CN214748753U - 一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，属于传感器环境模拟测试设备。具体包括六大部分：包括温控箱、温控箱支撑框架、天平支撑装置、六自由度调整加载头、砝码盘；被校准风洞天平安装在温控箱内，通过温控箱可以调节风洞天平周围的环境温度。温控箱支撑框架由方钢焊接而成，主要作用为留出加载空间和方便人工安装和操作。天平支撑装置和六自由度调整加载头可实现天平的六自由度姿态和载荷匹配关系的调整，并将砝码盘的连杆调整到合适位置。六自由度调整加载头实现在天平上进行6分量载荷同时加载。

Description

一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱

技术领域

本实用新型属于航空航天空气动力学实验测试技术领域，是一套完整的风洞天平温度影响参数校准和检测系统。

背景技术

风洞应变天平是航空航天飞行器风洞测力试验的核心仪器设备，在风洞流场中测量飞行器模型上的气动力。常规风洞天平用于测量全机/全弹的气动力，特种天平一般用来测量翼面、舵面、外挂物上面的气动力或者喷流等特殊工况下的气动力。为了准确模拟飞行器流场，风洞的流场总温一般为-50℃～1500℃，风洞天平在模型内部，周围的环境温度变化幅度一般为-50℃～100℃，使风洞天平材料的弹性模量和应变计、导线的电阻率产生变化，风洞天平的零载荷读数和灵敏度都会产生很大漂移。温度变化对风洞天平测力试验影响很大，温度修正的精准度、可靠度直接影响风洞天平测力试验的精准度、可靠度。

航空航天技术的发展，离不开风洞气动力测试技术的支撑。目前要想得到更多环境的飞行器受力情况，越来越多的实验要求风洞天平在各种温度下都能准确测量到飞行器的受力情况，因此，本实用新型研制出一套用于校准风洞天平在不同温度下的信号漂移参数和灵敏度漂移系数的高低温试验系统，可以用于修正风洞天平在不同温度下的试验数据。

风洞天平温度影响修正是风洞天平研制工作中重要的一项内容，以往的做法是通过增加温度补偿电阻丝减小风洞天平读数的温度漂移，不进行专门的校准，忽略天平灵敏度系数的漂移，风洞天平温度修正方法存在一定系统误差。随着航空航天飞机设计对风洞试验数据精准度的要求日益提高，风洞的温度影响成为了飞行器风洞试验中无法忽略的因素，国内外逐渐开展风洞天平温度影响校准工作。美国兰利中心、德国ETW的做法是将风洞天平静态校准系统中的加载头和天平置于温度试验箱中，在不同的温度下开展天平校准；日本JAXA的做法是将整个风洞天平静态校准系统置于一个可控温度环境中，调整整个空间的温度后进行天平校准。美国和德国做法的缺点是校准系统结构复杂，校准效率低；日本做法的缺点是整个校准系统质量和温控负载太大，能耗高，效率低。中国航天空气动力技术研究院在2015年被授权了应变天平温度影响校准系统(专利号：201310718447.8)，使用低温电机和机械装置，可以在低温试验箱中对风洞天平的轴向力和滚转力矩两个分量进行温度影响校准，缺点是-50℃以下电机功率和设备机械效率都严重降低，无法正常运行。国内其他单位目前没有公开发表的成熟的风洞天平温度影响系数校准系统。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种风洞天平温度影响参数的校准和检测系统，它能够有效、准确的获得温度对风洞天平零载荷读数和灵敏度系数的影响系数。

本实用新型解决技术的方案是：一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，该试验箱包括温控箱、温控箱支撑框架、天平支撑装置、六自由度调整加载头、砝码盘；

温控箱用于调节被测风洞天平的环境温度，温控箱支撑框架用于支撑温控箱，使得温控箱底部高于地面，留出加载空间和方便人工安装和操作；天平支撑装置的底座位于温控箱体外部，通过温控箱侧面和底面的预留孔伸入温控箱，并在温控箱内形成四自由度机构，被校准风洞天平一端固定安装在四自由度机构的输出端，所述四自由度包括水平方向和垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的平移自由度、绕水平方向和绕垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的旋转自由度；六自由度调整加载头安装在被校准风洞天平上，所述砝码盘通过连杆悬挂在六自由度调整加载头正下方，连杆穿过温控箱底部，使得砝码盘位于温控箱外，六自由度调整加载头与四自由度机构相互配合，使得砝码盘的位置保持不变；通过调整六自由度调整加载头与被校准风洞天平相对位置和姿态，将垂直于地面的砝码盘提供重力方向的载荷进行分解，为被校准风洞天平提供6自由度方向的分别加载和同时加载。

所述校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，还包括砝码加载装置，砝码加载装置自动升降，用于托举自动加载砝码，实现砝码盘上砝码的自动加载。

所述温度调整箱体温度调节范围为-80℃～130℃。

所述温控箱支撑框架由方钢焊接而成。

所述天平支撑装置包括底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器、水平圆柱轴、上立柱、下立柱、第二支座、第二线性模组、直角支座、第二蜗轮减速器；第一线性模组和第二线性模组均包括导轨和滑块，滑块能够相对于导轨沿直线滑动；

其中，底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器和下立柱位于温控箱的外部；焊接支架固定安装在底座上，第一线性模组导轨固定安装在焊接支架上表面，第一支座安装在第一线性模组滑块上，第一蜗轮减速器固定安装在第一支座上，水平圆柱轴的第一端固定连接在第一蜗轮减速器的输出轴上，第二端依次穿过第一支座中心通孔、温控箱的侧面的通孔进入温箱内部，之后穿过第二支座，与第二支座通过轴承连接；

下立柱垂直固定安装在底座上，上立柱一端固定连接下立柱，上立柱另一端穿过温控箱的底面进入温控箱内部，并与第二支座固定连接；

第二线性模组的导轨固定连接在水平圆柱轴的第二端端面上，直角支座包括相互垂直的两块平板，记为第一平板和第二平板，第一平板固定安装在第二线性模组的滑块上、第二蜗轮减速器选用法兰输出型，安装在第二平板上，被校准风洞天平安装在第二蜗轮减速器的输出轴上；

第一线性模组，为被校准风洞天平提供水平方向的平移自由度，第一蜗轮减速器和水平圆柱轴为被校准风洞天平提供绕水平方向的旋转自由度，第二线性模组为被校准风洞天平提供沿其轴向的平移自由度，第二蜗轮减速机为被校准风洞天平提供围绕其轴向的旋转自由度。

所述砝码加载装置包括砝码加载底板、螺旋升降机、第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴、砝码加载顶板；砝码加载底板用于整个装置的固定和支撑，螺旋升降机的底座固定安装在砝码加载底板上表面，螺旋升降机的活动端包括丝杠和螺母，螺母固定安装在砝码加载顶板下表面，第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴一端固定连接在底板上，另一端穿过砝码加载顶板四个角上的导向孔，轴身通过直线轴承与砝码加载顶板连接，螺旋升降机的丝杠旋转带动砝码加载顶板的升降，砝码加载顶板上面托举自动加载砝码。

所述六自由度调整加载头包括中心套筒、三自由度轴承组件、转接适配器；

被校准风洞天平固定在中心套筒内，三自由度轴承组件包括内环法兰、外环法兰、U型框架，内环法兰外圈与外环法兰内圈通过轴承连接，能够相对旋转；外环法兰沿直径方向外侧相对的位置通过轴承连接U型框架的两端，U型框架能够绕外环法兰直径旋转；装有被校准风洞天平的中心套筒穿过内环法兰中心孔，通过转接适配器与内环法兰固定连接；通过更换转接适配器或使用不同的转接适配器安装孔，能够调整中心套筒三个轴向相对于在三自由度轴承组件的相对位置，通过调整天平支撑装置的第一蜗轮减速器、第二蜗轮减速器，能够改变中心套筒及其内部的风洞天平的空间姿态角，进而改变重力方向与风洞天平本体坐标系各轴线的夹角和距离，其结果是改变砝码重力在风洞天平本体坐标系各轴线的投影分量大小和绕本体坐标系各轴线力矩的大小，即六自由度载荷分量。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本实用新型可以灵活快捷地对六分量风洞天平的零载荷读数温度漂移和灵敏度系数温度漂移进行校准；

(2)、本实用新型采用了温控箱内安装风洞天平，温控箱外加载的方法，规避了机电系统高/低温运行的技术难题，减小了温度调节的负载，实现了更大温度范围下的温度影响校准；

(3)、本实用新型通过天平支撑装置和六自由度调整加载头的组合，可以灵活调整幅度天平的姿态和位置，使用一个加载工装完成六分量载荷的同时加载，同时加载点位于砝码加载装置的正上方；

(4)、本实用新型的砝码加载装置位于温控箱的外面，操作更加灵活，可以临时手动加减砝码。

附图说明

图1为本实用新型实施例用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱立体轴侧图；

图2为本实用新型实施例天平支撑装置结构示意图；

图3为本实用新型实施例砝码加载装置结构示意图；

图4为本实用新型实施例六自由度调整加载头及砝码盘结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步阐述。

如图1所示，本实用新型提供了一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，该包括温控箱1、温控箱支撑框架2、天平支撑装置3、六自由度调整加载头5、砝码盘、砝码加载装置4。

温控箱1用于调节被测风洞天平的环境温度，温控箱支撑框架2用于支撑温控箱1，使得温控箱1底部高于地面，留出加载空间和方便人工安装和操作；天平支撑装置3的底座位于温控箱体1外部，通过温控箱侧面和底面的预留孔伸入温控箱，并在温控箱内形成四自由度机构，被校准风洞天平一端固定安装在四自由度机构的输出端，所述四自由度包括水平方向和垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的平移自由度、绕水平方向和绕垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的旋转自由度；六自由度调整加载头5安装在被校准风洞天平上，所述砝码盘通过连杆悬挂在六自由度调整加载头5正下方，连杆穿过温控箱底部，使得砝码盘位于温控箱1外，六自由度调整加载头5与四自由度机构相互配合，使得砝码盘的位置保持不变；通过调整六自由度调整加载头5与被校准风洞天平相对位置和姿态，将垂直于地面的砝码盘提供重力方向的载荷进行分解，为被校准风洞天平提供6自由度方向的分别加载和同时加载。

砝码加载装置4自动升降，用于托举自动加载砝码，实现砝码盘上砝码的自动加载。

上述试验箱中，温控箱1需要根据天平支撑装置3和砝码加载装置4的机械接口进行定制，试验箱内部工作空间尺寸建议不小于1500mmx 1500mm x1500mm，便于布置较大的风洞天平、加载头，并进行内部作业。温控箱的温度调整范围等技术指标可根据校准要求进行定制。

优选地，所述温控箱支撑框架2由方钢焊接而成，其温度调节范围为-80℃～130℃，温度调整速率2℃/分钟。温控箱支撑框架2的尺寸和结构可根据温控箱1、砝码加载装置4的尺寸参数和校准载荷范围进行调节。

如图2所示，所述天平支撑装置3包括底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器、水平圆柱轴、上立柱、下立柱、第二支座、第二线性模组、直角支座、第二蜗轮减速器；第一线性模组和第二线性模组均包括导轨和滑块，滑块能够相对于导轨沿直线滑动；

其中，底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器和下立柱位于温控箱1的外部；焊接支架固定安装在底座上，第一线性模组导轨固定安装在焊接支架上表面，第一支座安装在第一线性模组滑块上，第一蜗轮减速器固定安装在第一支座上，水平圆柱轴的第一端固定连接在第一蜗轮减速器的输出轴上，第二端依次穿过第一支座中心通孔、温控箱的侧面的通孔进入温箱内部，之后穿过第二支座，与第二支座通过轴承连接；

下立柱垂直固定安装在底座上，上立柱一端固定连接下立柱，上立柱另一端穿过温控箱的底面进入温控箱内部，并与第二支座固定连接；

第二线性模组的导轨固定连接在水平圆柱轴的第二端端面上，直角支座包括相互垂直的两块平板，记为第一平板和第二平板，第一平板固定安装在第二线性模组的滑块上、第二蜗轮减速器选用法兰输出型，安装在第二平板上，被校准风洞天平安装在第二蜗轮减速器的输出轴上；

第一线性模组，为被校准风洞天平提供水平方向的平移自由度，第一蜗轮减速器和水平圆柱轴为被校准风洞天平提供绕水平方向的旋转自由度，第二线性模组为被校准风洞天平提供沿其轴向的平移自由度，第二蜗轮减速机为被校准风洞天平提供围绕其轴向的旋转自由度。

天平支撑装置3可提供天平轴向、侧向、俯仰、滚转四个运动自由度，通过增大水平圆柱轴、上立柱、下立柱的直径可以有效提高结构刚度。

如图3所示，所述砝码加载装置4包括砝码加载底板、螺旋升降机、第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴、砝码加载顶板；砝码加载底板用于整个装置的固定和支撑，螺旋升降机的底座固定安装在砝码加载底板上表面，螺旋升降机的活动端包括丝杠和螺母，螺母固定安装在砝码加载顶板下表面，第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴一端固定连接在底板上，另一端穿过砝码加载顶板四个角上的导向孔，轴身通过直线轴承与砝码加载顶板连接，螺旋升降机的丝杠旋转带动砝码加载顶板的升降，砝码加载顶板上面托举自动加载砝码。

如图4所示，所述六自由度调整加载头5包括中心套筒、三自由度轴承组件、转接适配器；

被校准风洞天平固定在中心套筒内，三自由度轴承组件包括内环法兰、外环法兰、U型框架，内环法兰外圈与外环法兰内圈通过轴承连接，能够相对旋转；外环法兰沿直径方向外侧相对的位置通过轴承连接U型框架的两端，U型框架能够绕外环法兰直径旋转；装有被校准风洞天平的中心套筒穿过内环法兰中心孔，通过转接适配器与内环法兰固定连接；通过更换转接适配器或使用不同的转接适配器安装孔，能够调整中心套筒三个轴向相对于在三自由度轴承组件的相对位置，通过调整天平支撑装置的第一蜗轮减速器、第二蜗轮减速器，能够改变中心套筒及其内部的风洞天平的空间姿态角，进而改变重力方向与风洞天平本体坐标系各轴线的夹角和距离，其结果是改变砝码重力在风洞天平本体坐标系各轴线的投影分量大小和绕本体坐标系各轴线力矩的大小，即六自由度载荷分量。悬挂有砝码盘的连杆连接在U型框架底部中点位置。

上述砝码加载装置4可以如图3所示做成自动加载装置，也可以用简单的挂盘代替，做成人工加载装置。

六自由度调整加载头5可参考美国单矢量法做成图4所示结构的加载头，使用一个加载点对风洞天平进行六分量加载，也可以进行简化设计。

上述用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱的具体操作方法,包括以下步骤：

步骤一：在实验箱1内，将被校准风洞天平安装在天平支撑装置3的支撑端，在被校准风洞天平另一端安装好六自由度调整加载头5；

步骤二：调整天平支撑装置3的第一蜗轮减速器和第二蜗轮减速器，调整六自由度调整加载头5的水平安装孔，改变载荷六个分量之间的匹配关系；

步骤三；调整天平支撑装置3的第一线性模组滑块和第二线性模组滑块，使与六自由度调整加载头5连接的连接杆对准温控箱的预留孔，连接砝码加载装置；

步骤四：在室温条件下，通过砝码加载装置4对天平施加一组载荷，并同时记录下温度值与天平输出电压信号增量；

步骤五：调整温控箱1的温度，在不同温度下通过砝码加载装置4对天平施加与室温相同的载荷组，并记录温度值和天平输出信号增量；

步骤六：使用最小二乘法和高斯消元法等数学方法将温度、载荷、天平信号增量数据集中在一起进行处理，获得温度对零载荷读数和天平灵敏度系数的影响系数。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于包括温控箱(1)、温控箱支撑框架(2)、天平支撑装置(3)、六自由度调整加载头(5)、砝码盘；

温控箱(1)用于调节被测风洞天平的环境温度，温控箱支撑框架(2)用于支撑温控箱(1)，使得温控箱(1)底部高于地面，留出加载空间和方便人工安装和操作；天平支撑装置(3)的底座位于温控箱(1)外部，通过温控箱侧面和底面的预留孔伸入温控箱，并在温控箱内形成四自由度机构，被校准风洞天平一端固定安装在四自由度机构的输出端，所述四自由度包括水平方向和垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的平移自由度、绕水平方向和绕垂直于水平方向的被校准风洞天平轴向的旋转自由度；六自由度调整加载头(5)安装在被校准风洞天平上，所述砝码盘通过连杆悬挂在六自由度调整加载头(5)正下方，连杆穿过温控箱底部，使得砝码盘位于温控箱(1)外，六自由度调整加载头(5)与四自由度机构相互配合，使得砝码盘的位置保持不变；通过调整六自由度调整加载头(5)与被校准风洞天平相对位置和姿态，将垂直于地面的砝码盘提供重力方向的载荷进行分解，为被校准风洞天平提供6自由度方向的分别加载和同时加载。

2.根据权利要求1所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于还包括砝码加载装置(4)，砝码加载装置(4)自动升降，用于托举自动加载砝码，实现砝码盘上砝码的自动加载。

3.根据权利要求1所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于所述温控箱(1)温度调节范围为-80℃～130℃。

4.根据权利要求1所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于所述温控箱支撑框架(2)由方钢焊接而成。

5.根据权利要求1所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于所述天平支撑装置(3)包括底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器、水平圆柱轴、上立柱、下立柱、第二支座、第二线性模组、直角支座、第二蜗轮减速器；第一线性模组和第二线性模组均包括导轨和滑块，滑块能够相对于导轨沿直线滑动；

其中，底座、焊接支架、第一线性模组、第一支座、第一蜗轮减速器和下立柱位于温控箱(1)的外部；焊接支架固定安装在底座上，第一线性模组导轨固定安装在焊接支架上表面，第一支座安装在第一线性模组滑块上，第一蜗轮减速器固定安装在第一支座上，水平圆柱轴的第一端固定连接在第一蜗轮减速器的输出轴上，第二端依次穿过第一支座中心通孔、温控箱的侧面的通孔进入温箱内部，之后穿过第二支座，与第二支座通过轴承连接；

下立柱垂直固定安装在底座上，上立柱一端固定连接下立柱，上立柱另一端穿过温控箱的底面进入温控箱内部，并与第二支座固定连接；

第二线性模组的导轨固定连接在水平圆柱轴的第二端端面上，直角支座包括相互垂直的两块平板，记为第一平板和第二平板，第一平板固定安装在第二线性模组的滑块上、第二蜗轮减速器选用法兰输出型，安装在第二平板上，被校准风洞天平安装在第二蜗轮减速器的输出轴上；

第一线性模组，为被校准风洞天平提供水平方向的平移自由度，第一蜗轮减速器和水平圆柱轴为被校准风洞天平提供绕水平方向的旋转自由度，第二线性模组为被校准风洞天平提供沿其轴向的平移自由度，第二蜗轮减速机为被校准风洞天平提供围绕其轴向的旋转自由度。

6.根据权利要求2所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于所述砝码加载装置(4)包括砝码加载底板、螺旋升降机、第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴、砝码加载顶板；砝码加载底板用于整个装置的固定和支撑，螺旋升降机的底座固定安装在砝码加载底板上表面，螺旋升降机的活动端包括丝杠和螺母，螺母固定安装在砝码加载顶板下表面，第一圆柱轴、第二圆柱轴、第三圆柱轴、第四圆柱轴一端固定连接在底板上，另一端穿过砝码加载顶板四个角上的导向孔，轴身通过直线轴承与砝码加载顶板连接，螺旋升降机的丝杠旋转带动砝码加载顶板的升降，砝码加载顶板上面托举自动加载砝码。

7.根据权利要求1所述的一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，其特征在于所述六自由度调整加载头(5)包括中心套筒、三自由度轴承组件、转接适配器；

被校准风洞天平固定在中心套筒内，三自由度轴承组件包括内环法兰、外环法兰、U型框架，内环法兰外圈与外环法兰内圈通过轴承连接，能够相对旋转；外环法兰沿直径方向外侧相对的位置通过轴承连接U型框架的两端，U型框架能够绕外环法兰直径旋转；装有被校准风洞天平的中心套筒穿过内环法兰中心孔，通过转接适配器与内环法兰固定连接；通过更换转接适配器或使用不同的转接适配器安装孔，能够调整中心套筒三个轴向相对于在三自由度轴承组件的相对位置，通过调整天平支撑装置的第一蜗轮减速器、第二蜗轮减速器，能够改变中心套筒及其内部的风洞天平的空间姿态角，进而改变重力方向与风洞天平本体坐标系各轴线的夹角和距离，其结果是改变砝码重力在风洞天平本体坐标系各轴线的投影分量大小和绕本体坐标系各轴线力矩的大小，即六自由度载荷分量。

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