70kN載荷應變天平校準系統研制進展

謝 斌,史玉杰,易國慶,王 超

(中國空氣動力研究與發展中心,四川 綿陽 621000)

0 引 言

風洞天平是一種能感應和測量試驗模型上所受載荷的高精度傳感測量裝置。風洞天平的工作公式通過天平靜態校準獲得，天平靜態校準是天平設計過程中最重要的環節。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，需要研發天平校準裝置。

國內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，它的優點是結構簡單和方法準確、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點突出，但其校準過程相當繁瑣(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，國外開始研發六分量自動天平校準機，現已得到廣泛應用。如：美國宇航試驗聯盟(Aerospace Testing Alliance)的自動天平校準系統(ABCS)；德國達姆施塔特技術大學(TUD)為歐洲跨聲速風洞(ETW)設計的天平校準機；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。該校準裝置結構簡單，校準效率高，成本低。

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

1 主要技術指標

(1) 校準范圍：常規測力天平、半模型測力天平和傘天平等各型高速風洞天平。

(2) 校準載荷：如表1所示。

表1 校準系統設計校準載荷

(3)系統設計不確定度：見表2。

表2 校準系統設計不確定度

2 系統研制方案

70kN載荷應變天平校準系統基于天平坐標轉換原理，采用四自由度體軸系天平校準系統研制方案。校準中通過天平安裝姿態調整(天平體旋轉)，分別完成正、負升力或正、負側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果，再以縱橫向校準結果合成天平工作公式。

施力系統布局采用6加載點設計(見圖1)。各加載點均采用天平設計中心對稱布置，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。

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

圖1 校準施力系統布局圖

建成后的校準系統由復位補償機構、砝碼加載機構、校準加載頭和測控系統等構成，設備結構簡圖如圖2所示。

圖2 校準系統結構簡圖

3 關鍵設計

3.1復位傳動機構

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

天平姿態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。通過閉環控制，校準系統最終復位精度達到了0.002°，實現了自動精確復位控制。

3.2自補償砝碼加載機構

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

該設計相對于傳統的砝碼串加載機構，具有砝碼數量少，砝碼加載機構高度低，穩定性好，加載方式靈活等優點，同時膜片氣缸加卸載平穩，可維護性好。

圖3 砝碼加載機構

3.3加載頭及施力定位裝置設計

加載頭采用六加載點蝶形結構設計(見圖4)，加載頭與天平連接采用嵌套式圓柱法蘭結構，其中內法蘭通過錐與天平連接，外法蘭固定于加載頭體上，內外法蘭可相對轉動，并通過銷孔和螺栓連接定位，以滿足天平安裝姿態調整要求。該結構的特點是：整體質量小、剛度好、定位準確、便于安裝拆卸。根據不同載荷天平校準要求，研制30和70kN 2套天平校準加載頭。通過結構優化設計，加載頭質量控制小于校準載荷的6％，分別為190和360kg，最大形變為0.169mm，最大角位移為9.4″，安裝定位誤差小于18″。

圖4 校準加載頭結構簡圖

施力定位裝置采用雙十字鉸鏈結構(見圖5)。該結構由連接錐、雙鉸鏈、機械限位和關節軸承組成，材料選用馬氏體時效鋼F141，設計安全系數為3。相對于傳統的頂尖施力定位裝置，雙十字鉸鏈結構承載能力更強，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校準設備整體剛度和強度分析

校準設備整體剛度、強度分析在ANSYS分析軟件平臺上完成，計算結果為：設備最大位移為0.988mm，最大應力38MPa，如圖6所示。

圖6 校準系統強度和剛度分析圖

4 系統不確定度分析

綜合測量評定加載頭加工誤差、砝碼力值誤差、復位角度和位移誤差、天平安裝誤差、滑輪系統摩擦阻力影響、數據采集系統測量誤差、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。基于相互獨立不相關原則，采用均方根計算方法，合成標準不確定度。校準系統不確定評定結果如表3所示。

表3 校準系統不確定度

5 校準測試

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

圖7 70kN載荷應變天平校準系統

表4 天平校準結果

6 結 論

(1)基于天平坐標轉換原理的四自由度全自動體軸系天平校準系統設計方案，具有技術成熟度高、結構簡單、系統精度高、性能穩定好和成本低的特點。

(2) 二力桿傳動機構、雙導程渦輪蝸桿傳動精度高，可實現重載精確驅動。

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

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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：風洞應變天平研制與應用。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發展中心(621000)。E-mail: xiebin8877@163.com