NF-3低速風(fēng)洞二元試驗(yàn)段上轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)研究

張理 肖春生 張習(xí)良

摘 要：新轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)力求做到較高的轉(zhuǎn)角精度，保證其旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)輕便、并具備更好的同心度和密封性，從而確保二元試驗(yàn)的精確度。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤門開合自動(dòng)化，使轉(zhuǎn)盤門開合更便捷、模型安裝更快捷，并節(jié)省試驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)盤門;平面軸承;蝸桿傳動(dòng);轉(zhuǎn)角精度;旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性;自動(dòng)化

ABSTRACT： The new turntable door is designed to achieve high angle accuracy，Ensure its smooth and light rotation， And it has better concentricity and sealing，So as to ensure the accuracy of binary test. At the same time the automatic opening and closing of turntable door is realized， It makes the turntable door opening and closing more convenient and the model installation more convenient， And save the preparation time of the test.

Key words： Turntable door; Plain bearing; worm drive; Angle accuracy;Rotational stability; automation.

引言

轉(zhuǎn)盤門是二元試驗(yàn)段里最重要的部件，在二元風(fēng)洞試驗(yàn)中，幾乎所有的翼型試驗(yàn)都要依賴轉(zhuǎn)盤門來完成。

在翼型試驗(yàn)中：首先是轉(zhuǎn)盤門的轉(zhuǎn)角精度、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性至關(guān)重要，其次是轉(zhuǎn)盤門旋轉(zhuǎn)時(shí)的降噪處理。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段：模型安裝時(shí)，為提高工作效率、節(jié)省時(shí)間和人力物力，轉(zhuǎn)盤門的開合便捷以及開合自動(dòng)化操作也比較重要。

1設(shè)計(jì)方案

1.1 NF-3風(fēng)洞二元試驗(yàn)段

NF-3風(fēng)洞二元試驗(yàn)段口徑為3020mm×1600mm×8000mm（寬×高×長），二元試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤門直徑為φ2000mm，試驗(yàn)段頂面和底面各有一個(gè)轉(zhuǎn)盤門。風(fēng)洞的動(dòng)力裝置為Z710-2型直流電機(jī)，其功率為1120kw，二元試驗(yàn)段最大風(fēng)速為130m/s。本文是對(duì)二元試驗(yàn)段上轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)。

1.2二元試驗(yàn)段上轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新轉(zhuǎn)盤門采用內(nèi)徑2074mm、外徑2402mm的大型精密平面軸承作為轉(zhuǎn)盤門的旋轉(zhuǎn)和支撐部件。該平面滾動(dòng)軸承置于二元試驗(yàn)段外部頂面上。其內(nèi)圈固定，外圈旋轉(zhuǎn)。

二元試驗(yàn)段新轉(zhuǎn)盤門可代替原轉(zhuǎn)盤門使用，相比原轉(zhuǎn)盤門，新轉(zhuǎn)盤門轉(zhuǎn)角精度更高、旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、噪音更低。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤門的開合自動(dòng)化。

1.2.1平面滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)

為了確保試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷霓D(zhuǎn)角精度，平面滾動(dòng)軸承選用精密級(jí)別的產(chǎn)品。平面滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈用螺栓固定在風(fēng)洞外頂面上，平面滾動(dòng)軸承外圈設(shè)計(jì)成渦輪，安裝蝸桿和電機(jī)后，直接形成蝸桿蝸輪傳動(dòng)，用于二元試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤門的旋轉(zhuǎn)。平面滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)成角接觸軸承，因角接觸軸承的軸向和徑向承載能力都比較大，所以，能夠滿足二元試驗(yàn)中模型的軸向和徑向受力要求。精密平面滾動(dòng)軸承同時(shí)也保證了轉(zhuǎn)盤門旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輕便和低噪音。轉(zhuǎn)盤門的角度旋轉(zhuǎn)精度由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和平面滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)精度保證（見圖一）。平面滾動(dòng)軸承的許可承載設(shè)計(jì)成10噸。

1.2.2定位鋼套的設(shè)計(jì)

平面滾動(dòng)軸承內(nèi)套裝一個(gè)圓形厚壁鋼套，即定位鋼套。定位鋼套的外沿與平面軸承的外圈上表面用螺栓固定，鋼套跟隨軸承外圈旋轉(zhuǎn)。鋼套的外壁與平面軸承內(nèi)圈的內(nèi)壁間留有1—2mm的間隙，以使鋼套旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)跟平面軸承內(nèi)壁產(chǎn)生接觸。轉(zhuǎn)盤門鑲嵌在鋼套內(nèi)和鋼套一起跟隨平面軸承外圈旋轉(zhuǎn)（見圖二）。

定位鋼套內(nèi)壁做成圓錐形，轉(zhuǎn)盤門外壁也做成相應(yīng)的圓錐形，轉(zhuǎn)盤門鑲嵌在定位鋼套內(nèi)，與鋼套內(nèi)壁嚴(yán)密接合。圓錐形設(shè)計(jì)更有利于轉(zhuǎn)盤門的對(duì)中精度、安裝精度和便捷開分。

定位套對(duì)轉(zhuǎn)盤門起到定位和固定的作用。在鋼套內(nèi)壁上沿風(fēng)洞軸線，互相垂直的兩個(gè)直徑位置分別做四個(gè)凹槽，在轉(zhuǎn)盤門對(duì)應(yīng)的位置上分別做四個(gè)凸塊，凹槽與凸塊配合，用來定位轉(zhuǎn)盤門，并起到保證轉(zhuǎn)盤門對(duì)中精度的作用。

1.2.3轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)厚度為189mm，中空。上、下分別用10mm的鋼板做頂板和底板。周圍一圈也用10mm的鋼板做壁板，中空部分焊接加強(qiáng)筋，以提高轉(zhuǎn)盤門的剛度和強(qiáng)度。轉(zhuǎn)盤門中心位置做一個(gè)φ100的孔，用于二元模型的安裝（見圖一）。

轉(zhuǎn)盤門頂部沿風(fēng)洞軸線兩邊，在φ1600處，各垂直伸出四根圓柱形立桿作為轉(zhuǎn)盤門的承吊桿，承吊桿頂頭各有四個(gè)圓孔，用于吊裝架上的伸縮桿插入。通過計(jì)算機(jī)操控吊裝架，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤門的自動(dòng)開分和安裝。

四個(gè)承吊桿選用直徑40mm的厚壁鋼管制成，長度為350mm。承吊桿深入轉(zhuǎn)盤門底部，與轉(zhuǎn)盤門的底板和頂板焊接相連。承吊桿頂部的四個(gè)圓孔朝向吊裝桿方向，孔內(nèi)襯青銅套，青銅套的內(nèi)徑為φ41mm。

1.2.4蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤門旋轉(zhuǎn)時(shí)，屬于低速重載、轉(zhuǎn)角精度要求較高的裝備。我們選用圓弧齒圓柱蝸桿傳動(dòng)。把蝸桿與軸做一體化設(shè)計(jì)。其主要特點(diǎn)是：效率高、一般可達(dá)90%以上;承載能力強(qiáng)，一般可較普通圓柱蝸桿傳動(dòng)高出50%-150%;其體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊。考慮到蝸桿傳動(dòng)功率比較大，速度不太高，故蝸桿選用30鉻錳硅鋼制造。因希望效率高、耐磨性好、故蝸桿螺旋齒面要求淬火和滲碳，硬度為45-55HRC（見圖一、圖二）。

平面滾動(dòng)軸承的齒輪外徑為φ2402mm。設(shè)計(jì)時(shí)，取渦輪的法線直徑為φ2380mm。所以，渦輪模數(shù)取大一點(diǎn)的值，我們這里取M=10。渦輪跟軸承是一體的，采用鑄鋼一次鑄成。為了節(jié)約成本和貴重材料，僅齒圈用青銅制造。

1.2.5小結(jié)

因?yàn)槠矫鏉L動(dòng)軸承是固定在風(fēng)洞外頂面上的，所以，吊裝模型時(shí)，只將轉(zhuǎn)盤門部分吊起移開。相對(duì)于原轉(zhuǎn)盤門，新轉(zhuǎn)盤門頂面上沒有渦輪蝸桿傳動(dòng)和支架等裝置，其自身重量減輕了許多。再加上轉(zhuǎn)盤門和鋼套的圓錐形設(shè)計(jì)，從而能夠讓轉(zhuǎn)盤門方便吊起、移出和輕松嵌入安裝。

由于使用了平面滾動(dòng)軸承，轉(zhuǎn)盤門的轉(zhuǎn)動(dòng)更加輕便，可以選用相對(duì)較小功率的交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，這能夠節(jié)省電機(jī)成本和用電量，還降低了噪音。

渦輪是在平面滾動(dòng)軸承的外圈上加工的，制造過程中節(jié)省了材料、簡化了加工工序和安裝步驟、降低了安裝難度，提高了安裝精度。使用起來精度更高、也更便捷。

因此，該裝置在滿足了試驗(yàn)要求、轉(zhuǎn)角精度的基礎(chǔ)上，減輕了轉(zhuǎn)盤門的重量，使轉(zhuǎn)盤門旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輕便、低噪音，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤門自動(dòng)開分和嵌入，更換模型時(shí)更加方便快捷。還節(jié)省了資金和材料。

轉(zhuǎn)盤門自重約為1.2噸。二元段最大風(fēng)速為130m/s，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)，轉(zhuǎn)盤門上承受的大氣壓力大約為2.6噸。再加上轉(zhuǎn)盤門的自重，二元段最大風(fēng)速時(shí)，平面軸承上承受的最大壓力約為3.8噸。而平面軸承的設(shè)計(jì)承重值為10噸（軸承廠根據(jù)用戶要求制作），所以，平面軸承的承載能力足夠。

1.3 上轉(zhuǎn)盤門開合自動(dòng)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤門的開合裝置由支撐軌道、移動(dòng)車、吊裝架組成。支撐軌道選用輕型工字鋼，工字鋼固定在風(fēng)洞頂面，位于風(fēng)洞軸線的兩側(cè)、并平行于風(fēng)洞軸線。移動(dòng)車由車架、滾輪、電機(jī)、減速機(jī)等組成;吊裝架由立柱、升降桿、伸縮桿、電機(jī)、卷筒、鋼絲繩等組成，立柱內(nèi)裝有工字導(dǎo)軌，吊裝桿沿工字導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)。

移動(dòng)車的兩個(gè)滾輪上分別裝有電機(jī)和減速機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)車運(yùn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)盤門的吊起、安裝機(jī)構(gòu)和移開裝置的電機(jī)，均由計(jì)算機(jī)控制。從而，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤門的吊起、安裝、移開、移回的自動(dòng)化操作。

1.3.1移動(dòng)車的設(shè)計(jì)

移動(dòng)車的車身用雙層10mm鋼板焊接而成。其車架底部裝四個(gè)滾輪，滾輪在軌道上運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)車西邊兩個(gè)滾輪上各裝一個(gè)伺服電機(jī)和一個(gè)減速機(jī)，用于移動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)軸通過減速機(jī)與滾輪軸連接，電機(jī)帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)車就沿軌道運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了將吊起的轉(zhuǎn)盤門移出或移入（見圖二）。

1.3.2吊裝架的設(shè)計(jì)

吊裝架包括四根立柱、兩根升降桿和兩根伸縮桿。

吊裝架的4根立柱插入移動(dòng)車的車身內(nèi)，分別立于移動(dòng)車下的軌道位置。每根立柱用兩根16#槽鋼做外框，槽鋼中間并排立兩根工字型導(dǎo)軌。

*升降桿上安裝導(dǎo)輪，導(dǎo)輪在工字型導(dǎo)軌上滾動(dòng)（見圖一），帶動(dòng)升降桿上下運(yùn)動(dòng)。

*伸縮桿安裝在升降桿內(nèi)，通過電機(jī)2控制，

后排的兩立柱內(nèi)，升降桿的下方，分別固定一個(gè)拉伸彈簧，用做吊起轉(zhuǎn)盤門的平衡力（拉伸簧拉力=300kg）。使得起吊轉(zhuǎn)盤門時(shí)比較平穩(wěn)。

前排的立柱里安裝滑輪和鋼絲繩。鋼絲繩一頭固定在吊裝桿上方，另一頭固定在移動(dòng)車上的卷筒上（2.5噸的卷揚(yáng)機(jī)）。使用鋼絲繩作為轉(zhuǎn)盤門的吊裝機(jī)構(gòu)，可以降低噪音。

這里重點(diǎn)給出了風(fēng)洞軸線南側(cè)的吊裝架設(shè)計(jì)，風(fēng)洞軸線北側(cè)還有一組對(duì)稱的相同吊裝架（此處不再贅述）。起吊轉(zhuǎn)盤門時(shí)，兩組吊裝架同步起吊。

1.3.3小結(jié)

電機(jī)1、電機(jī)2控制吊裝架上的吊裝桿和伸縮桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，吊裝架沿立柱里的導(dǎo)軌做上下運(yùn)動(dòng)，負(fù)責(zé)吊起、嵌入轉(zhuǎn)盤門;電機(jī)3控制移動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)方向，移動(dòng)車負(fù)責(zé)移出、返回被吊起的轉(zhuǎn)盤門。

計(jì)算機(jī)控制這三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤門的自動(dòng)吊起、移出和嵌入。

此裝置的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中節(jié)省了人力物力、提高了工作效率，同時(shí)，操作簡便、控制精度較高。也保證了轉(zhuǎn)盤門的安全吊起、安裝和移出移回。

2 控制系統(tǒng)

該轉(zhuǎn)盤門的轉(zhuǎn)角技術(shù)指標(biāo)為：α=-90o～+90o 精度為±1.5/

該轉(zhuǎn)盤門可用于翼型測壓試驗(yàn)和翼型震動(dòng)實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)形式，主要控制翼型角度。

翼型試驗(yàn)角度控制、轉(zhuǎn)盤門吊裝控制（吊裝桿升降控制、伸縮桿的控制）、移動(dòng)車運(yùn)行控制主要用到以下控制元件：

上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、角度控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)、諧波齒輪、延時(shí)器、編碼器、限位器等;

以上元件構(gòu)成了轉(zhuǎn)盤門上各種運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

*常規(guī)測壓翼型的角度控制：蝸桿蝸輪傳動(dòng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制?？刂平涣魉欧姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)、蝸輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤門轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，翼型就旋轉(zhuǎn)到指定角度。

*翼型震動(dòng)試驗(yàn)的控制：控制交流伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)蝸桿輪蝸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在一定的角度范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。翼型就隨轉(zhuǎn)盤門在風(fēng)洞中做往復(fù)震動(dòng)。

*吊裝架吊裝桿的升降控制：控制伺服電機(jī)1正轉(zhuǎn)，卷筒正轉(zhuǎn)，吊裝桿上升，控制伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)，卷筒反轉(zhuǎn)，吊裝桿下降。

*吊裝架伸縮桿的控制：控制伺服交流電機(jī)2正轉(zhuǎn)，伸縮桿伸出并插入轉(zhuǎn)盤門吊裝孔中;伺服交流電機(jī)2反轉(zhuǎn)，伸縮桿收回。

*轉(zhuǎn)盤門的吊起、嵌入控制：控制伺服電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，把吊裝桿移動(dòng)到承吊桿上孔位置，控制伺服電機(jī)2，伸縮桿伸出，插入轉(zhuǎn)盤門上承吊桿的圓孔中。伺服電機(jī)1正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，收回鋼絲繩，升降桿沿立柱上升，轉(zhuǎn)盤門吊起。伺服電機(jī)1反轉(zhuǎn)，卷筒放長鋼絲繩，升降桿下降，轉(zhuǎn)盤門嵌入定位鋼套中，伺服電機(jī)2反轉(zhuǎn)，抽回伸縮桿，轉(zhuǎn)盤門嵌入安裝完畢（見圖二）

*轉(zhuǎn)盤門的移開、返回控制：轉(zhuǎn)盤門被吊起后，控制伺服交流電機(jī)3正轉(zhuǎn)，移動(dòng)車西邊的兩個(gè)滾輪帶動(dòng)移動(dòng)車在支撐軌道上向西運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤門被移開。控制電機(jī)3反轉(zhuǎn)，移動(dòng)車帶著轉(zhuǎn)盤門回到平面滾動(dòng)軸承正上方。

3 保護(hù)措施

翼型旋轉(zhuǎn)角度和振動(dòng)角度的極限位置都裝有限位器，關(guān)鍵時(shí)刻可強(qiáng)行停止運(yùn)行。

吊裝架吊起、放下轉(zhuǎn)盤門的極限位置、移動(dòng)車的兩個(gè)極限位置也都裝有限位器。起到定位和沖程保護(hù)的作用。

同時(shí)，在程序上也設(shè)有軟限位保護(hù)。

4 結(jié)束語

此二元段上轉(zhuǎn)盤門的設(shè)計(jì)，具有以下四個(gè)特點(diǎn)：

* 結(jié)構(gòu)更簡單，旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，轉(zhuǎn)角精度較高，對(duì)中性、重復(fù)性好。

* 可進(jìn)行360 o旋轉(zhuǎn)，在渦輪磨損嚴(yán)重時(shí)，方便轉(zhuǎn)到新接觸面繼續(xù)使用，延長了蝸輪的使用壽命。

* 除翼型常規(guī)試驗(yàn)外，該轉(zhuǎn)盤門還可以直接進(jìn)行翼型震動(dòng)試驗(yàn)，省去了原有的一套震動(dòng)機(jī)構(gòu)和更換震動(dòng)試驗(yàn)專用轉(zhuǎn)盤門的繁瑣工作量。

* 轉(zhuǎn)盤門自重減輕，可實(shí)現(xiàn)開合自動(dòng)化，拆裝維護(hù)更加方便快捷。

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作者簡介：

張理1966年6月 男 陜西銅川 漢 本科 助理工程師 西北工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)系，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。