RU178060U1

RU178060U1 - Strain gauge dynamometer

Info

Publication number: RU178060U1
Application number: RU2017119956U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Иванович Лагутин; Александр Васильевич Макушин; Алексей Евгеньевич Надеждин; Дмитрий Степанович Сажин
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-03-21

Abstract

Полезная модель относится к области аэромеханических измерений и может быть использована в устройстве специализированных тензометрических динамометров (ТД) - т.н. тензометрических весов, применяемых для определения составляющих (компонент) векторов аэрогазодинамической силы и момента, действующих на модели испытуемых объектов (в том числе модели летательных аппаратов) в потоке аэрогазодинамических установок. Устройство содержит жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для взаимодействия с испытуемым объектом и жесткой опорой, в которых выполнены гнезда для размещения соединяющих их тензометрических элементов с упругой измерительной системой в виде связанных между собой посредством концевых и промежуточных оснований упругих параллелограммов с парами поперечных и продольных упругих балок, ориентированных в соответствии с заданной системой координат, и тензопреобразователи, соответственно установленные на чувствительных элементах параллелограммов и соединенные в мостовые измерительные схемы, силовводящий и силовыводящий элементы выполнены сменными в виде колец соответствующих диаметра, ширины и толщины, а тензометрические элементы чмслом два или более установлены с возможностью регулировки положения по продольной оси в их гнездах, расположенных с равным шагом на кольцах, при этом на боковых гранях упругих балок продольно ориентированных упругих параллелограммов размещены дополнительные тензопреобразователи, соединенные в дополнительные мостовые измерительные схемы. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности измерений ТД рассматриваемого типа. 11 ил.The utility model relates to the field of aeromechanical measurements and can be used in the device of specialized tensometric dynamometers (TD) - the so-called tensometric scales used to determine the components of the vectors of aerodynamic force and moment acting on the model of the test objects (including aircraft models) in the flow of aerodynamic installations. The device contains rigid force-introducing and force-releasing elements for interacting with the test object and a rigid support, in which nests are made for accommodating tensometric elements connecting them with an elastic measuring system in the form of elastic parallelograms connected with each other by means of end and intermediate bases with pairs of transverse and longitudinal elastic beams, oriented in accordance with a given coordinate system, and strain gauges, respectively mounted on sensitive elements parallelograms and connected to the bridge measuring circuits, the power input and power output elements are removable in the form of rings of the corresponding diameter, width and thickness, and tensile elements with a number of two or more are installed with the possibility of adjusting the position along the longitudinal axis in their nests located with equal pitch on the rings, while on the side faces of the elastic beams of longitudinally oriented elastic parallelograms are placed additional strain gauges connected to additional bridge measure nye scheme. The technical result consists in expanding the functionality and increasing the accuracy of measurements of APs of the type in question. 11 ill.

Description

Предложение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано в устройстве специализированных тензометрических динамометров (ТД) - т.н. тензометрических весов, применяемых для определения составляющих (компонент) векторов аэрогазодинамической силы и момента, действующих на модели испытываемых объектов (в том числе - модели летательных аппаратов) в потоке аэрогазодинамических установок.The proposal relates to the field of aeromechanical measurements and can be used in the construction of specialized tensometric dynamometers (TD) - the so-called tensometric weights used to determine the components of the vectors of aerogasdynamic force and moment acting on the model of the tested objects (including aircraft models) in the flow of aerodynamic installations.

Известны ТД (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев, И.Н. Панченко «Становление и развитие тематики многокомпонентных тензометрических весов», Материалы конференции по измерительной технике и метрологии для экспериментальных исследований летательных аппаратов, Жуковский, ЦАГИ, 2014, с. 23, 24, рис 4-6), содержащие жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для крепления испытываемой модели и установки ТД на опоре в рабочей части аэродинамической установки, и размещенные между ними тензометрические элементы компонентов аэродинамической силы и момента: пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил (нормальной Y и боковой Z), изгибающих (рыскания My и тангажа Mz) и крутящего (крена Мх) моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензопреобразователями, и измерительный элемент продольной силы X в виде упругих параллелограммов, состоящих каждый из жестких балок, соединенных между собой посредством поперечно расположенных упругих балок и встроенных в упругие параллелограммы чувствительных элементов с установленными на них тензопреобразователями.Well-known TDs (see VV Bogdanov, BC Volobuev, I.N. Panchenko “Formation and development of the subject of multicomponent tensometric scales”, Materials of the conference on measuring equipment and metrology for experimental research of aircraft, Zhukovsky, TsAGI, 2014, p. 23, 24, Fig. 4-6), containing rigid power-input and power-output elements for fastening the tested model and TD installation on a support in the working part of the aerodynamic installation, and tensometric elements of the aerodynamic force components and moments placed between them one: a five-component measuring element of transverse forces (normal Y and lateral Z), bending (yaw My and pitch Mz) and torque (roll Мх) moments, consisting of longitudinal beams with strain gauges installed on them, and a measuring element of longitudinal force X in the form of elastic parallelograms, consisting of each of the rigid beams, interconnected by means of transverse elastic beams and built-in elastic parallelograms of sensitive elements with strain gauges mounted on them.

Известен ТД (предназначенный для определения пространственно ориентированных опорных реакций: компонентов силы X, Y, Z и компонентов момента Mx, My, Mz), выбранный в качестве прототипа и содержащий жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для взаимодействия с испытываемым объектом и жесткой опорой, в которых выполнены гнезда для размещения соединяющих их тензометрических элементов с упругой измерительной системой в виде связанных между собой посредством концевых и промежуточных оснований упругих параллелограммов с парами поперечных и продольных упругих балок, ориентированных в соответствии с заданной системой координат, и тензопреобразователи, соответственно установленные на чувствительных элементах параллелограммов и соединенные в мостовые измерительные схемы (см. авторское свидетельство СССР №1821139 от 05.06.1991, МПК G01N 1/18, G01L 5/16).Known TD (designed to determine spatially oriented support reactions: components of the force X, Y, Z and components of the moment Mx, My, Mz), selected as a prototype and containing rigid power and power elements for interaction with the test object and a rigid support, in which made nests for placing strain gauge elements connecting them with an elastic measuring system in the form of elastic parallelograms connected with each other by means of end and intermediate bases with pairs of transverse and longitudinal elastic beams oriented in accordance with a given coordinate system, and strain gauges, respectively mounted on sensitive elements of parallelograms and connected to bridge measuring circuits (see USSR author's certificate No. 1821139 of 06/05/1991, IPC G01N 1/18, G01L 5 / 16).

Несмотря на различие в испытываемых объектах, указанное известное техническое решение по технической сущности и реализации (измерение компонентов пространственно действующих силы и момента относительно заданной точки с использованием нескольких тензометрических элементов) является наиболее близким к предложенному.Despite the difference in the test objects, the indicated well-known technical solution for the technical essence and implementation (measuring the components of the spatially acting force and moment relative to a given point using several tensometric elements) is the closest to the proposed one.

Недостатком известного технического решения являются обусловленные конструктивными особенностями ограниченность функциональных возможностей и недостаточная точностьA disadvantage of the known technical solutions are due to structural features limited functionality and lack of accuracy

Задачами, на решение которых направлено данное предложение, являются расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений ТД рассматриваемого типа.The tasks to which this proposal is directed are to expand the functionality and increase the accuracy of measurements of APs of the type in question.

Технический результат, достигаемый данным предложением, заключается в обеспечении возможности размещения испытываемых в потоке аэрогазодинамической установки моделей различного размера как снаружи ТД (в этом случае ТД находится внутри модели, например, летательного аппарата), так и во внутреннем канале ТД (в этом случае ТД находится вне модели, например, снаружи исследуемой модели обечайки, размещенной в проточном канале какого-либо другого объекта). Кроме того, обеспечивается возможность применения ТД с различным количеством измерительных элементов.The technical result achieved by this proposal is to enable the placement of models of various sizes tested in the flow of the gas-gas dynamic installation both outside the AP (in this case, the AP is inside the model, for example, of an aircraft) and in the internal channel of the AP (in this case, the AP is outside the model, for example, outside the studied shell model, located in the flow channel of any other object). In addition, it is possible to use TD with a different number of measuring elements.

Этот результат достигается тем, что в тензометрическом динамометре, содержащем жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для взаимодействия с испытываемым объектом и жесткой опорой, в которых выполнены гнезда для размещения соединяющих их тензометрических элементов с упругой измерительной системой в виде связанных между собой посредством концевых и промежуточных оснований упругих параллелограммов с парами поперечных и продольных упругих балок, ориентированных в соответствии с заданной системой координат, и тензопреобразователи, соответственно установленные на чувствительных элементах параллелограммов и соединенные в мостовые измерительные схемы, силовводящий и силовыводящий элементы выполнены сменными в виде колец соответствующего (типу и размерам испытываемой модели, величинам ожидаемых нагрузок) диаметра, ширины и толщины, а тензометрические элементы в количестве двух или более установлены с возможностью регулировки положения по продольной оси в их гнездах, расположенных с равным шагом на кольцах, при этом на боковых гранях упругих балок продольно ориентированных упругих параллелограммов размещены дополнительные тензопреобразователи, соединенные в дополнительные мостовые измерительные схемы.This result is achieved by the fact that in a strain gauge dynamometer containing rigid power-input and power-output elements for interaction with the test object and a rigid support, in which nests are made for accommodating the strain-gauge elements connecting them with an elastic measuring system in the form of elastic coupled to each other by means of end and intermediate bases parallelograms with pairs of transverse and longitudinal elastic beams oriented in accordance with a given coordinate system, and strain gauge whether, respectively mounted on the sensitive elements of parallelograms and connected to bridge measuring circuits, the power input and power output elements are interchangeable in the form of rings of the corresponding diameter (type and size of the tested model, expected load values), diameter and width, and tensometric elements in the amount of two or more installed with the possibility of adjusting the position along the longitudinal axis in their nests located with equal pitch on the rings, while on the side faces of the elastic beams longitudinally of oriented elastic parallelograms placed tenzopreobrazovatel further connected to additional bridge measuring circuits.

Сущность предложения заключается в создании кольцевой структуры динамометра с требуемыми внешними и внутренними габаритами с расширенным диапазоном применения (за счет сменяемости силовводящего и силовыводящего элементов и возможности использования различного числа тензометрических элементов) при организации из нескольких элементов единой шестикомпонентной динамометрической системы. При этом возможность крепления тензометрических элементов в требуемых положениях по продольной оси ТД обеспечивает возможность совмещения моментных точек Мт (точек, при приложении поперечной силы в которых датчики момента тангажа дают нулевое показание) всех тензометрических элементов в одной плоскости.The essence of the proposal is to create a ring structure of the dynamometer with the required external and internal dimensions with an extended range of applications (due to the interchangeability of the power and power elements and the possibility of using a different number of tensometric elements) when organizing several elements of a single six-component dynamometric system. At the same time, the possibility of fastening the strain gauge elements in the required positions along the longitudinal axis of the TD provides the possibility of combining the torque points Mt (points, when a transverse force is applied at which the pitch moment sensors give a zero reading) of all strain gauge elements in the same plane.

На фиг. 1 показан вид сверху варианта ТД с двумя тензометрическими элементами; на фиг. 2 - разрез ТД по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - виды тензометрического элемента сбоку; на фиг. 5 и 6 - вид тензометрического элемента сверху и его сечение Г-Г на фиг. 4; на фиг. 7-11 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.In FIG. 1 shows a top view of a variant of an AP with two strain gauge elements; in FIG. 2 - section TD on BB in FIG. one; in FIG. 3 and 4 are side views of the strain gauge element; in FIG. 5 and 6 are a top view of the strain gauge element and its cross section GG in FIG. four; in FIG. 7-11 - electrical connection diagrams of strain gauges.

Предложенный ТД содержит сменные кольцевые элементы - силовводящий 1 (для крепления испытываемого объекта, например, модели летательного аппарата) и силовыводящий 2 (для крепления ТД на какой-либо жесткой опоре, например, в подвеске рабочей части аэрогазодинамической установки). Эти элементы выполнены с гнездами 3, размещенными на них с равным шагом (180°, 120° или 90°) и соединены между собой посредством двух, трех или четырех тензометрических элементов 4, закрепляемых в гнездах 3. Установка тензометрических элементов 4 в гнездах кольцевых элементов 1 и 2 осуществляется с применением наборов сменных прокладок 5.The proposed TD contains interchangeable ring elements - power lead 1 (for attaching the test object, for example, an aircraft model) and power lead 2 (for fastening the TD on any rigid support, for example, in the suspension of the working part of the aerodynamic installation). These elements are made with sockets 3 placed on them with equal pitch (180 °, 120 ° or 90 °) and are interconnected by two, three or four strain gauge elements 4, fixed in the slots 3. Installation of strain gauge elements 4 in the slots of the ring elements 1 and 2 is carried out using sets of interchangeable gaskets 5.

Каждый из тензометрических элементов 4 выполнен в виде трубчатого корпуса, в стенках которого сформированы концевые 6, 7 и промежуточные 8, 9 жесткие элементы, а также две пары взаимно перпендикулярных упругих продольных балок 10 и 11 и четыре пары поперечных упругих балок 12, с помощью которых образованы два продольно ориентированных взаимно перпендикулярных упругих параллелограмма (обеспечивающих измерение поперечных сил Y и Z) в виде пар балок 10 и 11, одним концом закрепленных, соответственно, на концевых элементах 6 и 7 и присоединенных другим концом, соответственно, к промежуточным элементам 8 и 9, которые вместе с четырьмя парами поперечных упругих балок 12 образуют компактную кольцевую систему четырех поперечно ориентированных упругих параллелограммов (обеспечивающую измерение продольной силы X), размещенную в пространстве между балками продольных упругих параллелограммов.Each of the strain gauge elements 4 is made in the form of a tubular body, in the walls of which end 6, 7 and intermediate 8, 9 rigid elements are formed, as well as two pairs of mutually perpendicular elastic longitudinal beams 10 and 11 and four pairs of transverse elastic beams 12, with which two longitudinally oriented mutually perpendicular elastic parallelograms are formed (providing the measurement of the transverse forces Y and Z) in the form of pairs of beams 10 and 11, fixed at one end, respectively, at the end elements 6 and 7 and connected to the other the end, respectively, to the intermediate elements 8 and 9, which together with four pairs of transverse elastic beams 12 form a compact ring system of four transversely oriented elastic parallelograms (providing measurement of the longitudinal force X), placed in the space between the beams of longitudinal elastic parallelograms.

Необходимая упругость балок продольных и поперечных упругих параллелограммов и образование «чувствительных элементов» могут быть обеспечены за счет поперечных подрезов 13 (как у прототипа), напротив которых размещены тензопреобразователи Ri, включенные в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг. 7-11. Отметим, что «чувствительные элементы» могут быть выполнены и в виде встраиваемых в упругие параллелограммы дополнительных упругих элементов (например, как у рассмотренного выше аналога).The necessary elasticity of the beams of longitudinal and transverse elastic parallelograms and the formation of "sensitive elements" can be achieved by transverse undercuts 13 (as in the prototype), opposite which strain gauges Ri are included, included in the bridge measuring circuits in accordance with FIG. 7-11. Note that the “sensitive elements” can also be implemented as additional elastic elements embedded in elastic parallelograms (for example, as in the analogue discussed above).

На боковых гранях пар упругих балок 8 и 9 продольно ориентированных упругих параллелограммов размещены дополнительные тензопреобразователи Ri, соединенные в дополнительные мостовые измерительные схемы фиг. 10 и 11, обеспечивающие дополнительную регистрацию изгибающих моментов My и Mz.On the lateral faces of the pairs of elastic beams 8 and 9 of longitudinally oriented elastic parallelograms are placed additional strain gauges Ri connected to additional bridge measuring circuits of FIG. 10 and 11, providing additional registration of bending moments My and Mz.

Все мостовые измерительные схемы подключены к соответствующей аппаратуре, обеспечивающей их питание и регистрацию выходных сигналов.All bridge measuring circuits are connected to the appropriate equipment, providing them with power and registration of output signals.

Работа ТД осуществляется следующим образом.Work TD is as follows.

Внешняя пространственная нагрузка, являющаяся результатом воздействия рабочего потока аэрогазодинамической установки на испытываемый объект, прикладывается к кольцевому силовводящему элементу 1 и создает компоненты продольного X, поперечного Y и Z, изгибающего My и Mz и крутящего Mx нагружений, которые распределяются по соединенным с ним тензометрическим элементам, обозначенным буквами А и В, при этом действие продольной силы X в каждом тензометрическом элементе вызывает относительное продольное смещение пар балок 10 и 11, соответствующее смещение промежуточных элементов 8 и 9, изгиб четырех пар упругих балок 12 (преимущественно в местах подрезов 13) и сжатие-растяжение тензопреобразователей R1 - R8. При этом на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 7) появляется сигнал, пропорциональный величине продольной силы X, действующей на данный тензометрический элемент.The external spatial load resulting from the influence of the workflow of the aerodynamic-dynamic installation on the test object is applied to the annular force-introducing element 1 and creates components of the longitudinal X, transverse Y and Z, bending My and Mz and twisting Mx loads, which are distributed over the tensometric elements connected to it, denoted by the letters A and B, the action of the longitudinal force X in each tensometric element causes a relative longitudinal displacement of the pairs of beams 10 and 11, corresponding to the substitution of the intermediate elements 8 and 9, the bending of four pairs of elastic beams 12 (mainly in the places of undercuts 13) and compression-tension strain transducers R1 - R8. At the same time, at the output of the bridge measuring circuit (Fig. 7), a signal appears proportional to the magnitude of the longitudinal force X acting on the given tensometric element.

Действие нормальной силы Y вызывает плоскопараллельное смещение элементов 1 и 2 и соответствующее плоскопараллельное смещение концевых элементов 6 и 7. При этом происходит соответствующий изгиб пары балок 10 (преимущественно в местах подрезов 13), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R9 - R12 и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 8), пропорционального величине нормальной силы Y, действующей на данный тензометрический элемент.The action of the normal force Y causes a plane-parallel displacement of the elements 1 and 2 and a corresponding plane-parallel displacement of the end elements 6 and 7. This causes a corresponding bending of the pair of beams 10 (mainly in the places of undercuts 13), the corresponding compression-tension of the strain gauges R9 - R12 and the appearance of the output signal bridge measuring circuit (Fig. 8), proportional to the value of the normal force Y acting on a given strain gauge element.

Аналогично, действие боковой силы Z вызывает плоскопараллельное смещение элементов 1 и 2 и соответствующее плоскопараллельное смещение концевых элементов 6 и 7. При этом происходит соответствующий изгиб пары балок 11 (преимущественно в местах подрезов 13), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R13 - R16 и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 9), пропорционального величине боковой силы Z, действующей на данный тензометрический элемент.Similarly, the action of the lateral force Z causes a plane-parallel displacement of the elements 1 and 2 and a corresponding plane-parallel displacement of the end elements 6 and 7. This causes a corresponding bending of the pair of beams 11 (mainly in the places of undercuts 13), the corresponding compression-tension of the strain gauges R13 - R16 and the appearance of the signal at the output of the bridge measuring circuit (Fig. 9), proportional to the magnitude of the lateral force Z acting on the given strain gauge element.

Действие изгибающего момента My (или Mz) на тензометрический элемент вызывает изгиб пары балок 11 в плоскости действия силы Z (или 10 в плоскости действия силы Y), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17 - R20 (или R21 - R24), размещенных на боковых гранях пары этих балок, и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 10 или фиг. 11), пропорционального величине момента My (или Mz), действующего на данный тензометрический элемент.The action of the bending moment My (or Mz) on the strain gauge element causes the pair of beams 11 to bend in the plane of the force Z (or 10 in the plane of the force Y), the corresponding compression-tension of the strain gauges R17 - R20 (or R21 - R24) placed on the side faces pairs of these beams, and the appearance of a signal at the output of the bridge measuring circuit (Fig. 10 or Fig. 11), proportional to the value of the moment My (or Mz) acting on the given tensometric element.

Измеренные каждым тензометрическим элементом компоненты нагрузки позволяют определить суммарные нагрузки, действующие на весь тензометрический динамометр. Для рассмотренного случая применения двух тензометрических элементов (и принятой на фиг. 1 и 2 системы координат) суммарные нагрузки по шести компонентам силы X, Y, Z и компонентам момента Мх, My, Mz можно определить следующим образомThe load components measured by each strain gauge element make it possible to determine the total loads acting on the entire strain gauge dynamometer. For the considered case of using two tensometric elements (and the coordinate system adopted in Fig. 1 and 2), the total loads for the six components of the force X, Y, Z and the components of the moment Mx, My, Mz can be determined as follows

при этом координату точки приложения результирующей силы x_ц.д. (т.н. центра давления) по отношению к положению моментной точки Мт тензометрического динамометра можно определить как x_ц.д. = M_z/Y.while the coordinate of the point of application of the resulting force x _ts.d. (the so-called center of pressure) with respect to the position of the moment point Mt of the tensometric dynamometer can be defined as x _cd = M _z / Y.

Сменность силовводящего и силовыводящего кольцевых элементов с варьируемыми внешним и внутренним диаметрами, шириной и толщиной обеспечивает решение различных задач при размещении испытываемых в потоке аэрогазодинамической установки моделей различного размера как снаружи ТД (в этом случае ТД находится внутри модели, например, летательного аппарата), так и во внутреннем канале ТД (в этом случае ТД находится вне модели например, снаружи исследуемой модели обечайки, размещенной в проточном канале какого-либо другого объекта), который защищен от воздействия потока и соединен с моделью несколькими консолями. Возможность применения различного числа тензометрических элементов позволяет варьировать измерительный диапазон ТД. Возможность крепления тензометрических элементов в требуемых положениях по продольной оси ТД и совмещения их моментных точек в одной плоскости обеспечивает повышение точности определения положения центра давления.The interchangeability of the power input and power output ring elements with varying external and internal diameters, width and thickness provides a solution to various problems when placing models of different sizes tested in the flow of an aerogasdynamic installation both outside the AP (in this case, the AP is inside the model, for example, of an aircraft), and in the internal channel of the TD (in this case, the TD is outside the model, for example, outside the studied model of the shell located in the flow channel of some other object), which protects Searched from the impact of the flow and connected to the model by several consoles. The possibility of using a different number of strain gauge elements allows you to vary the measuring range of the TD. The ability to mount strain gauge elements in the required positions along the longitudinal axis of the TD and to combine their moment points in the same plane improves the accuracy of determining the position of the center of pressure.

Claims

A strain gauge dynamometer containing rigid force-introducing and force-releasing elements for interacting with the test object and a rigid support, in which nests are made for accommodating the strain gauge elements connecting them with an elastic measuring system in the form of elastic parallelograms connected with each other by means of end and intermediate bases with pairs of transverse and longitudinal elastic beams oriented in accordance with a given coordinate system, and strain gauges, respectively mounted on parallelogram measuring elements and connected to bridge measuring circuits, characterized in that the power input and power output elements are removable in the form of rings of corresponding diameter, width and thickness, and strain gauge elements of two or more are installed with the possibility of adjusting the position along the longitudinal axis in their nests located with equal pitch on the rings, while on the lateral faces of the elastic beams of longitudinally oriented elastic parallelograms, additional strain gauges, ennye into additional bridge measuring circuits.