CN116358757A - 一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,包括基座、拉力传感器、扭矩力传感器、扭矩承力臂、拉力传力轴、转接法兰、关节轴承和直线轴承;拉力传感器固定在基座后端的垂直平面上,与拉力传力轴一端通过关节轴承连接;拉力传力轴通过直线轴承安装在基座上;拉力传力轴另一端与扭矩承力臂一端通过螺栓连接;扭矩承力臂两个臂分别与两侧扭矩力传感器连接,两侧扭矩力传感器固定在基座上;被测电推进飞行器电推进系统固定在转接法兰一端,转接法兰的另一端与扭矩承力臂另一端连接。本发明提出的测力装置能有效地将扭矩与拉力解耦,能够精确测量力学参数。同时该平台拆卸方便,可用于多种电机的力学参数测量。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域,具体涉及一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置。
背景技术
我国主要航空研究单位与一些高校针对电推进系统推进单元力学参数测试平台的研究也取得了一些成果,总结起来主要有:
(1)辽宁通用航空研究院设计的一种轻型运动飞机电推进系统拉力试验台如图1所示,它具有上下两层安装支架结构,4根连杆上端通过连杆吊臂与顶轴轴承座内的轴承固定在上安装支架上,连杆下端通过吊板轴承固定在吊板上,螺旋桨通过法兰的固定与主轴相连接。拉力传感器连接在吊板与上安装支架之间,这样螺旋桨旋转时产生的拉力可以通过吊板-四连杆机构传递到拉力传感器上被测试出来,扭矩则被直接同轴连接的静态扭矩力传感器测试得到,再通过相应的显示仪表进行读取或者记录。该实验装置的不足之处在于螺旋桨高速旋转向后方产生的气流会遇到试验平台的阻力,使螺旋桨的向前推力无法达到最大值。
(2)图2为西北工业大学航空研究院设计的一套推进系统测试实验平台,该实验平台用于安装螺旋桨模型及其驱动装置。电机转轴与减速器、法兰盘、螺旋桨同轴旋转。传感器天平上部分用4块S型拉/压力传感器垂直固定在盖板和中间连接板之间,其原理是使用多个S型拉/压力传感器设计成盒式应变天平的形式,将螺旋桨旋转时产生的拉力和扭矩转化为4个传感器的拉压载荷变化。
该实验装置的不足之处:螺旋桨的拉力、扭矩参数是采用间接测量的方式,通过位于电机底部的传感器的拉压载荷变化来实现的,结构复杂、测量不准确。采用传统异步电机作为系统的驱动力,输出转速低,不能够实现螺旋桨高速旋转下的测量实验。
(3)大多数螺旋桨制造公司是采用如图3所示类别的实验台对所设计制造的螺旋桨进行性能参数实验,该实验台放置在导轨上,螺旋桨旋转产生的拉力拉动整个试验台架在导轨上前进,拉力传感器一端固定在底座上,另一端连接到试验台架上随着试验台架运动,从而测量螺旋桨产生的拉力。该实验装置的不足之处在于试验台架安装不便。电机,螺旋桨与扭矩传感器通过联轴器连接,很难保持水平,且扭矩传感器悬空,对于扭矩测量也有一定影响。同时该实验平台只适用于一种电机,若要更换电机重新测量,拆卸工作较为繁琐。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,包括基座、拉力传感器、扭矩力传感器、扭矩承力臂、拉力传力轴、转接法兰、关节轴承和直线轴承;拉力传感器固定在基座后端的垂直平面上,与拉力传力轴一端通过关节轴承连接;拉力传力轴通过直线轴承安装在基座上;拉力传力轴另一端与扭矩承力臂一端通过螺栓连接;扭矩承力臂两个臂分别与两侧扭矩力传感器连接,两侧扭矩力传感器固定在基座上;被测电推进飞行器电推进系统固定在转接法兰一端,转接法兰的另一端与扭矩承力臂另一端连接。本发明提出的测力装置能有效地将扭矩与拉力解耦,能够精确测量力学参数。同时该平台拆卸方便,可用于多种电机(内转子、外转子)的力学参数测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,包括基座、拉力传感器、扭矩力传感器、扭矩承力臂、拉力传力轴、两个转接法兰、轴承支撑块和杆端关节轴承;
所述拉力传感器通过螺栓固定在基座后端的垂直平面上,与拉力传力轴一端通过杆端关节轴承连接;所述拉力传力轴通过轴承支撑块安装在基座上;
所述拉力传力轴另一端与扭矩承力臂一端通过一个转接法兰连接,该转接法兰与扭矩承力臂通过螺栓固定;
所述扭矩承力臂两个臂分别与两侧扭矩力传感器连接,两侧扭矩力传感器固定在基座上;
所述扭矩承力臂与被测电推进系统电机通过另一个转接法兰相连,该转接法兰与扭矩承力臂通过螺栓固定。
优选地,所述扭矩承力臂与扭矩力传感器连接,采用差动测量的方式,测量两侧扭矩力传感器在动力单元工况变化时的受力变化量,通过数学运算得到电机的输出扭矩;扭矩力传感器测量值与扭矩的示算过程如式(1)所示:
Tm=Im_LRsK-Im_RRsK (1)
式中,Tm为扭矩测量值,Im_L和Im_R分别为两侧扭矩力传感器经变送器输出的4-20mA电流信号,Rs为采样电阻阻值,K为转矩参数系数。
优选地,所述拉力传感器测量值的计算过程如式(2)所示。
Fm=ImRsK (2)
式中,Fm为拉力测量值,Im为拉力传感器经变送器输出4-20mA电流信号,Rs为采样电阻阻值,K为力参数系数。
优选地,所述扭矩力传感器采用天平式校准方式进行校准,一端使用标准砝码施加力矩,另一端与测力计连接测定实际受力,计算得到实际扭矩;通过多次调整砝码重量从而改变力矩,比较实际力矩与传感器输出,形成标定文件,实现全量程测量值的标定校准。
优选地,所述拉力传感器在校准时,通过螺纹旋入的方式对拉力传感器施加拉力,并用标准S型推拉力测力计测量施加的力;测力计与电机通过正反丝关节轴承相连,通过旋进旋出螺纹,实现力的加卸载,通过读取测力计的测量结果与拉力传感器的输出进行比对,实现推/拉力测量的标定与校准。
本发明的有益效果如下:
本发明方法能够将力学参数解耦,有效的测量拉力及扭矩参数。扭矩参数的测量采取了差动式测力结构,在提高量程的同时也能提高精度测量。同时本发明所提出了拉力与扭矩的在线校准功能,采用标准传感器与测力结构进行参数测量校准,能有效地验证力学参数测量的准确性。本发明还具备一定的可拓展性,对于不同被测电推进系统电机(内外转子)都可应用。
附图说明
图1为辽宁通用航空研究院设计的一种轻型运动飞机电推进系统拉力试验台。
图2为西北工业大学航空研究院设计的一套推进系统测试实验平台。
图3为市面上大多数螺旋桨制造公司采用推进系统推/拉力测试方案。
图4为本发明力学参数测试装置的整体结构。
图5为本发明电机转接法兰及安装方式示意图。
图6为本发明扭矩测量系统组成与安装方式示意图。
图7为本发明拉力测量系统组成与安装方式示意图。
图8为本发明扭矩校准装置安装方式示意图。
图9为本发明推/拉力校准装置安装方式示意图。
图10为本发明实施例某型电推进飞艇动力系统地面实验验证平台。
图11为本发明实施例不同油门量/电功率对应的扭矩波形。
图12为本发明实施例不同油门量/电功率对应的推/拉力波形图,(a)推力,(b)拉力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
随着绿色航空技术发展,电动飞机具有飞行效率高,有害气体排放小,具有多样飞行气动设计布局的优点。作为推进系统中动力的主要产生装置,电动机的参数及工作特性对电推进系统的性能起着决定性的作用;为了验证推进电机的性能包括推/拉力、转矩、转速等参数,从而为电推进飞机动力系统设计提供参考及验证,设计发明了一种体积小、重量轻的电推进飞机推进电机力学测试装置。
力学参数测试装置用于测量电推进系统推进单元的推/拉力以及扭矩参数,其结构如图4所示,由基座、拉力传感器、扭矩力传感器、扭矩承力臂、拉力传力轴、转接法兰、轴承支撑块、杆端球面轴承、关节轴承、直线轴承等组成。被测电推进动力单元固定在转接法兰上,转接法兰的另一端与扭矩承力臂相连接,转接法兰如图5所示,此部分可根据不同电机的不同安装位置进行设计更换,通过更换法兰盘,即可实现对不同动力系统的测试拓展,无需对测试台进行大面积拆卸,能够满足系统快速安装要求与测量兼容性要求。
本力学参数测试装置通过拉力传感器前布置的关节轴承将扭矩与推拉力进行分解,实现了转向力与轴向力的解耦,从而保证了转矩以及推拉力参数测量的准确性。
扭矩承力臂与扭矩力传感器相连接,采用了差动测量的方式,能够有效提高测量精度,通过测量两侧力传感器在动力单元工况变化时的受力变化量,通过数学运算可得到电机的输出扭矩。承力臂与传感器安装图如图6所示。力传感器测量值与扭矩在上位机中的显示计算过程如式(1)所示。
Tm=Im_LRsK-Im_RRsK (1)
式中,Tm为在上位机上显示的扭矩测量值,Im_L和Im_R分别为左右两侧应变式拉压力传感器经变送器输出的4-20mA电流信号,Rs为调理电路中采样电阻阻值,K为上位机中转矩参数系数。
拉力测量相关部件安装方式如图7所示,拉力传感器固定于基座后端的垂直平面上,与拉力传力轴通过关节轴承连接,实现力解耦,传力轴与扭矩承力臂通过螺栓连接,此外,拉力传力轴通过一个直线轴承安装在基座之上,可以有效降低拉力传感器所受侧向力。推力测量值在上位机中的显示计算过程如式(2)所示。
Fm=ImRsK (2)
式中,Fm为在上位机上显示的拉力测量值,Im分别为安装于基座上应变式拉压力传感器经变送器输出4-20mA电流信号,Rs为调理电路中采样电阻阻值,K为上位机中推/拉力参数系数。
由于系统重量较大,应变式力传感器需要在进行安装后进行安装后标定校准,通过向测试系统施加额定力/力矩实现对测试系统的标定。
扭矩测试的标定校准装置结构设计与安装方式如图8所示,采用“天平式”的校准方式对转矩传感器进行校准,一端使用标准砝码施加力矩,另一端与测力计连接测定实际受力,计算可得实际扭矩;通过多次调整砝码重量从而改变力矩,比较实际力矩与传感器输出,形成标定文件,实现全量程测量值的标定校准。
推/拉力传感器的标定校准装置结构设计与安装方式如图9所示。除去标定装置还需一个标准S型推拉力测力计。通过螺纹旋入的方式对拉力传感器施加拉力,并用测力计测量施加的力。测力计与电机通过正反丝关节轴承相连,通过旋进旋出螺纹,实现力的加卸载,通过读取测力计的测量结果与拉力传感器的输出进行比对,实现推/拉力测量的标定与校准。
在如图10所示的某型电推进飞艇动力系统地面实验验证平台中,对有额定功率为140kW的电机和直径为68英寸的三叶螺旋桨所组成的电推进系统进行测试。通过本发明所设计的电推进飞机推进系统力学参数测试装置被用来实时测试及监控电推进系统的扭矩以及推/拉力参数,为整个电推进系统的地面验证提供支持。
通过实验,得到的不同油门量/电功率对应的扭矩波形如图11所示,推/拉力波形图12所示。从测试效果来看,该装置可以提供较为准确的实时力学测试参数。
采用地面电源供电,对有额定功率为140kW的电机,直径为68英寸的三叶螺旋桨所组成的电推进系统进行测试。不同电功率输入对应的推/拉力测量值如表1所示,不同电功率输入对应的扭矩测量值如表2所示:
表1不同电功率输入对应的推/拉力测量值
表2不同电功率输入对应的扭矩测量值
Claims (5)
1.一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,其特征在于,包括基座、拉力传感器、扭矩力传感器、扭矩承力臂、拉力传力轴、两个转接法兰、轴承支撑块和杆端关节轴承;
所述拉力传感器通过螺栓固定在基座后端的垂直平面上,与拉力传力轴一端通过杆端关节轴承连接;所述拉力传力轴通过轴承支撑块安装在基座上;
所述拉力传力轴另一端与扭矩承力臂一端通过一个转接法兰连接,该转接法兰与扭矩承力臂通过螺栓固定;
所述扭矩承力臂两个臂分别与两侧扭矩力传感器连接,两侧扭矩力传感器固定在基座上;
所述扭矩承力臂与被测电推进系统电机通过另一个转接法兰相连,该转接法兰与扭矩承力臂通过螺栓固定。
2.根据权利要求1所述的一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,其特征在于,所述扭矩承力臂与扭矩力传感器连接,采用差动测量的方式,测量两侧扭矩力传感器在动力单元工况变化时的受力变化量,通过数学运算得到电机的输出扭矩;扭矩力传感器测量值与扭矩的示算过程如式(1)所示:
Tm=Im_LRsK-Im_RRsK (1)
式中,Tm为扭矩测量值,Im_L和Im_R分别为两侧扭矩力传感器经变送器输出的4-20mA电流信号,Rs为采样电阻阻值,K为转矩参数系数。
3.根据权利要求1所述的一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,其特征在于,所述拉力传感器测量值的计算过程如式(2)所示:
Fm=ImRsK (2)
式中,Fm为拉力测量值,Im为拉力传感器经变送器输出4-20mA电流信号,Rs为采样电阻阻值,K为力参数系数。
4.根据权利要求1所述的一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,其特征在于,所述扭矩力传感器采用天平式校准方式进行校准,一端使用标准砝码施加力矩,另一端与测力计连接测定实际受力,计算得到实际扭矩;通过多次调整砝码重量从而改变力矩,比较实际力矩与传感器输出,形成标定文件,实现全量程测量值的标定校准。
5.根据权利要求1所述的一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置,其特征在于,所述拉力传感器在校准时,通过螺纹旋入的方式对拉力传感器施加拉力,并用标准S型推拉力测力计测量施加的力;测力计与电机通过正反丝关节轴承相连,通过旋进旋出螺纹,实现力的加卸载,通过读取测力计的测量结果与拉力传感器的输出进行比对,实现推/拉力测量的标定与校准。
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CN202310274658.0A CN116358757A (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种电推进飞行器电推进系统力学参数测试装置 |
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Cited By (1)
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CN117302540A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-12-29 | 成都飞机工业(集团)有限责任公司 | 一种飞机机翼折叠插销作动器试验测试装置及方法 |
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2023
- 2023-03-20 CN CN202310274658.0A patent/CN116358757A/zh active Pending
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