隙，电机驱动块采用优化设计，减小惯量和提高刚度。

进一步的，内侧驱动装置安装于电机大轴内腔，电机大轴为中空设计，内侧驱动装置与主动端输出轴连接，通过主动端输出轴把内侧驱动装置和外侧驱动装置的输出扭矩传递出去。

进一步的，主动端输出轴通过一对输出支撑轴承固定在电机大轴内腔，主动端输出轴可绕电机大轴360°转动。

进一步的，模型支撑装置由输出端支杆、模型支撑架、随动端支杆组成，模型支撑架通过侧撑对模型支撑，可以实现模型0～360°运动。

进一步的，输出端支杆和随动端支杆分别通过锥配合方式和模型支撑架连接，通过锥配合形式保证输出端支杆和随动端支杆的同心度。

进一步的，随动端支撑装置安装于随动端面板上，随动端转盘通过8个螺纹孔调节其相对于随动端面板的轴线。

进一步的，随动端转盘是内空的，随动端支杆通过随动端支撑轴承安装于随动端转盘内腔，通过随动端转盘实现输出端支杆轴线的移动于调心。

进一步的，运动测量装置安装在随动端支撑上，通过角度连接套筒把角度编码器测量轴与输出端支杆连接。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

如图1所示，用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，包括：支撑装置、外侧驱动装置、内侧驱动装置、试验模型支撑装置、随动端支撑装置、运动测量装置。

本实例中具体包括如下零部件：外侧驱动电机1、外侧驱动减速器2、电机驱动块3、圆锥滚子轴承4、轴承座5、电机大轴6、内侧驱动电机7、内侧驱动减速器8、输出支撑轴承9、输出端面板10、主动端输出轴11、输出端支杆12、模型支撑架13、试验模型14、随动端支杆15、随动端面板16、随动端转盘17、随动端支撑轴承18、角度连接套筒19、测量支座20、角度编码器21。

如图2、图5和图6所示，轴承座5、输出端面板10和随动端面板16组成整个系统的支撑装置。支撑装置采用三点支撑形式，轴承座5同时固定外侧驱动电机1和内侧驱动电机7，轴承座5为中空设计，内侧驱动电机7通过一对圆锥滚子轴承4支撑在轴承座5内部，可以绕轴承座5进行360°滚转，输出端面板10同时可以支撑内侧驱动电机7辅助运动，随动端面板16支撑随动端转盘17运动，通过调心可以实现轴承座5、输出端面板10和随动端面板16的同心。

如图3所示，电机驱动块3连接外侧驱动电机1。外侧驱动电机1通过外侧驱动减速器2和电机驱动块3把输出扭矩传递到电机大轴6上，电机驱动块3通过优化设计，整体厚度为20mm。

如图4所示，电机大轴6通过一对圆锥滚子轴承4安装于轴承座5内部，电机大轴6为中空设计，内侧驱动装置安装于其内部，电机大轴6一端和电机驱动块3连接，另一端连接内侧驱动装置，通过电机大轴6可以同时把内侧驱动扭矩和外侧驱动扭矩传递到试验模型14上。

如图7所示，主动端输出轴11安装在电机大轴6的一端，通过输出支撑轴承9保证扭矩传递同心，其一端和内侧驱动装置连接，另一端输出到风洞内试验机构上。

如图8、图9和图10所示，分别为输出端支杆12、模型支撑架13、随动端支杆15。输出端支杆12前后端均为锥面配合连接形式，减小传递间隙同时提高传递精度。输出端支杆12带动模型支撑架13做指定形式的运动。试验模型14通过测量天平安装在模型支撑架13上，模型支撑架13另一侧和随动端支杆15连接，通过随动端支杆15可以提高整个支撑的刚度，同时可以通过远离输出端的位置测量运动角度。

如图11、图12和图13所示，分别为随动端转盘17、角度连接套筒19、测量支座20。随动端转盘17为中空设计，同时设计有8个调心孔，随动端支杆15通过随动端支撑轴承18支撑于随动端转盘17的内腔，通过8个调心孔实现随动端和输出端运动同心，角度连接套筒19安装于随动端支杆15的一侧内部，二者通过锥销固定，测量支座20安装在随动端转盘17的一端，同时角度编码器21安装于测量支座20上，角度编码器21的测量轴和角度连接套筒19二者配合，进而通过角度编码器21测量得到运动角度。

如图14所示，整套试验装置安装在地面调试架上，通过同时同步控制外侧驱动电机1和内侧驱动电机7的位置与转速，由电机大轴6和主动端输出轴11把扭矩传递到输出端支杆12上，进而驱动试验模型14运动，同时由随动端支杆15带动角度连接套筒19与角度编码器21运动，测量实时运动角度。如图15所示，分别为该套试验装置调试时所得到的几种典型运动，分别为匀速运动、匀加速运动、简谐运动、多频复合运动。

实施例

在使用本发明的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置进行风洞试验时，该装置轴承座5、输出端面板10和随动端面板16安装在风洞试验端内，其中轴承座5通过18个M24螺钉和18个直径30mm柱销固定在风洞试验端，外侧驱动电机1安装在轴承座5一端，内侧驱动电机7安装于轴承座5内腔，电机大轴6和主动端输出轴11二者组合实现扭矩输出，输出的扭矩直接作用于输出端支杆12上，进而驱动模型支撑架13和试验模型14运动，同时随动端支杆15跟随试验模型14一起运动；通过随动端转盘17实现输出端支杆12和随动端支杆15运动的同心，随动端支杆15通过随动端支撑轴承17实现转动，通过角度连接套筒19、测量支架20和角度编码器21实现对运动的实时测量。

整套试验机构尺寸总长约3200mm，最大直径710mm，风洞试验时整套机构安装于试验段内部，其中输出端支杆12、模型支撑架13、试验模型14和随动端支杆15内置于风洞流场中，通过内侧驱动电机7和外侧驱动电机1同时同步运动可以实现各种形式的运动，俯仰攻角可以实现0～180°运动，超大攻角运动时可以实现最大4Hz的运动频率。

图15为根据本发明的实施例的调试时采集到的超大攻角运动信号。图15分别给出了匀速运动、匀加速运动、简谐运动、多频复合运动调试时采集到的俯仰攻角时间历程。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，包括：

支撑装置；

外侧驱动装置和内侧驱动装置，由所述支撑装置支撑；

试验模型支撑装置，用于支撑试验模型，所述外侧驱动装置和内侧驱动装置与所述试验模型支撑装置的驱动端连接，用于驱动所述试验模型支撑装置运动；

随动端支撑装置，用于支撑所述试验模型支撑装置的随动端，所述支撑装置包括轴承座、输出端面板、随动端面板，所述轴承座为中空设计，用于支撑所述外侧驱动装置和内侧驱动装置；

运动测量装置，用于测量所述试验模型的运动角度。

2.根据权利要求1所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述外侧驱动装置安装在所述轴承座内部，包括驱动电机、减速器、电机驱动块和电机大轴；

所述驱动电机的输出轴通过减速器连接到电机驱动块，通过电机驱动块驱动电机大轴转动；

所述电机大轴通过一对圆锥滚子轴承支撑在轴承座内部，能够在所述轴承座内360°滚转，所述输出端面板用于支撑所述电机大轴运动。

3.根据权利要求2所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述内侧驱动装置包括驱动电机、减速器、主动端输出轴；

所述内侧驱动装置固定在所述电机大轴内部，所述驱动电机的输出轴通过减速器与所述主动端输出轴连接，由所述主动端输出轴输出驱动力，用于驱动所述试验模型支撑装置运动。

4.根据权利要求3所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述试验模型支撑装置包括依次连接的输出端支杆、模型支撑架、随动端支杆；

所述输出端支杆与所述主动端输出轴连接，所述随动端支杆支撑在所述随动端支撑装置上，试验模型安装在所述模型支撑架上，能够实现试验模型0～360°运动。

5.根据权利要求4所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述随动端支撑装置包括随动端转盘、随动运动支撑轴承、角度测量连接套筒；

所述随动端支杆通过所述随动端支撑轴承支撑于所述随动端转盘的内腔，所述角度连接套筒安装于所述随动端支杆的一侧内部；

所述随动端面板支撑所述随动端转盘运动。

6.根据权利要求5所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述运动测量装置包括角度编码器、测量支座；

所述测量支座安装在所述随动端转盘的一端，所述角度编码器安装于所述测量支座上，所述角度编码器的测量轴与所述角度连接套筒配合。

7.根据权利要求4所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述输出端支杆和随动端支杆分别通过锥配合方式与所述模型支撑架连接。

8.根据权利要求3所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述的主动端输出轴通过一对输出支撑轴承固定在所述电机大轴的内腔，所述主动端输出轴能够在所述电机大轴内360°转动。

9.根据权利要求5所述的用于高速风洞超大攻角多频复合运动的试验装置，其特征在于，所述随动端转盘为可调心随动端转盘，能够调节输出端轴线和随动端轴线保持同心。

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