新型應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)加載裝置研究

田正波，楊家軍，謝 斌，史玉杰

(1 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

新型應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)加載裝置研究

田正波1，楊家軍1，謝 斌2，史玉杰2

(1 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

風(fēng)洞應(yīng)變天平是風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵測(cè)量裝置。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的砝碼自動(dòng)加載，通過分析對(duì)比現(xiàn)有砝碼自動(dòng)加載方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制采用膜片式夾緊氣缸作為砝碼升降機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件的砝碼加載裝置。加載裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

膜片式夾緊氣缸； 應(yīng)變天平校準(zhǔn)； 砝碼加載； 升降機(jī)構(gòu)

風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)加載是校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一[1]。為滿足2 m量級(jí)高速風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)天平的靜態(tài)校準(zhǔn)需求，本文針對(duì)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心70 kN量級(jí)載荷應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)特點(diǎn)，將靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼獨(dú)立加卸載方式應(yīng)用到風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)，并提出采用膜片式夾緊氣缸這種具有高效、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小巧等優(yōu)點(diǎn)的氣動(dòng)元件作為砝碼升降機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件，同時(shí)對(duì)其可行性和動(dòng)態(tài)性能作了分析。

1 應(yīng)變天平校準(zhǔn)和砝碼串

風(fēng)洞應(yīng)變天平是風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)中不可或缺的關(guān)鍵測(cè)量裝置，用于測(cè)量作用在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系目諝鈩?dòng)力載荷(包括法向力Y、軸向力X、側(cè)向力Z、俯仰力矩MZ、偏航力矩MY和滾轉(zhuǎn)力矩MX)。制約其測(cè)量精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素之一是校準(zhǔn)設(shè)備性能[2]。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有天平校準(zhǔn)設(shè)備按力值基準(zhǔn)可分為：基于砝碼的靜重式天平校準(zhǔn)設(shè)備和基于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的疊加式天平校準(zhǔn)系統(tǒng)。靜重式天平校準(zhǔn)設(shè)備是利用地球引力場(chǎng)中砝碼的重力產(chǎn)生力值，可直接溯源到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度較高。因此，70kN量級(jí)應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)采用靜重式砝碼串作為力值基準(zhǔn)。其校準(zhǔn)坐標(biāo)系定義見圖1。

1-校準(zhǔn)轉(zhuǎn)接頭；2-應(yīng)變天平；3-吊掛2(右前)；

2 凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是常用的高精度力傳感器計(jì)量設(shè)備，它計(jì)量的是單分量力傳感器，只用一套砝碼串即可實(shí)現(xiàn)功能。而天平校準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)量的是多分量(最多6個(gè)分量)風(fēng)洞應(yīng)變天平這種力傳感器，需要多套砝碼串以產(chǎn)生力和力矩。

按砝碼加卸載方式不同，現(xiàn)有靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可分為砝碼串連帶方式、機(jī)械拉桿方式和砝碼獨(dú)立加卸載方式這3種。其中，第三種方式可以根據(jù)所需力值的大小，單獨(dú)或同時(shí)加卸載砝碼，較前兩種方式，減少了人工操作和加卸載步驟，效率較高，可獲得更多的力值加載級(jí)數(shù)[3]。其砝碼加載方式結(jié)構(gòu)如圖2所示，可見由于其砝碼獨(dú)立加卸載需要多套復(fù)雜的伺服電機(jī)-凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，故其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。

1-砝碼；2-吊掛；3-吊掛托盤與砝碼之間的初始距離；4-托架；5-凸輪機(jī)構(gòu)；6，7-托架升降最大距離

3 膜片式夾緊氣缸的性能分析

氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為介質(zhì)來(lái)傳動(dòng)和控制機(jī)械的一門專業(yè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)柔軟操作[4]。膜片氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，密封性好，夾緊力大，動(dòng)作快。應(yīng)用氣動(dòng)技術(shù)和膜片式夾緊氣缸將大大簡(jiǎn)化砝碼獨(dú)立加載裝置的結(jié)構(gòu)，提高可靠性。

選用Festo公司的EV系列塊狀膜片式夾緊氣缸(圖3)作為砝碼升降執(zhí)行元件。

圖 3 膜片式夾緊氣缸結(jié)構(gòu)

該系列氣缸的最大工作氣壓為0.6MPa，表1列出了該系列氣缸的型號(hào)、最大行程和最大行程時(shí)的夾緊力等參數(shù)。

表 1 Festo EV系列參數(shù)

4 砝碼加載裝置

70kN量級(jí)載荷應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的砝碼加載裝置采用6套砝碼串，其中法向?yàn)?套砝碼串，用以實(shí)現(xiàn)Y、MZ、MX、Z和MY5個(gè)分量載荷施加，每塊砝碼對(duì)應(yīng)的膜片式夾緊氣缸具體型號(hào)和數(shù)量見表2。軸向?yàn)?套砝碼串，用以實(shí)現(xiàn)X分量載荷施加，其方案與法向砝碼串類似，不單獨(dú)闡述。

通過分析與研究，研制的砝碼獨(dú)立加載裝置結(jié)構(gòu)與圖2類似，但為了修正天平加載產(chǎn)生的法向變形，將4套砝碼串整體框架固定在一個(gè)自動(dòng)升降補(bǔ)償平臺(tái)上。裝置由整體框架、中心吊掛和砝碼等部分組成(圖4)。整體框架共13層，各層結(jié)構(gòu)一致，分別安裝一組膜片式夾緊氣缸，氣路相通，保證砝碼升降同步。裝置初始狀態(tài)是13塊砝碼全部被“充氣”的氣缸抬升，與中心吊掛脫離，加載某塊砝碼時(shí)，將對(duì)應(yīng)氣缸組“放氣”。砝碼卸載過程與之相反，即氣缸組“充氣”。

1-應(yīng)變天平及加載轉(zhuǎn)接頭；2-天平固定機(jī)構(gòu)；3-砝碼固定框架；4-自動(dòng)補(bǔ)償平臺(tái)

表 2 單套砝碼串中的砝碼和氣缸

5 膜片氣缸建模與仿真分析

5.1 熱力學(xué)能量方程

氣體流進(jìn)和流出腔室會(huì)導(dǎo)致容積和質(zhì)量的變化。根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律,氣缸的能量方程

V1=A1(x10+x)

式中:p1為氣缸壓力；qm為流入氣缸氣體的質(zhì)量流量；Ts為氣源氣體的溫度；V1為氣缸的容積；A1為氣缸有效作用面積；x為膜片法向位移；x10為氣缸余隙容積的當(dāng)量長(zhǎng)度；k為絕熱系數(shù)；R為氣體常數(shù)。

5.2 流量方程

根據(jù)F.E.Sanville[5]的研究，流過氣動(dòng)元件氣體的質(zhì)量流量

式中:Ae為氣缸進(jìn)氣有效斷面積；pu為氣源壓力；σ為壓力比； b為臨界壓力比。

5.3 運(yùn)動(dòng)方程

砝碼自重較氣缸大得多，因此忽略氣缸自重和膜片回復(fù)力對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)牛頓第二定律得到氣缸輸出端運(yùn)動(dòng)方程：

a=

其中，a為膜片加速度；mw為砝碼質(zhì)量；g為重力加速度；xmin為砝碼架支撐靜變形；KD為砝碼架支撐剛度系數(shù)；xmax為氣缸最大行程；KU為砝碼架限位剛度系數(shù)。

5.4Simulink環(huán)境下熱力學(xué)仿真

根據(jù)前面所建立模型，運(yùn)用Matlab軟件中的Simulink模塊，得到膜片氣缸輸出端(連同砝碼)的加速度a、速度和位移對(duì)應(yīng)時(shí)間t的曲線。軟件模塊框圖如圖5所示。

圖 5 熱力學(xué)仿真框圖

基于該仿真模型，分別對(duì)表2中的氣缸和對(duì)應(yīng)的砝碼進(jìn)行了仿真。所用參數(shù)見表3。

500kg砝碼頂升用時(shí)小于1s，仿真曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：膜片氣缸頂升砝碼狀態(tài)平穩(wěn)，效率高。在保證加卸載效率的前提下，可以通過改變氣缸進(jìn)氣有效斷面積Ae來(lái)調(diào)整膜片輸出端的速度和加速度[6]，進(jìn)一步改善加卸載砝碼對(duì)被校準(zhǔn)天平的沖擊。

表3 仿真模型所用參數(shù)

(a)Ae=0.1×10-6 m2

(b)Ae=0.5×10-7 m2

[1] 謝 斌，史玉杰，易國(guó)慶，等. 70kN載荷應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)研制進(jìn)展[J] .實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28(05)：71-75.

[2] 賀德馨.風(fēng)洞天平[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001:23-26.

[3] 張學(xué)成，周長(zhǎng)明，于立娟，等.力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加載過程砝碼倒換控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2006, 36(02):74-77.

[4] 吳曉明.現(xiàn)代氣動(dòng)元件與系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:7-8.

[5] 李建藩.氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1991:31-106.

[6] 蔡茂林.現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)理論與實(shí)踐第一講: 氣動(dòng)元件的流量特性, 液壓氣動(dòng)與密封[J].2007(02):44-48.

[責(zé)任編校： 張 眾]

Study on a New Type of Automatic Loading Device for Strain Gauge Balance Calibration

TIAN Zhengbo1, YANG Jiajun1, XIE Bin2, SHI Yujie2

(1SchoolofMechanicalSci.andEngin.,HuazhongUniv.ofSci.andEngin.,Wuhan430074,China;2ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

Considering the characteristics of the wind tunnel balance calibration system, the automatic weight loading is the most important part. The clamping modules are the first time to be used as the lifting device in the weight mechanism design for the strain gauge balance calibration system, with them the structure of weight loading mechanism is greatly simplified.

clamping modules; strain gauge balance; weight loading; lifting mechanism

2015-04-20

田正波(1984-)，男，湖北武漢人，華中科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論

1003-4684(2015)04-0089-03

TH138

A