CN114486153B - 一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置 - Google Patents

Abstract

一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，通过防热方案的合理布局有效解决大型燃气流风洞试验时在长时间、高温、大热流恶劣热环境下具有高可靠性的大攻角变化范围、高精度、高承力载荷的可变攻角机构设计的难题，主要包括底托架、俯仰平台、液压油缸、电控系统，通过独特的盒式框架底托架和两端承力及底部辅助俯仰平台结构，满足了对飞行器模型试验条件时的高承力特性要求，能够实现液压缸在0～30°范围内任意位置可靠锁定，控制系统可实现向双动力缸和辅助缸供油驱动俯仰平台的变幅操作，提高了系统稳定性。

Description

一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置

技术领域

本发明涉及一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，属于风洞试验设计领域。

背景技术

高温燃气流超声速热结构风洞主要用于模拟一定高度下飞行器的气动热、气动力等性能。200MW燃气流风洞是国内唯一可开展百兆瓦级千秒级防隔热模拟实验，进行热防护系统部段级结构整体或局部1:1防热方案热结构、热匹配、热密封试验考核，为新一代武器系统防热系统方案地面试验验证提供技术支持。

飞行器模型在进行热考核试验时为了更好的模拟飞行环境，经常需要在试验过程中进行考核状态的多台阶在线调节。使用200MW燃气流风洞系统进行舱段、舵翼等结构件考核试验时通常采用改变模型与来流攻角的方式实现热环境的改变，从而实现模型热流、压力等参数试验过程中的在线调节。燃气流试验时存在着严重气动加热环境，在如此苛刻的热环境条件下设计出可靠有效的可变攻角机构是很大的一个难题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，在指定热环境条件下难以设计可靠有效可变攻角机构的问题，提出了一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，包括底托架、俯仰平台、液压油缸、电控系统，变攻角运动装置设置于工作平台上，底托架通过T型螺栓与工作平台固定连接，俯仰平台与液压油缸安装于底托架上，分别通过航空插头、液压快装接头与外部电源、液压油源连接，所述电控系统用于对俯仰平台、液压油缸进行控制。

所述俯仰平台采用盒式框架结构，当需要进行攻角调节时，通过电控系统接收外部控制指令，电控系统控制液压油缸推动俯仰平台进行指定角度范围内的攻角变化调节。

所述俯仰平台包括纵向连接板、横向连接框，横向连接框数量为4个，横向连接框用于提升俯仰平台及变攻角运动装置的结构刚度，纵向连接框用于增加结构纵向刚度及实现攻角的变化调节。

所述俯仰平台通过由液压油缸组成的液压系统进行供油驱动，液压油缸数量为2个，互为备用，当电控系统接收到外部控制指令后，驱动液压系统进行俯仰平台变幅驱动，若任意液压油缸故障，则通过单液压油缸进行供油。

所述液压系统中，任意液压油缸均能倍增供油流量，液压系统中设置有辅助缸，配合双液压油缸进行供油驱动。

所述变攻角运动装置搭建完毕后需进行结构受力情况分析，具体步骤如下：

(1)液压缸结构受力分析；

(2)俯仰平台应力及变形分析；

(3)液压缸稳定性计算。

所述步骤(1)中，根据俯仰平台变幅范围判断与液压缸输出力的关系，对变攻角运动装置的驱动设置进行确定。

所述液压系统中，液压油缸包括油源及液压缸，通过管路进行连接，连接长度根据试验需求确定，管路端头采用快换接头，并通过球头密封结构进行密封。

所述电控系统采用西门子S300，安装于外部标准机柜中。

所述变攻角运动装置中，俯仰平台、液压油缸、电控系统间通过高温线缆连接，并通过设置隔热棉、加装盖板封闭、铺设石棉布进行隔热防护。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，通过独特的盒式框架底托架和两端承力及底部辅助俯仰平台结构，满足了对飞行器模型试验条件时的高承力特性要求，同时使用了双缸、辅助缸实现动力冗余的液压系统以及双侧控制反馈及单侧备份电控系统设计，实现液压缸在0～30°范围内任意位置可靠锁定；实现俯仰平台平稳变幅，无冲击现象；正常工作时两侧油缸驱动平台变幅，极端情况下能实现单侧油缸实现变幅，切实保证试验正常进行。控制系统可实现向双动力缸和辅助缸供油驱动俯仰平台的变幅操作，提高了系统稳定性，确保试验正常进行；

(2)本发明采用模型攻角调节机构的局部具体热防护技术，对模型攻角调节机构的不同部分使用不同的热防护措施，能够用于长时间、高温、大热流的恶劣热环境，以满足整体攻角运动装置能适应多种热环境的需求。

附图说明

图1为发明提供的攻角调节机构示意图；

图2为发明提供的攻角调节机构30°角示意图；

图3为发明提供的30°时平台受力情况示意图；

图4为发明提供的30°模型约束及负荷分布示意图一；

图5为发明提供的30°模型约束及负荷分布示意图二；

图6为发明提供的30°模型变形量示意图；

图7为发明提供的30°模型安全系数示意图；

图8为发明提供的液压原理示意图；

图9为发明提供的动力缸结构示意图；

图10为发明提供的辅助缸结构示意图；

图11为发明提供的俯仰平台受力计算结果示意图；

图12为发明提供的各类材料柔性系数参数示意图；

具体实施方式

一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，通过防热方案的合理布局有效解决大型燃气流风洞试验时在长时间、高温、大热流恶劣热环境下具有高可靠性的大攻角变化范围、高精度、高承力载荷的可变攻角机构设计的难题，主要包括底托架、俯仰平台、液压油缸、电控系统，其中：

变攻角运动装置设置于工作平台上，底托架通过T型螺栓与工作平台固定连接，俯仰平台与液压油缸安装于底托架上，分别通过航空插头、液压快装接头与外部电源、液压油源连接，所述电控系统用于对俯仰平台、液压油缸进行控制。

俯仰平台采用盒式框架结构，当需要进行攻角调节时，通过电控系统接收外部控制指令，电控系统控制液压油缸推动俯仰平台进行指定角度范围内的攻角变化调节；俯仰平台包括纵向连接板、横向连接框，横向连接框数量为4个，横向连接框用于提升俯仰平台及变攻角运动装置的结构刚度，纵向连接框用于增加结构纵向刚度及实现攻角的变化调节。

俯仰平台通过由液压油缸组成的液压系统进行供油驱动，液压油缸数量为2个，互为备用，当电控系统接收到外部控制指令后，驱动液压系统进行俯仰平台变幅驱动，若任意液压油缸故障，则通过单液压油缸进行供油。

液压系统中，任意液压油缸均能倍增供油流量，液压系统中设置有辅助缸，配合双液压油缸进行供油驱动。

变攻角运动装置搭建完毕后需进行结构受力情况分析，具体步骤如下：

(1)液压缸结构受力分析，其中，根据俯仰平台变幅范围判断与液压缸输出力的关系，对变攻角运动装置的驱动设置进行确定；

(2)俯仰平台应力及变形分析；

(3)液压缸稳定性计算。

液压系统中，液压油缸包括油源及液压缸，通过管路进行连接，连接长度根据试验需求确定，管路端头采用快换接头，并通过球头密封结构进行密封。

具体的，电控系统采用西门子S300，安装于外部标准机柜中，变攻角运动装置中，俯仰平台、液压油缸、电控系统间通过高温线缆连接，并通过设置隔热棉、加装盖板封闭、铺设石棉布进行隔热防护。

下面根据具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，攻角调节机构由底托架、俯仰平台、液压系统、电控系统四部分组成。通过独特的盒式框架底托架和两端承力+底部辅助俯仰平台结构，使用了双缸+辅助缸+动力冗余的液压系统以及双侧控制反馈+单侧备份电控系统设计，对机构的不同部分使用不同的热防护措施，能够用于长时间、高温、大热流的恶劣热环境。

其中，攻角调节机构在设计过程中充分考虑了结构的牢固性和系统的可靠性。结构上，强度的刚度均按照5～6倍的冗余度进行设计。主运动轴承采用圆锥滚子轴承两两配对使用，承载力可达28吨。俯仰平台采用盒式框架结构，单侧油缸推动，极端受力下，变形量仅0.15mm。动力采用双动力缸加辅助缸组成，可单侧缸完成全流程工作。油源系统采用独立双液压源配置，可互为备份。电控系统主控选用原装西门子S300，采用双路供电，三选一传感器配置，完全避免了电控故障造成的实验失败。攻角调节机构的总体结构如图1、图2所示。

底托架通过T型螺栓与工作平台牢固的连接在一起。俯仰平台与液压油缸安装其上。通过2个航空插头和4个液压快装接头与实验室外的电控及液压油源连接在一起。

俯仰平台由纵向连接板及4个横向连接框组成。前后连接框用于连接模型，中间连接框轴向托起模型以提高模型的结构刚度。前后及中前连接框与纵梁组成盒式结构，提供极强的结构刚性，允许单侧缸推动，最大变形量仅为0.15mm。俯仰平台由左右两套动力缸及左右两套辅助缸推动实现俯仰运动。同时在一套液压缸发生故障时，允许单侧缸推动，提高了结构系统的工作可靠性。为提高系统稳定性，确保试验正常进行，液压系统采用互为备份的双油源设计，可实现单油源向双动力缸和辅助缸供油驱动俯仰平台的变幅操作。液压系统原理图如图8所示。

液压系统实现功能如下：

实现液压缸在0-30°范围内任意位置可靠锁定；

俯仰平台能实现平稳变幅，无冲击现象；

两油源互为备用，正常工作时两侧油缸驱动平台变幅，如某个油源故障，能实现单油源驱动油缸实现变幅工作，极端情况下能实现单油源单侧油缸实现变幅，切实保证试验正常进行；

每个油源具备流量倍增功能，在一个油源故障时其输出流量从45L/m快速增加到90L/m；

所有执行液压缸及连接管路具备耐高温及防腐，防水功能；液压介质采用水乙二醇，实现环保，阻燃。

液压动力缸和辅助缸结构如图9和10所示。

油源和执行液压缸分开布置，油源和执行液压缸之间采用管路连接，连接长度按试验台布置确定。连接管路端部连接方式采用快换接头，中间接头为无密封件的球头密封结构；

攻角调节机构采用西门子S300作为控制器件，安装与标准机柜中，外形尺寸1800*600*600mm。

攻角机构采取了一系列热防护措施:攻角机构传感器线缆全部更换为高温线缆，线缆和管路外缠绕多层隔热棉进行热防护；对攻角机构后端管路线缆进行盖板封闭隔热防护，盖板外铺设隔热棉及石棉布。

变攻角运动装置搭建完毕后需进行结构受力情况分析，具体为：

a.液压缸推力计算

俯仰平台变幅范围为0-30°，经分析计算，平台变幅角度为30°时，液压缸受力最大，此时俯仰平台受力如图3所示，计算结果如图11所示：

由计算结果可知，保持俯仰平台平衡液压缸总推力为3281㎏，正常情况下该装置为双油源4缸驱动，极端情况下采用单油源4缸驱动(假设单侧液压系统故障)，单侧的动力缸和辅助液压缸采用并联连接方式，并且液压缸无杆腔面积相等(输出推力也相等)，此时单支液压缸推力为1640.5㎏，考虑系统的可靠性，取20％的安全冗余，即单支液压缸推力为1968.6㎏；

b.俯仰平台应力及变形分析

采用有限元分析该平台的应力及变形，目的是分析其强度及刚度是否合乎设计目标。

为保证计算结果的可靠性，加载方式为单侧两支并联液压缸驱动俯仰平台进行变幅，又因5T法向和3T轴向负荷，使平台在30°时受力最为恶劣，应在此时对平台受力进行分析。约束及受力如图4所示，计算得到的Mises等效应力值、变形量、安全系数、如图5～7所示，871.6MPa为应力奇点，可以排除，其余的应力为170MPa。平台变形量最大为0.15mm，可以视平台为刚性结构；

c.液压缸稳定性计算

在俯仰平台变幅到30°时，动力缸安装长度为126.8cm，由于其长径比较大，必须对其做压杆稳定性校核。

计算依据《液压元件手册》，(黎启柏主编)，按安全系数法计算。

根据布置方案，俯仰平台30°时动力缸计算长度l＝126.8cm，其长细比l/d＝126.8/4＞10，动力缸推力F_max＝1968.6㎏。

d——活塞杆直径

按欧拉公式采用等截面法计算:

F_max≤F_k/n_k(2)

F_k——活塞杆失稳临界负载

n_k——安全系数，取n_k＝5(按常规取n_k＝2-4)

n——末端系数，液压缸安装方式为两端端铰接，n＝1

E——弹性模量，取E＝210GPa

J——活塞杆的转动惯量，采用实心杆

由式(2)—(4)得出

n_k＝F_k/F_max＝82/1.968>5，液压缸稳定性足够。

(验算长细比：如果按欧拉公式计算：/>当/>用戈登-兰金公式计算：/>

K——活塞杆截面的回转半径

m——柔性系数，中碳钢取m＝85，如图12所示；

fc——材料强度试验值

a——试验常数

(满足采用欧拉公式计算条件)

综上：

活塞杆的转动惯量

液压缸缸筒的转动惯量

采用等截面法计算趋于保守，上述液压缸稳定值计算结果可取。

试验时，模型攻角调节机构可实现攻角变化范围0～30°，运动速度>8°/s；使用环境温度为500℃，单次使用时间1100s；最高承载轴向载荷3t、法向载荷5t，最大实验模型重量500kg；沿气流轴线方向调节距离≥200mm。保证了飞行器模型在高温燃气流超声速风洞试验中的顺利进行。

攻角机构热防护措施如下：

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种长时间高温燃气风洞变攻角运动装置，其特征在于：

包括底托架、俯仰平台、液压油缸、电控系统，变攻角运动装置设置于工作平台上，底托架通过T型螺栓与工作平台固定连接，俯仰平台与液压油缸安装于底托架上，通过2个航空插头和4个液压快装接头与实验室外的电控及液压油源连接，所述电控系统用于对俯仰平台、液压油缸进行控制；

所述俯仰平台采用盒式框架结构，当需要进行攻角调节时，通过电控系统接收外部控制指令，电控系统控制液压油缸推动俯仰平台进行指定角度范围内的攻角变化调节；

所述俯仰平台包括纵向连接框、横向连接框，横向连接框数量为4个，横向连接框用于提升俯仰平台及变攻角运动装置的结构刚度，纵向连接框用于增加结构纵向刚度及实现攻角的变化调节；

所述俯仰平台通过由液压油缸组成的液压系统进行供油驱动，液压油缸数量为2个，互为备用，当电控系统接收到外部控制指令后，驱动液压系统进行俯仰平台变幅驱动，若任意液压油缸故障，则通过单液压油缸进行供油；

所述液压系统中，任意液压油缸均能倍增供油流量，液压系统中设置有辅助缸，配合双液压油缸进行供油驱动；

所述变攻角运动装置搭建完毕后需进行结构受力情况分析，具体步骤如下：

（1）液压缸结构受力分析；

（2）俯仰平台应力及变形分析；

（3）液压缸稳定性计算；

所述步骤（1）中，根据俯仰平台变幅范围判断与液压缸输出力的关系，对变攻角运动装置的驱动设置进行确定；

所述液压系统中，液压油缸包括油源及液压缸，通过管路进行连接，连接长度根据试验需求确定，管路端头采用快换接头，并通过球头密封结构进行密封；

所述电控系统采用西门子S300，安装于外部标准机柜中；

所述变攻角运动装置中，俯仰平台、液压油缸、电控系统间通过高温线缆连接，并通过设置隔热棉、加装盖板封闭、铺设石棉布进行隔热防护；

其中，变攻角运动装置通过盒式框架的底托架和两端承力底部辅助结构的俯仰平台结构，配合双缸及辅助缸实现动力冗余的液压系统、双侧控制反馈及单侧备份电控设计，对不同部分使用不同的热防护措施以适应恶劣环境；

变攻角运动装置强度的刚度均按照5~6倍的冗余度进行设计，主运动轴承采用圆锥滚子轴承两两配对使用，承载力可达28吨；俯仰平台采用盒式框架结构，单侧油缸推动，极端受力下，变形量为0.15mm；双动力缸加辅助缸提供动力源，单侧缸能够完成全流程工作；油源系统采用独立双液压源配置，互为备份；

俯仰平台由纵向连接框及4个横向连接框组成，前后连接框用于连接模型，中间连接框轴向托起模型以提高模型的结构刚度；前后及中间连接框与纵向连接框组成盒式结构以提供结构刚性，允许单侧缸推动，最大变形量为0.15mm；俯仰平台由左右两套动力缸及左右两套辅助缸推动实现俯仰运动；

一套液压缸发生故障时，允许单侧缸推动以保证可靠性；液压系统采用互为备份的双油源设计以实现单油源向双动力缸和辅助缸供油驱动俯仰平台的变幅操作；

进一步的，液压系统在0-30°范围内任意位置可靠锁定；俯仰平台能实现平稳变幅，无冲击现象；

两油源互为备用，正常工作时两侧油缸驱动平台变幅，若任意油源故障，能实现单油源驱动油缸实现变幅工作，极端情况下能实现单油源单侧油缸实现变幅，切实保证试验正常进行；每个油源具备流量倍增功能，在一个油源故障时其输出流量从45L/m快速增加到90L/m；

所有执行液压缸及连接管路具备耐高温、防腐及防水功能；液压介质采用水乙二醇，实现环保，阻燃；

油源和执行液压缸分开布置，油源和执行液压缸之间采用管路连接，连接长度根据试验需求确定；

连接管路端部连接方式采用快换接头，中间接头为无密封件的球头密封结构；攻角调节机构采用西门子S300作为控制器件，安装于标准机柜中，外形尺寸1800*600*600mm；

攻角机构采取线缆全部更换为高温线缆，线缆和管路外缠绕多层隔热棉进行热防护；对攻角机构后端管路线缆进行盖板封闭隔热防护，盖板外铺设隔热棉及石棉布；

进一步的，变攻角运动装置搭建完毕后进行结构受力情况分析，具体为：

进行液压缸结构受力分析；

进行俯仰平台应力及变形分析；

进行液压系统稳定性计算；液压系统稳定性计算结果满足预设阈值或预设条件后受力分析结果通过。