70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)研制進展

謝 斌,史玉杰,易國慶,王 超

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

0 引 言

風(fēng)洞天平是一種能感應(yīng)和測量試驗?zāi)Ｐ蜕纤茌d荷的高精度傳感測量裝置。風(fēng)洞天平的工作公式通過天平靜態(tài)校準獲得，天平靜態(tài)校準是天平設(shè)計過程中最重要的環(huán)節(jié)。為了給天平施加校準載荷，測量天平被校準分量的信號輸出，需要研發(fā)天平校準裝置。

國內(nèi)外天平校準裝置主要有單分量人工砝碼加載天平校準臺、六分量自動天平校準機以及單矢量人工砝碼加載天平校準臺3種類型。單分量人工砝碼加載天平校準臺是國內(nèi)外較早廣泛采用的天平校準裝置，利用該種裝置能夠進行天平各元的逐一校準(即：“OFAT”一次一個變量的方式)和多分量校驗，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單和方法準確、校準精度高，是其他類型天平校準裝置比較參照的“標準”。盡管單分量人工砝碼加載天平校準臺優(yōu)點突出，但其校準過程相當(dāng)繁瑣(對每個校準點，天平軸系相對參考軸系都需要進行水平調(diào)整)，勞動強度大、校準周期長。

為克服單分量人工砝碼加載天平校準臺的缺點，20世紀80、90年代，國外開始研發(fā)六分量自動天平校準機，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。如：美國宇航試驗聯(lián)盟(Aerospace Testing Alliance)的自動天平校準系統(tǒng)(ABCS)；德國達姆施塔特技術(shù)大學(xué)(TUD)為歐洲跨聲速風(fēng)洞(ETW)設(shè)計的天平校準機；英國的Qinet iQ天平校準機(BCM)等。不同的自動天平校準機工作原理不盡相同，但總的來說，自動天平校準機是在模擬人工校準的過程，提高了天平校準效率。

在21世紀初，美國NASA蘭利研究中心發(fā)展了基于MDOE校準方法的單矢量人工砝碼加載天平校準臺。通過單矢量加載，就能夠獲得天平校準軸系中所需的六個校準載荷分量。該校準裝置結(jié)構(gòu)簡單，校準效率高，成本低。

為滿足2m量級高速風(fēng)洞測力試驗天平的靜態(tài)校準需求，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心研制了70kN量級載荷的應(yīng)變天平校準系統(tǒng)。為了保證天平公式的高精準度，該校準系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的單分量砝碼加載校準臺的方式，但需要提高其工作效率。設(shè)備研制基于天平單元校準方法，采用四自由度復(fù)位式復(fù)位體軸系設(shè)計方案。針對四自由度天平校準系統(tǒng)的特點，設(shè)計重點圍繞大載荷天平校準中砝碼自動加載機構(gòu)研制、精確施力復(fù)位和輕質(zhì)重載剛性加載頭設(shè)計3個關(guān)鍵技術(shù)問題展開。

1 主要技術(shù)指標

(1) 校準范圍：常規(guī)測力天平、半模型測力天平和傘天平等各型高速風(fēng)洞天平。

(2) 校準載荷：如表1所示。

表1 校準系統(tǒng)設(shè)計校準載荷

(3)系統(tǒng)設(shè)計不確定度：見表2。

表2 校準系統(tǒng)設(shè)計不確定度

2 系統(tǒng)研制方案

70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)基于天平坐標轉(zhuǎn)換原理，采用四自由度體軸系天平校準系統(tǒng)研制方案。校準中通過天平安裝姿態(tài)調(diào)整(天平體旋轉(zhuǎn))，分別完成正、負升力或正、負側(cè)力方向單方向加載校準(即：Y、MZ、X、MX或Z、MY、X、MX)，求取橫向和縱向天平校準結(jié)果，再以縱橫向校準結(jié)果合成天平工作公式。

施力系統(tǒng)布局采用6加載點設(shè)計(見圖1)。各加載點均采用天平設(shè)計中心對稱布置，其中1～4為法向加載點，通過各加載點載荷配置完成Y、MZ、MX或Z、MY、MX分量加載，5和6為軸向加載點，完成X分量加載。加載力源采用標準砝碼，對于施力方向的控制，法向施力點采用重力控制，軸向施力點采用滑輪組控制。

天平復(fù)位補償系統(tǒng)采用α、γ角度復(fù)位和法向、軸向線位移補償機構(gòu)，其中角度復(fù)位通過復(fù)位機構(gòu)帶動天平體運動實現(xiàn)，線位移復(fù)位采用砝碼加載機構(gòu)和滑輪組跟隨運動實現(xiàn)。天平變形測量采用高精度角度傳感器和位移傳感器。

圖1 校準施力系統(tǒng)布局圖

建成后的校準系統(tǒng)由復(fù)位補償機構(gòu)、砝碼加載機構(gòu)、校準加載頭和測控系統(tǒng)等構(gòu)成，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 校準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 關(guān)鍵設(shè)計

3.1復(fù)位傳動機構(gòu)

復(fù)位補償機構(gòu)包括α、γ角度復(fù)位機構(gòu)和法向、軸向位移跟隨補償機構(gòu)4部分。設(shè)計復(fù)位運動范圍為：α=-5°～5°；γ=0°～360°；LY=-200～350mm；LX=0～3000mm(兼顧安裝、調(diào)試以及維修要求)。設(shè)計中，α角度復(fù)位機構(gòu)重點解決重載(160000N·m)條件下設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性問題，γ角度復(fù)位機構(gòu)重點解決傳動間隙控制問題。針對上述問題，α復(fù)位機構(gòu)采用兩級渦輪蝸桿、滾珠絲杠和二力桿四級傳動設(shè)計，其中二力桿機構(gòu)設(shè)計有效地降低了驅(qū)動載荷，提高了設(shè)備整體剛度和運行穩(wěn)定性和可靠性；γ復(fù)位機構(gòu)采用兩級渦輪蝸桿傳動，其中渦輪蝸桿采用雙導(dǎo)程渦輪蝸桿，并設(shè)計消隙電機，以減小傳動間隙，提高復(fù)位傳動精度。通過測試，α和γ復(fù)位機構(gòu)總的傳動間隙誤差分別為0.68″和0.485″，優(yōu)于10″的傳動精度設(shè)計指標。

天平姿態(tài)角和位移測量控制分別選用美國Jewell公司LCF-2000-1雙軸傾斜儀和英國真尚ZLDS102-250-65-232-I-IN-AL-CG-2型激光位移傳感器，其檢測精度為0.001°和0.1mm。通過閉環(huán)控制，校準系統(tǒng)最終復(fù)位精度達到了0.002°，實現(xiàn)了自動精確復(fù)位控制。

3.2自補償砝碼加載機構(gòu)

砝碼加載機構(gòu)(見圖3)采用6套砝碼組設(shè)計，其中法向砝碼加載機構(gòu)設(shè)計為4套砝碼組，用以實現(xiàn)Y、MZ、MX、Z和MY5個分量載荷施加；軸向砝碼加載機構(gòu)設(shè)計為2套砝碼組，用以實現(xiàn)X分量載荷施加。砝碼組均采用單塊砝碼獨立控制設(shè)計，砝碼質(zhì)量5～500kg，砝碼質(zhì)量誤差小于0.005％，其中前端法向砝碼組設(shè)計選用特征砝碼13塊，可以實現(xiàn)5～2105kg不同砝碼質(zhì)量的自由組合，后端阻力砝碼組設(shè)計選用特征砝碼9塊，實現(xiàn)5～1105kg的不同砝碼質(zhì)量的自由組合。砝碼采用膜片氣缸驅(qū)動，通過膜片氣缸的頂升運動實現(xiàn)砝碼加卸載。砝碼吊桿采用分段設(shè)計，吊桿與砝碼采用錐盤連接定位。錐盤錐度設(shè)計為45°，具有自動導(dǎo)正功能。為滿足天平法向變形要求，砝碼加載機構(gòu)設(shè)計自動升降補償機構(gòu)，可實現(xiàn)與天平的法向隨動。

該設(shè)計相對于傳統(tǒng)的砝碼串加載機構(gòu)，具有砝碼數(shù)量少，砝碼加載機構(gòu)高度低，穩(wěn)定性好，加載方式靈活等優(yōu)點，同時膜片氣缸加卸載平穩(wěn)，可維護性好。

圖3 砝碼加載機構(gòu)

3.3加載頭及施力定位裝置設(shè)計

加載頭采用六加載點蝶形結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖4)，加載頭與天平連接采用嵌套式圓柱法蘭結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)法蘭通過錐與天平連接，外法蘭固定于加載頭體上，內(nèi)外法蘭可相對轉(zhuǎn)動，并通過銷孔和螺栓連接定位，以滿足天平安裝姿態(tài)調(diào)整要求。該結(jié)構(gòu)的特點是：整體質(zhì)量小、剛度好、定位準確、便于安裝拆卸。根據(jù)不同載荷天平校準要求，研制30和70kN 2套天平校準加載頭。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，加載頭質(zhì)量控制小于校準載荷的6％，分別為190和360kg，最大形變?yōu)?.169mm，最大角位移為9.4″，安裝定位誤差小于18″。

圖4 校準加載頭結(jié)構(gòu)簡圖

施力定位裝置采用雙十字鉸鏈結(jié)構(gòu)(見圖5)。該結(jié)構(gòu)由連接錐、雙鉸鏈、機械限位和關(guān)節(jié)軸承組成，材料選用馬氏體時效鋼F141，設(shè)計安全系數(shù)為3。相對于傳統(tǒng)的頂尖施力定位裝置，雙十字鉸鏈結(jié)構(gòu)承載能力更強，定位精度更高，可滿足重載條件下的精確施力定位要求。

圖5 十字鉸鏈施力定位裝置

3.4校準設(shè)備整體剛度和強度分析

校準設(shè)備整體剛度、強度分析在ANSYS分析軟件平臺上完成，計算結(jié)果為：設(shè)備最大位移為0.988mm，最大應(yīng)力38MPa，如圖6所示。

圖6 校準系統(tǒng)強度和剛度分析圖

4 系統(tǒng)不確定度分析

綜合測量評定加載頭加工誤差、砝碼力值誤差、復(fù)位角度和位移誤差、天平安裝誤差、滑輪系統(tǒng)摩擦阻力影響、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量誤差、天平供電電源等誤差源對天平各測量分量的相互耦合影響，完成各影響因素的不確定度評定?；谙嗷オ毩⒉幌嚓P(guān)原則，采用均方根計算方法，合成標準不確定度。校準系統(tǒng)不確定評定結(jié)果如表3所示。

表3 校準系統(tǒng)不確定度

5 校準測試

70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)(見圖7)于2011年12月在中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所成功投產(chǎn)應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果顯示：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、校準精度高，可操作和可維護性好。表4列出了4N6-100A和8N6-60A兩臺天平校準結(jié)果。通過8N6-60A天平采用不同校準設(shè)備(70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)和BCL-20000天平校準系統(tǒng))校準結(jié)果對比分析，2套校準公式6項主項系數(shù)差異小于0.05％；156項干擾系數(shù)差異小于0.1％的143項，小于0.2％的13項。分析結(jié)果驗證了70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)校準公式的可靠性。

圖7 70kN載荷應(yīng)變天平校準系統(tǒng)

表4 天平校準結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)基于天平坐標轉(zhuǎn)換原理的四自由度全自動體軸系天平校準系統(tǒng)設(shè)計方案，具有技術(shù)成熟度高、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定好和成本低的特點。

(2) 二力桿傳動機構(gòu)、雙導(dǎo)程渦輪蝸桿傳動精度高，可實現(xiàn)重載精確驅(qū)動。

(3) 基于獨立控制原理和膜片氣缸驅(qū)動技術(shù)的砝碼自動加載機構(gòu)，加載方式靈活，可大大減少砝碼數(shù)量，提高加載的穩(wěn)定性和效率。

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作者簡介:

謝斌(1975-)，四川綿陽人，高級工程師。研究方向：風(fēng)洞應(yīng)變天平研制與應(yīng)用。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail: xiebin8877@163.com