一种风洞天平单矢量多元加载套装置及其使用方法与流程

本发明涉及风洞天平实验设备技术领域，尤其涉及一种风洞天平单矢量多元加载套装置及其使用方法。

背景技术：

风洞天平在加工制作完成之后，进行风洞试验之前，需要进行静态校准获得其使用系数，天平静态校准按加载方式分单元校准和多元校准，其中，单元校准是指在其它分量为零(或不变)的情况下，分别依次对各分量单独加载，逐项求得天平使用系数；天平多元校准是对天平各分量同时加载，用多元校准算法获得天平使用系数。

虽然在天平单元校准中，各分量输出的线性、重复性、回零性、干扰量一目了然，但是，天平多元校准更能全面、准确、真实的模拟天平在风洞试验时的实际工作状态，并真实、全面的考察天平风洞试验时气动载荷不同组合和不同方向的复合效应，因此，获得的天平使用系数可信度更高。

单矢量多元校准是指在风洞天平上施加一个矢量载荷，通过改变天平体轴系与矢量载荷的相对方向、载荷作用点位置，使得矢量载荷在风洞天平体轴系上进行分解，产生所需要的六分量载荷。与传统具有多个施力单元的风洞天平多元校准设备相比，单矢量多元校准设备由于只有一个施力源，所以具有更少的误差源，而且设备的结构和控制更为简单，成本更低。在设备能力指标差异不大的情况下，造价一般为传统多元校准设备的20％左右或更低。

单矢量多元校准设备一般由天平姿态控制机构、单矢量多元加载套、天平姿态测量部件几部分组成，其中以nasa兰利研究中心开发的单矢量多元校准系统最为典型，如附图12所示，该系统所采用的单矢量多元加载套通过轴线方向安装滚动轴承和横向方向安装的轴承(图中未标出名称，为左右两侧圆盘结构)使得无论天平姿态(俯仰角度和滚转角度)如何变化，砝码载荷始终悬挂向下，加载板上设计有加载点位，在加载点位处，加载套内圈与外圈刚性连接，在加载外套圈下通过刀口结构挂有负载盘，砝码放于负载盘上，在加载套内圈前端和托盘上部有由挠性石英加速度计组成角度测量部件，分别用于测量天平姿态和载荷作用方向。

附图13为兰利研究中心的单矢量多元加载套的载荷分解原理图，通过对结构图和原理图分析后可知，由于天平安装在加载套内圈中，天平轴线与加载套内圈的轴向重合，所以在校准载荷控制参数g，α，β，lx，ly，lz中，ly为定值。而且，由于加载板的尺寸限制，以及加载点位通过螺钉或螺栓固连，固连结构具有一定尺寸，导致lx，ly的设计极其有限。并且，由于加载套外圈和砝码具有较大的重量，该部分重量通过加载板上的加载点位实现对加载套内圈乃至天平的传递，导致加载点位的螺钉结构或螺栓结构既需要精确定位又需要承受较大载荷，设计并不十分合理。

因此，针对以上不足，需要提供一种风洞天平单矢量多元加载套装置及其使用方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决因现有风洞天平的单矢量多元加载套装置结构不合理，导致无法对风洞天平进行精准的无级调节加载位置的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风洞天平单矢量多元加载套装置，包括基座、加载套外圈、加载套中圈、加载套内圈、加载套下摆和风洞天平，加载套外圈包括外套圈和内套圈，外套圈两侧与加载套下摆转动连接，内套圈转动连接在外套圈内，加载套中圈插接在内套圈中，加载套内圈滑动连接在加载套中圈内，加载套内圈外开设有螺纹，加载套内圈外螺纹连接有挡环，挡环侧面与加载套中圈抵接；风洞天平一端插接在加载套内圈内，风洞天平另一端外套接有支杆，支杆架设在基座上。

通过采用上述技术方案，使加载作用点位于外圈轴承轴线、横向轴承轴线、以及加载套内圈轴线交点处，为虚拟点，解决了载荷作用点精确定位和受载之间的矛盾；其次，由于装配关系中，天平轴线和加载套内圈轴线重合，使得载荷作用点始终在天平轴线上，相对于现有技术的单矢量多元加载套，在实现相同功能的前提下，减少了一项误差来源，实现在合理的结构下对风洞天平进行精准的无级调节加载位置。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载套内圈为方形柱体，所述螺纹为截断螺纹且开设在加载套内圈长度方向的四棱边上，加载套中圈为方形环状，加载套中圈内孔形状也为方形，加载套内圈插入加载套中圈的方形内孔中。

通过采用上述技术方案，配合加载套中圈不仅能避免加载套外圈在径向方向上转动，固定加载套外圈的旋转，还能使加载套外圈能沿加载套内圈长度方向平稳移动，并依靠挡环与螺纹的连接固定加载套外圈的移动，一举两得。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载套中圈的方形内孔外径大于加载套内圈，加载套中圈与加载套内圈的四个接触面之间间隙小于0.05mm。

通过采用上述技术方案，不仅能使加载套中圈更为顺滑的移动，还避免因间隙过大导致加载套外圈轴线不与风洞天平重合。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载套中圈与加载套内圈的四个接触面上均插接有铜条，铜条一侧面抵接有钢球，加载套中圈外螺纹连接有圆锥状尖头的螺钉，螺钉的锥面与钢球抵接，以使钢球推动铜条另一侧面与加载套内圈抵接。

通过采用上述技术方案，利用螺钉的小行程配合大锥角，使螺钉只需移动一小部分即可使螺钉推动钢球产生较大行程，进而使钢球能推动铜条抵接加载套内圈，实现加载套内圈和加载套中圈配合面之间的间隙调整。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载套中圈左右两侧面上架设有横向调节器，横向调节器包括横向双头推杆和双头螺母，横向双头推杆两端为燕尾结构，中部开设有螺纹，双头螺母螺纹连接在横向双头推杆中部，横向双头推杆两端分别插接在加载套中圈和内套圈上，双头螺母抵接在加载套中圈上。

通过采用上述技术方案，在需要调整加载套外圈与加载套内圈之间的相对横向位置时，将横向双头推杆装上，转动双头螺母，伸长或缩短横向双头推杆，实现加载套外圈与加载套内圈之间的相对移动。

作为对本发明的进一步说明，优选地，内套圈上固连有横向标尺，横向标尺的表头通过门字形的连接块卡接在加载套中圈外。

通过采用上述技术方案，实现测量加载套中圈在加载套外圈横向空腔中移动距离的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，加载套内圈远离支杆一端固连有天平姿态测量部件，天平姿态测量部件为挠性石英加速度计，加载套下摆底部开设有槽，所述槽内插接有气泡水平仪，挖空所述槽的质量与气泡水平仪的质量相同。

通过采用上述技术方案，设置挠性石英加速度计以测量风洞天平受载时所受的力矩大小，设置气泡水平仪以保证加载套下摆重心方向与风洞天平轴线方向处于同一竖直面上，并且使挖空的槽质量与气泡水平仪质量相同，保证在没有砝码载荷作用时，加载套下摆不会因重心偏移发生偏摆。

作为对本发明的进一步说明，优选地，基座两侧铰接有扇形的调节盘，调节盘外圆端面上设有弧状的外齿，两块调节盘之间通过桁架相互连接，支杆转动连接在所述桁架中部，调节盘铰接轴水平且与支杆轴线垂直，基座上固连有调节器，调节器套接在调节盘外圆端面外，调节器内转动连接有齿轮并与调节盘上的外齿啮合。

通过采用上述技术方案，利用调节器控制调节盘在基座上的转动，以实现控制风洞天平俯仰运动的作用。

作为对本发明的进一步说明，优选地，基座位于加载套外圈一侧架设有轴向测距装置，轴向测距装置包括丝杠、运动块和光栅尺，丝杠转动连接在基座上，丝杠轴线方向水平且与支杆轴线方向平行，运动块螺纹连接在丝杠上，光栅尺固连在运动块上，光栅尺长度方向与丝杠长度方向垂直，光栅尺靠近加载套外圈一端上固连有千分表，千分表的表头与加载套外圈抵接。

通过采用上述技术方案，测量时，先转动丝杠带动光栅尺尺头移动，使安装在测量端的千分表表头靠在加载套外圈前端面上，并使得千分表指针压缩一定距离，再移动加载套外圈在加载套内圈上的位置，然后重复上述过程，记下光栅尺的读数，最后两次读数相减即可得出加载套外圈的相对移动距离，实现对加载套外圈相对移动距离的测量。

本发明还提供一种风洞天平单矢量多元加载套装置的使用方法，包括以下步骤，

i.将风洞天平安装在加载套内圈和支杆上，并在加载套内圈外套接加载套中圈以及加载套外圈，并在加载套外圈外安装加载套下摆，随后将支杆插接在调节盘上并使风洞天平调整至水平；

ⅱ.观察气泡水平仪，调整外套圈与内套圈的相对位置，使气泡水平仪的气泡位于正中位置；

ⅲ.转动丝杠，使千分表的表头接触外套圈的前端面，并使表头压入千分表内0.5mm，此时读取光栅尺读数；

iv.计算轴向移动目标点的光栅尺读数，随后转动丝杠使光栅尺移动至计算位置；

ⅴ.松开位于加载套中圈两侧的挡环，移动加载套中圈和加载套外圈整体，使得加载套外圈的前端面大致接近千分表的表土，然后通过转动加载套中圈后侧面的挡环，微调加载套中圈和加载套外圈的整体位置，使得千分表的表头与外套圈前端面接触，并使千分表的表头依然伸入千分表内0.5mm，随后转动位于加载套中圈前端面的挡环，转动丝杆，使千分表远离加载套外圈；

ⅵ.读取横向标尺的读数，计算横向移动目标点的位置，松开螺钉并安装横向调节器，通过旋动双头螺母调节内套圈与加载套中圈之间的横向相对距离，当横向标尺的读数达到计算数值后，旋动螺钉使钢球推动铜条夹紧加载套中圈，随后拆下横向调节器；

ⅶ.利用调节盘和调节器使风洞天平调整至目标姿态，随后调整外套圈和内套圈的相对位置，使气泡水平仪的气泡位于正中位置，在加载连接端上挂载砝码，完成该加载点的加载，采集天平输出。

通过采用上述技术方案，可使风洞天平的轴线和加载套内圈轴线重合，使得载荷作用点始终在风洞天平轴线上，需要控制的距离参数仅lx和lz两项，相对于现有技术的单矢量多元加载套，在实现相同功能的前提下，减少了一项误差来源，使该装置的天平校准精度指标达到国军标先进指标，综合误差指标达到国军标合格指标。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过加载套内圈的截断螺纹和导轨面设计、配合加载套中圈和加载套外圈的结构设计，以及加载套下摆的结构设计，使得载荷作用点在外圈轴承轴线、横向轴承轴线、以及加载套内全轴线的交点处，为虚拟点，解决了载荷作用点精确定位和受载之间的矛盾；并使得载荷作用点可以在天平体轴系xz平面内，轴向lx移动范围内，横向lz移动范围内的任意一点精确定位，大大提高了校准输入载荷的设计域，进而简化了砝码重力载荷的分解公式，减少了误差来源，提高了校准可靠度。

附图说明

图1是本发明的总装效果图；

图2是图1中a的放大图；

图3是本发明的加载套结构图；

图4是本发明的加载套剖面图；

图5是本发明的加载套侧剖图；

图6是图5中b的放大图；

图7是本发明的加载套纵截面图；

图8是图7中c的放大图；

图9是本发明的加载套内圈结构图；

图10是本发明的加载套中圈结构图；

图11是本发明的天平资料测量部件结构图；

图12是现有技术的加载套结构图；

图13是现有技术的加载套加载原理图；

图14是本发明的加载套加载原理图。

图中：1、基座；11、调节盘；12、调节器；2、加载套外圈；21、外套圈；22、内套圈；23、外圈轴承；24、铜条；25、横向标尺；26、螺钉；27、钢球；3、加载套中圈；31、挡环；4、加载套内圈；41、天平姿态测量部件；5、加载套下摆；51、横向轴承；52、加载连接端；53、气泡水平仪；6、风洞天平；61、支杆；7、横向调节器；71、横向双头推杆；72、双头螺母；8、轴向测距装置；81、丝杠；82、运动块；83、光栅尺；84、千分表。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种风洞天平单矢量多元加载套装置，结合图1、图2和图4，包括基座1、加载套外圈2、加载套中圈3、加载套内圈4、加载套下摆5和风洞天平6，加载套中圈3插接在加载套外圈2中，加载套内圈4滑动连接在加载套中圈3内，加载套下摆5转动连接在加载套外圈2上，风洞天平6一端插接在加载套内圈4内，风洞天平6另一端外套接有支杆61，支杆61架设在基座1上。

结合图1、图2，基座1两侧铰接有扇形的调节盘11，调节盘11外圆端面上设有弧状的外齿，两块调节盘11之间通过桁架相互连接，支杆61转动连接在所述桁架中部，桁架内设有电机，以驱动支杆61转动；调节盘11铰接轴水平且与支杆61轴线垂直，基座1上固连有调节器12，调节器12套接在调节盘11外圆端面外，调节器12内转动连接有齿轮并与调节盘12上的外齿啮合，利用调节器12控制调节盘11在基座1上的转动，以实现控制风洞天平6在竖直面上进行俯仰运动的作用。

结合图3、图4，加载套外圈2包括外套圈21和内套圈22，内套圈22转动连接在外套圈21内，内套圈22和外套圈21之间插接有外圈轴承23，外圈轴承23采用斜置滚针轴承，不仅能使外套圈21更顺畅地转动，还能承受较大的砝码重力；外套圈21两侧转动连接有横向轴承51，加载套下摆5与横向轴承51转动连接，加载套下摆5为u型架，加载套下摆5底端中部开设有加载连接端52，加载连接端52上固连有挂绳，所述挂绳底部设有可放置砝码的托盘，以实现对风洞太平6的加载，加载套下摆5底部开设有槽，所述槽内插接有气泡水平仪53，挖空所述槽的质量与气泡水平仪53的质量相同，设置气泡水平仪53以保证加载套下摆5重心方向与风洞天平6轴线方向处于同一竖直面上，并且使挖空的槽质量与气泡水平仪53质量相同，保证在没有砝码载荷作用时，加载套下摆5不会因重心偏移发生偏摆，实现了加载套外圈2转动静止位置的可测可调，其测量精度可达到2″。

结合图3、图10，加载套中圈3为方形环状，内套圈22套接在加载套中圈3外，加载套中圈3内孔形状也为方形，加载套内圈4插入加载套中圈3的方形内孔中，加载套中圈3的方形内孔外径大于加载套内圈4，加载套中圈3与加载套内圈4的四个接触面之间间隙小于0.05mm，不仅能使加载套中圈3更为顺滑的移动，还避免因间隙过大导致加载套外圈轴线不与风洞天平重合；结合图9，加载套内圈4为方形柱体，加载套内圈4外开设有螺纹，所述螺纹为截断螺纹且开设在加载套内圈4长度方向的四棱边上，加载套内圈4外螺纹连接有两个挡环31，两个挡环31侧面分别与加载套中圈3两侧面抵接，设置带有螺纹的方形柱体状加载套内圈4，配合加载套中圈3不仅能避免加载套外圈2在径向方向上转动，固定加载套外圈2的旋转，还能使加载套外圈2能沿加载套内圈4长度方向平稳移动，实现了加载套外圈2及加载套中圈3在加载套内圈4上的任意位置的锁紧及微调，一举两得。

结合图5、图6，加载套中圈3与加载套内圈4的四个接触面上均插接有铜条24，铜条24一侧面抵接有钢球27，加载套中圈3外螺纹连接有圆锥状尖头的螺钉26，螺钉26的锥面与钢球27抵接，以使钢球27推动铜条24另一侧面与加载套内圈4抵接，利用螺钉26的小行程配合大锥角，使螺钉26只需移动一小部分即可使螺钉26推动钢球27产生较大行程，进而使钢球27能推动铜条抵接加载套内圈，实现加载套内圈4和加载套中圈3之间、加载套中圈3和加载套外圈2之间的配合松紧可调，并能避免加卸载砝码时结构之间可能产生的相互碰撞。

结合图7、图8，加载套中圈3左右两侧面上架设有横向调节器7，横向调节器7包括横向双头推杆71和双头螺母72，横向双头推杆71两端为燕尾结构，中部开设有螺纹，双头螺母72螺纹连接在横向双头推杆71中部，横向双头推杆71两端分别插接在加载套中圈3和内套圈22上，双头螺母72抵接在加载套中圈3上，在需要调整加载套外圈2与加载套内圈4之间的相对横向位置时，将横向双头推杆71装上，转动双头螺母72，令横向双头推杆71伸长或缩短，实现加载套外圈2与加载套内圈4之间的相对移动，且利用螺纹移动的方式，使加载套外圈2相对风洞天平6轴线距离可微调。

结合图1、图3，内套圈22上固连有横向标尺25，横向标尺25的表头通过门字形的连接块卡接在加载套中圈3外，实现测量加载套中圈3在加载套外圈2横向空腔中的精确测量，其测量精度达到0.02mm；加载套内圈4远离支杆61一端固连有天平姿态测量部件41，天平姿态测量部件41为挠性石英加速度计，设置挠性石英加速度计以测量风洞天平6受载时所受的力矩大小。

结合图1、图2，基座1位于加载套外圈2一侧架设有轴向测距装置8，轴向测距装置8包括丝杠81、运动块82和光栅尺83，丝杠81转动连接在基座1上，丝杠81轴线方向水平且与支杆61轴线方向平行，运动块82螺纹连接在丝杠81上，光栅尺83固连在运动块82上，光栅尺83长度方向与丝杠81长度方向垂直，光栅尺83靠近加载套外圈2一端上固连有千分表84，千分表84的表头与加载套外圈2抵接；测量时，先转动丝杠81带动光栅尺83尺头移动，使安装在测量端的千分表84表头靠在加载套外圈2前端面上，并使得千分表84指针压缩一定距离，再移动加载套外圈2在加载套内圈4上的位置，然后重复上述过程，记下光栅尺83的读数，最后两次读数相减即可得出加载套外圈2的相对移动距离，实现对加载套外圈2相对移动距离的测量，其测量精度达到0.02mm。

结合图3、图14，采用本发明的加载套结构，使加载作用点位于外圈轴承23轴线、横向轴承51轴线、以及加载套内圈4轴线交点处，为虚拟点，解决了载荷作用点精确定位和受载之间的矛盾；其次，由于装配关系中，天平轴线和加载套内圈4轴线重合，使得载荷作用点始终在天平轴线上，相对于现有技术的单矢量多元加载套，在实现相同功能的前提下，减少了一项误差来源，并简化了六维载荷分解公式，六维载荷分解公式为：

fa＝g·sinα；

fz＝gn·sinβ＝g·cosα·sinβ；

fn＝gn·cosβ＝g·cosα·cosβ；

mx＝-fn·lz；

mz＝fn·lz；

my＝-fz·lx+fa·lz；

其中，力、力矩方向按照图中天平体轴坐标系方向，遵循右手准则，以实现在合理的结构下对风洞天平进行精准的无级调节加载位置。

本发明还提供一种风洞天平单矢量多元加载套装置的使用方法，包括以下步骤，

i.将风洞天平6安装在加载套内圈4和支杆61上，并在加载套内圈4外套接加载套中圈3以及加载套外圈2，并在加载套外圈2外安装加载套下摆5，随后将支杆61插接在调节盘11之间的桁架上,并使风洞天平6调整至水平；

ⅱ.观察气泡水平仪53，调整外套圈21与内套圈22的相对位置，使气泡水平仪53的气泡位于正中位置；

ⅲ.转动丝杠81，使千分表84的表头接触外套圈21的前端面，由于千分表84表头内部有一弹簧，所以千分表84表头的压缩距离代表了测量时的压紧力，为了保证测量可靠又避免过大的压紧力造成结构形变引起测量误差，则使表头压入千分表84内0.5mm，此时读取光栅尺83读数a1；

iv.计算轴向移动目标点的光栅尺83读数a2，公式为a2＝a1+δlx随后转动丝杠81使光栅尺83移动至a2位置；

ⅴ.松开位于加载套中圈3两侧的挡环31，移动加载套中圈3和加载套外圈2整体，使得加载套外圈2的前端面大致接近千分表84的表土，然后通过转动加载套中圈3后侧面的挡环31，微调加载套中圈3和加载套外圈2的整体位置，使得千分表84的表头与外套圈22前端面接触，并使千分表84的表头依然伸入千分表84内0.5mm，随后转动位于加载套中圈3前端面的挡环31，转动丝杆81，使千分表84远离加载套外圈2；

ⅵ.读取横向标尺的读数b1，计算横向移动目标点的位置b2，其中b2＝b1+δlz，松开螺钉26并安装横向调节器7，通过旋动双头螺母72调节内套圈22与加载套中圈3之间的横向相对距离，当横向标尺的读数达到计算数值b2后，旋动螺钉26使钢球27推动铜条24夹紧加载套中圈3，随后拆下横向调节器7；

ⅶ.利用调节盘11和调节器12使风洞天平6调整至目标姿态，随后调整外套圈21和内套圈22的相对位置，使气泡水平仪53的气泡位于正中位置，在加载连接端52上挂载砝码，完成该加载点的加载，采集天平输出。

通过上述使用方法，可使风洞天平6的轴线和加载套内圈4轴线重合，使得载荷作用点始终在风洞天平6的轴线上，需要控制的距离参数仅lx和lz两项，相对于现有技术的单矢量多元加载套，在实现相同功能的前提下，减少了一项误差来源，使该装置的天平校准精度指标达到国军标先进指标，综合误差指标达到国军标合格指标。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。