一种模拟支架干扰量变化的堵块移动装置的制作方法

本发明涉及试验空气动力学领域，具体为一种模拟支架干扰量变化的堵块移动装置。

背景技术：

尾支测力是高速风洞试验主要的方式之一，其中的支架系统是必备的试验装置。由于支架系统的存在，带来后体绕流场畸变和底压分布的改变，直接影响对模型前阻、巡航效率等的准确预测。目前，通常利用辅助支撑方式测量支架干扰量，并采用两步法试验，在试验后进行修正；但该试验方法仅考虑支架干扰对模型气动特性的宏观影响，忽略了底压变化以及模型后体流动特征等细节影响。进一步考虑包含支架在内的整套试验设备，由于不同设备间支架、流场、洞壁、波反射等数据差异因素较多，无法准确评估其中支架干扰对数据准度影响的具体量级，增大了不同试验设备间试验数据相关性分析的难度，一定程度上限制了试验数据的大胆使用。

为此，迫切需要一种新的装置和/或方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对目前两步法支架干扰评估辅助手段不多，以及不同风洞设备和支架形式的阻力数据相关性难以分析的现状，提供一种模拟支架干扰量变化的装置及其应用。将本申请应用于风洞试验中，在准确、可靠的基础上，通过少量试验车次尽快获得底压与模型阻力的对应关系，以利于支架干扰变化量的分析，以及不同风洞设备和支架形式的阻力数据相关性分析，具有较高的应用价值，有利于进一步提升风洞试验测定结果的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

模拟支架干扰量变化的堵块移动装置，包括安装单元、直线运动实现单元、导向限位单元、堵块单元、控制系统；

所述安装单元包括用于与支架相连的支架连接环、直接头卡环、连接杆、限位卡块，所述支架连接环、直接头卡环分别呈圆环形，所述支架连接环与直接头卡环平行设置，所述连接杆为至少两个，所述支架连接环与直接头卡环之间通过连接杆连接为一体并构成安装单元；

所述安装单元的一端通过支架连接环与支架的法兰相连，另一端通过直接头卡环安装于直接头的锥面，并通过连接杆连接支架连接环和直接头卡环形成安装平台；

所述直线运动实现单元包括轴承、丝杠、驱动组件、丝杠螺母，所述轴承为至少两个，所述轴承与一个连接杆相连且连接杆能为轴承提供支撑，所述丝杠与轴承活动连接且丝杠能相对轴承转动，所述驱动组件与丝杠相连且驱动组件能为丝杠相对轴承转动提供动力，所述驱动组件与控制系统相连，所述丝杠螺母设置在丝杠上；

所述导向限位单元包括第一导轨、滑块、第一堵块连杆、第二导轨、第二堵块连杆，所述第一导轨设置在与轴承相连的连接杆上，所述滑块与第一导轨相连，所述滑块与丝杠螺母相连且丝杠螺母能带动滑块相对第一导轨移动，所述滑块通过第一堵块连杆与堵块单元相连且滑块能为堵块单元运动提供动力，所述第二导轨与一个连接杆相连，所述第二堵块连杆的两端分别与第二导轨、堵块单元相连且第二导轨、第二堵块连杆能对堵块单元起到导向作用；

所述堵块单元包括堵块、滑动套筒，所述第一堵块连杆、第二堵块连杆分别与堵块相连，所述滑动套筒设置在堵块上。

所述安装单元还包括限位卡块，所述连接杆、限位卡块分别为两个，所述支架连接环上设置有与连接杆相配合的卡槽且连接杆能卡在支架连接环的卡槽内，所述限位卡块分别与连接杆、支架连接环相连且限位卡块能将连接杆与支架连接环卡接在一起。

所述支架连接环通过螺钉与支架的法兰相连。

所述驱动组件包括步进电机，所述步进电机与丝杠相连，所述步进电机与控制系统相连。

所述驱动组件还包括联轴器，所述步进电机通过联轴器与丝杠相连。

所述第一导轨为方形导轨。

所述第二导轨为抽屉导轨。

所述堵块单元还包括铜套，所述铜套设置在滑动套筒内。

前述装置的应用，将其用于风洞试验的支架干扰变化量评估中。

包括如下步骤：

（1）将堵块移动装置安装好；

（2）在吹风过程中，控制系统向驱动组件发出信号，驱动组件带动堵块移动至设定位置；根据设定要求，驱动组件带动堵块进行多次移动，直至堵块位置移动满足设定要求；

（3）在步骤2的堵块移动过程中，通过天平测量模型全机阻力，并通过模型尾腔内的底压管测量模型底压；基于步骤2中堵块的移动，得到相应的模型底压与模型全机阻力，并拟合出模型底压与模型全机阻力的函数关系，即可。

所述步骤2中，堵块由远及近向着支架移动，移动到位后停留设定时间，再进行下一次移动。

考虑借助底压和模型阻力进行分析，底压变化是支架干扰状态的反应；同时，由于支架系统堵塞前传效应影响模型后体表面压力分布，导致模型后体形状阻力改变。因此，模型后体形状阻力与底压之间的关联可反应支架干扰量。忽略堵塞前传效应对前机身形状阻力、模型表面摩阻的影响时，全机阻力可代表后体形状阻力。因此，发展一种模拟支架干扰量变化的堵块移动装置，进行变底压的模型阻力测量有助于分析支架干扰对底部绕流特征的影响，对于辅助两步法支架干扰评估，和指导不同风洞设备和支架形式的阻力数据相关性分析，具有重要的意义。

考虑到支杆具有较长的定直径段，因此，本申请采用堵块沿支杆滑动、步进电机与丝杠驱动和导轨导向传动的形式，来模拟支架干扰量变化。本申请测量方法的主要思路在于：将步进电机、丝杠、导轨等装置安装于直接头上，利用步进电机实现堵块位置的实时控制，通过本申请的堵块移动装置降低整体机构对流场的影响，基于丝杠、导轨和堵块铜套完成电机旋转运动至堵块直线运动的转换，实现变底压阻力测量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

（1）本申请的堵块移动装置包括安装单元、直线运动实现单元、导向限位单元和堵块单元、控制系统，整体结构精简，成本低；采用环绕直接头和支杆的安装方式，能够减小堵块移动装置对试验段主气流的影响，保证尾腔底压和阻力测试的准确性；采用步进电机，能够实现堵块轴向位移的精确控制，通过风洞一次启动即可获得底压和模型阻力的对应关系，提高测试效率和准确度；

（2）本申请通过铜套和导杆保证轴向移动的垂直度，不会产生由于机构受载导致的别卡，实用性强且安全性高；

（3）本申请的直线运动实现单元通过联轴器保证驱动传输，有效减小电机轴和丝杠安装偏差导致的同轴度偏差，控制方便且能够满足不同的试验条件；

（4）本申请的导向限位单元中的方形导轨和抽屉导轨分别安装于安装单元的上下连杆上，可根据设备实际需求选用不同行程的导轨，通用性强；

（5）本申请构思巧妙，设计合理，结构简单，使用方便，具有较高的应用价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为实施例1中堵块移动装置的整体结构示意图。

图2为图1中堵块移动装置另一角度的整体结构示意图。

图3为实施例1中步进电机与丝杠连接示意图。

图4为实施例1中丝杠螺母与方形导轨连接示意图。

图5为实施例1中的堵块移动装置在一次吹风试验后获得的底压与模型全机阻力关系图。

图6为堵块移动装置与支架前段、直接头和支杆的装配示意图。

图中标记：1、步进电机，2、限位卡块，3、方形导轨，4、滑块，5、丝杠螺母，6、第二堵块连杆，7、丝杠，8、堵块，9、滑动套筒，10、铜套，11、第一堵块连杆，12、直接头卡环，13、抽屉导轨，14、连接杆，15、支架连接环， 16、电机座，17、联轴器，18、轴承座，19、丝杠螺母座，20、支架前段，21、直接头，22、支杆。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，本实施例提供一种应用于2.4米跨声速风洞的模拟支架干扰量变化的堵块移动装置，其轴向移动行程为770mm，覆盖支杆等直径段一半以上的长度（如图6所示，本实施例的堵块移动装置与支架前段、直接头和支杆进行装配，支架前段、直接头、支杆依次相连为一体）。该堵块移动装置采用模块化设计，分为安装单元、直线运动实现单元、导向限位单元和堵块单元四个主要部分，还包括与直线运动实现单元相配合的控制系统。

本实施例中，安装单元包括用于与支架前段相连的支架连接环、直接头卡环、连接杆、限位卡块，连接杆、限位卡块分别两个，支架连接环、直接头卡环分别呈圆环形，支架连接环与直接头卡环平行设置，连接杆采用两个，支架连接环与直接头卡环之间通过连接杆连接为一体并构成安装单元。该结构中，支架连接环上设置有与连接杆相配合的卡槽，连接杆卡接在支架连接环的卡槽内，并通过限位卡块将连接杆与支架连接环卡接在一起，且连接杆分别设置在直接头卡环的外侧。

该装置中，支架连接环通过螺钉顶紧于支架前段的法兰上，直接头卡环通过内部锥面卡紧于直接头的锥面；连接杆一端卡紧于支架连接环的对应槽，另一端通过螺钉顶紧直接头卡环，并通过所述两个限位卡块进一步压紧连杆的近支架端，形成一个安装平台。该结构中，安装单元的一端通过支架连接环与支架的法兰相连，另一端通过直接头卡环安装于直接头的锥面，并通过连接杆连接支架连接环和直接头卡环形成安装平台。

本实施例中，直线运动实现单元包括轴承、丝杠、驱动组件、用于为驱动组件提供支撑的电机座、丝杠螺母。本实施例中，驱动组件包括步进电机、联轴器，步进电机通过联轴器与丝杠相连，步进电机与控制系统相连，步进电机通过电机座与安装单元相连。其中，轴承为两个，轴承与一个连接杆相连。丝杠的两端分别与轴承活动连接，丝杠螺母设置在该丝杠上，且螺母位于两个轴承之间。换言之，直线运动实现单元中丝杠的两端均安装于安装单元上，两端均有轴承，丝杠贯穿中间，起端安装电机座和步进电机。本实施例中，丝杠两端安装轴承，并配备轴承座，近支架端轴承座通过螺钉顶紧限位卡块，远支架端轴承座通过独立的固定座安装在连接杆上。步进电机与丝杠之间的连接形式见图3，连接方式依次为电机座、联轴器、轴承座、限位卡块，可以实现电机旋转运动至丝杠螺母直线运动的转换。该结构中，步进电机的电机轴与丝杠之间通过联轴器相连，避免机构不同轴导致的运动别卡。

本实施例中，导向限位单元由第一导轨、滑块、第一堵块连杆、第二导轨、第二堵块连杆构成。其中，第一导轨设置在与轴承相连的连接杆上，滑块与第一导轨相连，滑块与丝杠螺母相连，滑块通过第一堵块连杆与堵块单元相连，第二导轨与另一个连接杆相连，第二堵块连杆的两端分别与第二导轨、堵块单元相连。

本实施例中，第一导轨采用方形导轨，第二导轨采用抽屉导轨。导向限位单元安装于直接头的上下两平面，上平面为方形导轨，方形导轨的起端与丝杠螺母相连，方形导轨的末端通过滑块、堵块连杆与堵块相连；下平面为抽屉导轨，其末端通过第二堵块连杆与堵块相连。更具体地，方形导轨和抽屉导轨均通过螺钉顶紧安装单元，一个连接杆与方形导轨通过螺钉顶紧，另一个连接杆与抽屉导轨通过螺钉顶紧。滑块与丝杠螺母的连接形式见图4，连接方式为通过第一堵块连杆和丝杠螺母座相连。

本实施例中，堵块单元包括堵块、滑动套筒、铜套，第一堵块连杆、第二堵块连杆分别与堵块相连，滑动套筒设置在堵块上，铜套设置在滑动套筒内。其中，堵块单元的末端与套在支杆上的滑动套筒相连；堵块单元的滑动套筒与支杆间嵌入铜套，实现堵块单元沿支杆轴向的顺畅滑动。更具体地，滑动套筒套在支杆等直径段外，滑动套筒内部安装铜套，用于保证机构沿支杆轴向移动的垂直度，使用前需用黄油润滑，避免移测过程中机构受载后产生的别卡。堵块通过螺钉顶紧滑动套筒，第一堵块连杆、第二堵块连杆与堵块也通过螺钉顶紧。

为了达到更好的技术效果，安装单元包括限位装置（即本实施例中的限位卡块构成限位装置），限位装置通过安装在支架连接环上的限位卡块压紧连接杆，实现安装单元的准确定位。

本申请的堵块移动装置的工作流程如下：

（1）在地面将堵块单元安装好，包括堵块、滑动套筒、铜套；

（2）将支架连接环安装于支架法兰，通过螺钉顶紧，并将直接头卡环安装于直接头锥面，然后将连接杆和限位卡块安装好；

（3）将步进电机、丝杠、丝杠螺母安装好；

（4）将方形导轨和抽屉导轨安装于连接杆，通过螺钉顶紧，并进一步将滑块和第一堵块连杆安装好；

（5）将第（1）步安装好的堵块单元通过螺钉顶紧第一堵块连杆、第二堵块连杆。

图6给出了堵块移动装置与支架前段、直接头和支杆的装配示意图。

按上述步骤安装完成后，即可进行变底压的模型阻力测量试验，试验过程如下。

通过外部的电脉冲信号控制步进电机提供驱动力；一次吹风过程中，堵块由远及近向着支架运动共770mm，由等位移分为8个阶梯，每个阶梯运动到位后延时3s，再开始向下一个阶梯运动。吹风过程中，通过天平测量模型全机阻力，同时通过模型尾腔内的底压管测量模型底压（底压管共4根，深入尾腔的距离大于尾腔内支杆的半径，在支杆顶端布置一根，其他绕支杆周向依次间隔90°，以四根底压管压力的算术平均值作为最终值）。

本实施例中，获得对应8个阶梯的模型底压（底压与远场静压的比值）与模型全机阻力（无量纲化）的8组值，并可进一步拟合出底压与模型全机阻力的线性关系，如图5所示。

试验结果表明，采用本申请，通过少量试验车次，就能快速、准确获得底压与模型阻力的对应关系，有利于支架干扰变化量的分析，以及不同风洞设备和支架形式的阻力数据相关性分析。同时，基于该试验方法，所获得的数据受系统误差较小，试验结果准确、可靠。

以上所述仅为本发明的一种实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。即本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。