CN113483512B - 一种结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞试验技术领域，提供了一种结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法。本发明的切割装置包括支撑架、Y轴滑动装置和切割刀具；Y轴滑动装置固定在所述支撑架上，所述Y轴滑动装置包括至少两根Y轴光轴和Y轴滑块，所述Y轴滑块在所述Y轴光轴上滑动；所述Y轴滑块上固定安装所述切割刀具，所述切割刀具包括加热器和热管刀，所述热管刀可拆卸连接在所述加热器上。本发明采用热管刀作为切割用的热刀，其尺寸小，传热效率高，切割时对切割位置相邻区域的积冰影响小；由于切割时只存在1个切割点位，冷却介质吹扫角度与热刀始终保持同步，可以很好的保护切割相邻区域积冰处于低温状态而不融化，最大程度的保证了冰形获取的保真度。

Description

一种结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法。

背景技术

飞行器低速穿越富含过冷液滴的低温云层时，其迎风面上容易产生结冰现象，结冰严重威胁着飞机的飞行安全。在结冰风洞开展飞行器模型结冰试验已经成为飞行器防除冰系统设计和验证的重要环节。

飞行器模型结冰试验中，需要准确获取模型表面积冰的2维截面形状（简称冰形），冰形获取的精准度和速度直接影响试验质量效率。当前结冰风洞冰形获取主要采用热刀切割装置，其热刀一般为前缘切割有与模型截面相同型线的铜薄片制成。使用中首先对铜薄片加热至高温，然后将热刀水平插入需要获取冰形的模型前缘积冰中，利用铜薄片的温度使接触部位积冰融化，切割完成后抽出热刀，再插入预制方格纸进行冰形描绘，如专利201810768271.X。该方法有着热刀加工容易，操作简单的优点。但在冰形精确保真获取方面还存在一些不足，主要表现有：

1. 该方式获取冰形时，因切割时热刀温度不受控制，热刀初始温度高容易使积冰少的区域冰过度融化破坏冰形。热刀初始温度低又导致积冰多的区域切割困难，需要多次加热热刀反复切割，这进一步破坏了积冰较少区域的冰形，使得冰形获取的保真度不高，影响试验数据质量。

2. 该方式的铜薄片热刀的前缘型线需要根据模型定制，应用于复杂型面时，若热刀空间定位精度不够，容易引起局部积冰切割盲区，残留积冰的存在导致方格纸前缘型面不能与模型较好贴合，使绘制出的冰形失真。同时，热刀加工完成后，只能获取模型特定位置的冰形，试验中有时需要根据模型结冰情况增加冰形获取点位，此时需要重新加工热刀，影响试验效率。

3. 该方式切割冰形时，需要多人协同工作，一人负责热刀，2-3人使用速冻剂对冰刀上表面的积冰进行冷却，防止上表面积冰过度融化破坏冰形，效率较低。

4. 该方式切割冰形时，常是使用燃气燃烧的火焰加热热刀铜片，该方式不能实现对热刀温度的精确控制，铜片加热时长和温度依赖于操作人员的经验和对铜片受热后的颜色判断。采用烤箱方式加热铜片，虽可以一定程度提高对铜片温度控制，但加热后的热刀需要从加热环境转运至风洞模型，操作时风洞气流处于低温情况，铜片容易散热冷却影响切割效果。热刀转运中也存在操作人员烫伤危险，安全性较差。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的提供一种结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法。本发明是这样实现的：

一种结冰风洞试验冰形切割装置，包括支撑架、Y轴滑动装置和切割刀具；

Y轴滑动装置固定在所述支撑架上，所述Y轴滑动装置包括至少两根Y轴光轴和Y轴滑块，所述Y轴滑块在所述Y轴光轴上滑动；

所述Y轴滑块上固定安装所述切割刀具，所述切割刀具包括加热器和热管刀，所述热管刀可拆卸连接在所述加热器上。

进一步地，还包括冷却装置，所述冷却装置设置在所述切割刀具周围，所述冷却装置包括软管和喷头，所述喷头连接在所述软管的前端，所述软管的后端可连接到冷却介质存储装置。

进一步地，所述支撑架包括两个对称设置的子支架和水平连接杆，每个子支架均包括底座和立柱；

所述立柱垂直固定在所述底座上，在两个所述立柱之间横向固定设置所述水平连接杆。

进一步地，还包括Z轴滑动装置，所述Z轴滑动装置包括设置在每个子支架上的线轨和Z轴滑块，所述Z轴滑块在所述线轨上滑动；

两个所述Z轴滑块之间设置水平连接板，所述水平连接板上开设螺纹孔；

还包括螺杆，螺杆滑轮座和手轮，所述螺杆的一端螺旋连接所述螺杆滑轮座，另一端与所述螺纹孔螺旋连接，所述手轮与所述螺杆滑轮座连接，使得手轮转动带动螺杆转动。

进一步地，还包括X轴滑动装置，所述X轴滑动装置包括X轴光轴，X轴滑块，挡块以及预紧力弹簧；所述X轴光轴的一端垂直于所述立柱并固定在所述Z轴滑块上，另一端固定连接所述挡块；所述X轴滑块在所述X轴光轴上滑动，所述预紧力弹簧套设所述X轴光轴上，并置于所述Z轴滑块和所述X轴滑块之间。

进一步地，所述热管刀与X轴光轴平行。

进一步地，所述加热器为电涡流加热器。

进一步地，所述底座为磁力底座。

一种结冰风洞试验冰形切割方法，采用如前所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置进行切割，具体包括以下步骤：

S10. 将所述结冰风洞试验冰形切割装置固定于模型前缘，并移动所述Y轴滑块，将所述热管刀移动至所述Y轴光轴的一侧；

S20. 转动手轮，调整切割刀具所在的垂直高度，使所述热管刀位于所需冰形获取位置的同一水平高度并锁定；

S30. 开启所述加热器加热所述热管刀，使所述热管刀达到设定温度；

S40. 开启冷却装置，手动调整冷却介质吹扫角度和流量至合适角度和合适流量；

S50. 缓慢移动热管刀，使得所述热管刀沿Y轴方向移动，并且所述热管刀的顶端抵接在模型表面；同时，冷却介质同步吹拂冷却切割相邻部位积冰；

S60. 持续移动热管刀和冷却装置直至积冰截面积上的冰被完全切割，完成1个冰形切割。

进一步地，步骤S60中，热管刀的温度根据切割部位积冰厚度及切割速度进行调整。

采用本发明的结冰风洞试验冰形切割装置及切割方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

（1）本发明采用热管刀作为切割用的热刀，其尺寸小，传热效率高，切割时对切割位置相邻区域的积冰影响小；由于切割时只存在1个切割点位，氮气吹扫角度与热刀始终保持同步，可以很好的保护切割相邻区域积冰处于低温状态而不融化，最大程度的保证了冰形获取的保真度；

（2）本发明的热管刀采用电涡流加热方式，功率密度大，加热速度快，温度控制灵活。通过控制电涡流加热器的功率可以在切割时根据切割部位积冰情况，实时调整热刀温度，确保最优切割效果。

（3）由于热管刀后端设有弹簧动作机构，切割过程中，热管刀前缘始终紧贴模型表面，切割无盲区、无残留；

（4）本发明切割装置的支撑架使得切割刀具可以在XYZ三个方向上运动，使得该冰形切割装置可以实现任意水平位置的冰形切割，在模型表面冰形获取位置选取方面更加灵活，可以满足试验中多冰形获取需求。

（5）由于本装置自动化程度高，操作简单，切割工作1人就可完成，效率较高、劳动强度低。

（6）采用本发明的切割装置，不再需要像现有技术一样，每次测量冰形前先制备与待测模型型面一致的热刀，试验流程简单，本发明的切割装置可重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种结冰风洞试验冰形切割装置的结构示意图。

图中，01-底座，02-立柱，03-水平连接杆；11-螺杆，12-螺杆滑轮座，13-线轨，14-Z轴滑块，15-手轮；20-X轴滑动装置，21-X轴光轴，22-X轴滑块，23-预紧力弹簧；30-Y轴滑动装置，31-Y轴光轴，32-Y轴滑块；40-切割刀具，41-加热器，42-热管刀，50-冷却装置。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例一

一种结冰风洞试验冰形切割装置，如图1所示，包括支撑架、Y轴滑动装置30和切割刀具40；

Y轴滑动装置30固定在所述支撑架上，所述Y轴滑动装置30包括至少两根Y轴光轴31和Y轴滑块32，所述Y轴滑块32在所述Y轴光轴31上滑动；

所述Y轴滑块32上固定安装所述切割刀具40，所述切割刀具40包括加热器41和热管刀42，所述热管刀42可拆卸连接在所述加热器41上。其中，可拆卸连接即需要使用热管刀时将该热管刀插接到加热器上，不使用时可以将热管刀拆卸下来。

值得说明的是，Y轴滑动装置和Y轴滑块都是沿Y轴设置，与下文所述的X轴、Z轴相互垂直；本实施例采用两根Y轴光轴31穿过Y轴滑块是为了将Y轴滑块固定在XY平面内，从而保证其上固定的热管刀42也能位于XY平面内，作为优选，热管刀42与X轴光轴21平行。

本实施例的热管刀采用常规的热管刀具即可；由于热管刀为热管结构，其尺寸小、传热效率高，切割时对切割位置相邻区域的积冰影响小。

作为优选，加热器41为电涡流加热器，电涡流加热方式的功率密度大，加热速度快，温度控制灵活。通过控制电涡流加热器的功率可以在切割时根据切割部位积冰情况，实时调整热刀温度，确保最优切割效果。

本实施例的冰形切割装置还包括冷却装置50，所述冷却装置50设置在所述切割刀具40周围，所述冷却装置50包括软管和喷头，所述喷头连接在所述软管的前端，所述软管的后端可连接到冷却介质存储装置，如图1所示，图中将软管固定在Y轴滑块的下方，软管可以人为改变其喷流的位置和角度，本领域技术人员可以理解，软管也可以固定在Y轴滑块的其他位置，比如左右两侧，或上方，甚至单独设置另一个滑块固定软管，只要能够将软管前端的喷头放置到热管刀切割积冰位置附近即可。

冷却介质优选采用氮气，一方面可以对切割相邻部位的积冰进行冷却，另一方面将少量已经融化的水吹走。

进一步地，如图1所示，支撑架包括左右两个对称设置的子支架和水平连接杆03，立柱02垂直固定在底座01上，在两个立柱02之间横向固定设置水平连接杆03。为了能够将支撑架固定在试验位置，优选将底座01设置为磁力底座，磁力底座通过磁吸力固定在模型前缘风洞下壁板上。

同时，为了能够使得本发明的切割装置能够实现对不同高度位置的积冰的切割，本实施例还设置了Z轴滑动装置，Z轴滑动装置包括设置在每个子支架上的线轨13和Z轴滑块14，线轨13固定在立柱02上，Z轴滑块14在线轨13上滑动；也就是说，每个子支架上都设置了线轨13和Z轴滑块14；两个Z轴滑块14之间设置水平连接板，水平连接板上开设螺纹孔；还包括螺杆11，螺杆滑轮座12和手轮15，螺杆11的一端螺旋连接螺杆滑轮座12，另一端与螺纹孔螺旋连接，手轮15与螺杆滑轮座12连接，使得手轮15转动带动螺杆11转动。

当手轮15转动时，通过螺杆滑轮座传动，带动螺杆11转动，螺杆11转动使得与其螺旋连接的连接板垂直上下运动，从而带动Z轴滑块上下移动，最终实现带动其上固定的切割刀具和冷却装置上下移动的功能，如此，切割刀具和冷却装置可以在Z轴方向调整位置，以实现对不同高度位置的积冰的切割。

使用时，热管刀42在沿Y轴方向移动切割积冰时，需要使得热管刀的一端抵接在模型表面，从而保证切割时将积冰完全切透。为了保证热管刀抵接在模型表面，本发明实施例的切割装置还设置了X轴滑动装置20，所述X轴滑动装置20包括左右X轴光轴21，左右X轴滑块22，左右挡块以及左右预紧力弹簧23；所述X轴光轴21的一端垂直于立柱02并固定在所述Z轴滑块14上，另一端固定连接挡块；所述X轴滑块22在所述X轴光轴21上滑动，所述预紧力弹簧23套设在所述X轴光轴21上，并置于所述Z轴滑块14和所述X轴滑块22之间；所述Y轴光轴31固定连接在左右X轴滑块22之间。本实施例中，左右两侧各设置有两个X轴滑块22，每一个滑块分别与一根X轴光轴的一端固定连接，但这种方式并不能作为对本发明的限定，本领域技术人员可以理解，此处设置左右各一个X轴滑块，每一个X轴滑块各连接两根X轴光轴的一端，也是可以实现本发明的。

由此，预紧力弹簧23始终通过对X轴滑块施加推力的方式将热管刀42抵接在模型表面，使得切割无盲区、无残留，从而为冰形测量的准确性提供保障。

同时，为了保证支撑架的稳固性，本发明实施例中还设置了一些加固件，如图1所示，在此不再赘述。

实施例二

本实施例涉及采用实施例一中的结冰风洞试验冰形切割装置进行冰形切割的方法，具体包括以下步骤：

S10. 将所述结冰风洞试验冰形切割装置固定于模型前缘，并移动所述Y轴滑块32，将所述热管刀42移动至所述Y轴光轴31的一侧；

此时，将磁力底座通过磁吸力固定在模型前缘风洞下的壁板上；

S20. 转动手轮15，调整切割刀具40所在的垂直高度，使所述热管刀42位于所需冰形获取位置的同一水平高度并锁定；

S30. 开启所述加热器41加热所述热管刀42，使所述热管刀42达到设定温度；

S40. 开启冷却装置50，手动调整冷却介质吹扫角度和流量至合适角度和合适流量；

步骤S30和S40中，热管刀的设定温度、冷却介质（如氮气）的吹扫角度和流量都根据本领域技术人员的经验进行设置；

S50. 缓慢移动热管刀42，使得所述热管刀42沿Y轴方向移动，并且所述热管刀42的顶端抵接在模型表面；同时，冷却介质同步吹拂冷却切割相邻部位积冰；

S60. 持续移动热管刀42和冷却装置50直至积冰截面积上的冰完全切割，完成1个冰形切割。

在持续移动热管刀42的过程中，技术人员可以根据经验调整热管刀的温度，例如根据切割部位的积冰厚度及切割速度进行调整；通常情况下，积冰厚度增厚，温度适量增加，或者切割速度放缓；切割速度增加，温度适量增加。

本发明的切割装置采用热管刀作为切割刀具，其尺寸小、传热效率高，切割时对切割位置相邻区域的积冰影响小。由于切割时只存在1个切割点位，冷却介质吹扫角度与热管刀始终保持同步，可以很好的保护切割相邻区域积冰处于低温状态而不融化，最大程度的保证了冰形获取的保真度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，包括支撑架、Y轴滑动装置（30）和切割刀具（40）；

Y轴滑动装置（30）固定在所述支撑架上，所述Y轴滑动装置（30）包括至少两根Y轴光轴（31）和Y轴滑块（32），所述Y轴滑块（32）在所述Y轴光轴（31）上滑动；

所述Y轴滑块（32）上固定安装所述切割刀具（40），所述切割刀具（40）包括加热器（41）和热管刀（42），所述热管刀（42）可拆卸连接在所述加热器（41）上；

所述加热器（41）为电涡流加热器。

2.根据权利要求1所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，还包括冷却装置（50），所述冷却装置（50）设置在所述切割刀具（40）周围，所述冷却装置（50）包括软管和喷头，所述喷头连接在所述软管的前端，所述软管的后端可连接到冷却介质存储装置。

3.根据权利要求2所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，所述支撑架包括两个对称设置的子支架和水平连接杆（03），每个子支架均包括底座（01）和立柱（02）；

所述立柱（02）垂直固定在所述底座（01）上，在两个所述立柱（02）之间横向固定设置所述水平连接杆（03）。

4.根据权利要求3所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，还包括Z轴滑动装置，所述Z轴滑动装置包括设置在每个子支架上的线轨（13）和Z轴滑块（14），所述线轨（13）固定在所述立柱（02）上，所述Z轴滑块（14）在所述线轨（13）上滑动；

两个所述Z轴滑块（14）之间设置水平连接板，所述水平连接板上开设螺纹孔；

还包括螺杆（11），螺杆滑轮座（12）和手轮（15），所述螺杆（11）的一端螺旋连接所述螺杆滑轮座（12），另一端与所述螺纹孔螺旋连接，所述手轮（15）与所述螺杆滑轮座（12）连接，使得手轮（15）转动带动螺杆（11）转动。

5.根据权利要求4所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，还包括X轴滑动装置（20），所述X轴滑动装置（20）包括X轴光轴（21），X轴滑块（22），挡块以及预紧力弹簧（23）；所述X轴光轴（21）的一端垂直于所述立柱（02）并固定在所述Z轴滑块（14）上，另一端固定连接所述挡块；所述X轴滑块（22）在所述X轴光轴（21）上滑动，所述预紧力弹簧（23）套设所述X轴光轴（21）上，并置于所述Z轴滑块（14）和所述X轴滑块（22）之间。

6.根据权利要求5所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，所述热管刀（42）与X轴光轴（21）平行。

7.根据权利要求3-6任一所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置，其特征在于，所述底座（01）为磁力底座。

8.一种结冰风洞试验冰形切割方法，其特征在于，采用如权利要求6所述的一种结冰风洞试验冰形切割装置进行切割，具体包括以下步骤：

S10. 将所述结冰风洞试验冰形切割装置固定于模型前缘，并移动所述Y轴滑块（32），将所述热管刀（42）移动至所述Y轴光轴（31）的一侧；

S20. 转动手轮（15），调整切割刀具（40）所在的垂直高度，使所述热管刀（42）位于所需冰形获取位置的同一水平高度并锁定；

S30. 开启所述加热器（41）加热所述热管刀（42），使所述热管刀（42）达到设定温度；

S40. 开启冷却装置（50），手动调整冷却介质吹扫角度和流量至合适角度和合适流量；

S50. 缓慢移动热管刀（42），使得所述热管刀（42）沿Y轴方向移动，并且所述热管刀（42）的顶端抵接在模型表面；同时，冷却介质同步吹拂冷却切割相邻部位积冰；

S60. 持续移动热管刀（42）和冷却装置（50）直至积冰截面积上的冰被完全切割，完成1个冰形切割。

9.根据权利要求8所述的一种结冰风洞试验冰形切割方法，其特征在于，步骤S60中，热管刀（42）的温度根据切割部位积冰厚度及切割速度进行调整。

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