新型應變天平校準系統自動加載裝置研究

田正波，楊家軍，謝 斌，史玉杰

(1 華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074； 2 中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

新型應變天平校準系統自動加載裝置研究

田正波1，楊家軍1，謝 斌2，史玉杰2

(1 華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074； 2 中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

風洞應變天平是風洞測力實驗中最關鍵測量裝置。為實現風洞應變天平校準系統的砝碼自動加載，通過分析對比現有砝碼自動加載方式的優缺點，結合應變天平校準系統特點，設計并研制采用膜片式夾緊氣缸作為砝碼升降機構執行元件的砝碼加載裝置。加載裝置具有結構簡單、體積小巧、性能穩定等優點。

膜片式夾緊氣缸； 應變天平校準； 砝碼加載； 升降機構

風洞應變天平校準系統的自動加載是校準系統設計重點和難點之一[1]。為滿足2 m量級高速風洞測力實驗天平的靜態校準需求，本文針對中國空氣動力研究與發展中心70 kN量級載荷應變天平校準系統特點，將靜重式力標準機砝碼獨立加卸載方式應用到風洞應變天平校準系統，并提出采用膜片式夾緊氣缸這種具有高效、低成本、結構簡單和體積小巧等優點的氣動元件作為砝碼升降機構執行元件，同時對其可行性和動態性能作了分析。

1 應變天平校準和砝碼串

風洞應變天平是風洞測力實驗中不可或缺的關鍵測量裝置，用于測量作用在風洞實驗模型上的空氣動力載荷(包括法向力Y、軸向力X、側向力Z、俯仰力矩MZ、偏航力矩MY和滾轉力矩MX)。制約其測量精準度的關鍵因素之一是校準設備性能[2]。

國內現有天平校準設備按力值基準可分為：基于砝碼的靜重式天平校準設備和基于標準測力儀的疊加式天平校準系統。靜重式天平校準設備是利用地球引力場中砝碼的重力產生力值，可直接溯源到質量標準，其準確度較高。因此，70kN量級應變天平校準系統采用靜重式砝碼串作為力值基準。其校準坐標系定義見圖1。

1-校準轉接頭；2-應變天平；3-吊掛2(右前)；

2 凈重式力標準機

凈重式力標準機是常用的高精度力傳感器計量設備，它計量的是單分量力傳感器，只用一套砝碼串即可實現功能。而天平校準系統計量的是多分量(最多6個分量)風洞應變天平這種力傳感器，需要多套砝碼串以產生力和力矩。

按砝碼加卸載方式不同，現有靜重式力標準機可分為砝碼串連帶方式、機械拉桿方式和砝碼獨立加卸載方式這3種。其中，第三種方式可以根據所需力值的大小，單獨或同時加卸載砝碼，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數[3]。其砝碼加載方式結構如圖2所示，可見由于其砝碼獨立加卸載需要多套復雜的伺服電機-凸輪傳動機構，故其結構復雜，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-凸輪機構；6，7-托架升降最大距離

3 膜片式夾緊氣缸的性能分析

氣動技術是以壓縮空氣為介質來傳動和控制機械的一門專業技術，可實現柔軟操作[4]。膜片氣缸結構緊湊，重量輕，密封性好，夾緊力大，動作快。應用氣動技術和膜片式夾緊氣缸將大大簡化砝碼獨立加載裝置的結構，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)作為砝碼升降執行元件。

圖 3 膜片式夾緊氣缸結構

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、最大行程和最大行程時的夾緊力等參數。

表 1 Festo EV系列參數

4 砝碼加載裝置

70kN量級載荷應變天平校準系統的砝碼加載裝置采用6套砝碼串，其中法向為4套砝碼串，用以實現Y、MZ、MX、Z和MY5個分量載荷施加，每塊砝碼對應的膜片式夾緊氣缸具體型號和數量見表2。軸向為2套砝碼串，用以實現X分量載荷施加，其方案與法向砝碼串類似，不單獨闡述。

通過分析與研究，研制的砝碼獨立加載裝置結構與圖2類似，但為了修正天平加載產生的法向變形，將4套砝碼串整體框架固定在一個自動升降補償平臺上。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，各層結構一致，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，將對應氣缸組“放氣”。砝碼卸載過程與之相反，即氣缸組“充氣”。

1-應變天平及加載轉接頭；2-天平固定機構；3-砝碼固定框架；4-自動補償平臺

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 熱力學能量方程

氣體流進和流出腔室會導致容積和質量的變化。根據系統熱力學第一定律,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量長度；k為絕熱系數；R為氣體常數。

5.2 流量方程

根據F.E.Sanville[5]的研究，流過氣動元件氣體的質量流量

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

5.3 運動方程

砝碼自重較氣缸大得多，因此忽略氣缸自重和膜片回復力對氣缸運動的影響。根據牛頓第二定律得到氣缸輸出端運動方程：

a=

其中，a為膜片加速度；mw為砝碼質量；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；xmax為氣缸最大行程；KU為砝碼架限位剛度系數。

5.4Simulink環境下熱力學仿真

根據前面所建立模型，運用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、速度和位移對應時間t的曲線。軟件模塊框圖如圖5所示。

圖 5 熱力學仿真框圖

基于該仿真模型，分別對表2中的氣缸和對應的砝碼進行了仿真。所用參數見表3。

500kg砝碼頂升用時小于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平穩，效率高。在保證加卸載效率的前提下，可以通過改變氣缸進氣有效斷面積Ae來調整膜片輸出端的速度和加速度[6]，進一步改善加卸載砝碼對被校準天平的沖擊。

表3 仿真模型所用參數

(a)Ae=0.1×10-6 m2

(b)Ae=0.5×10-7 m2

[1] 謝 斌，史玉杰，易國慶，等. 70kN載荷應變天平校準系統研制進展[J] .實驗流體力學，2014，28(05)：71-75.

[2] 賀德馨.風洞天平[M].北京:國防工業出版社,2001:23-26.

[3] 張學成，周長明，于立娟，等.力標準機加載過程砝碼倒換控制方法[J].吉林大學學報(工學版),2006, 36(02):74-77.

[4] 吳曉明.現代氣動元件與系統[M]. 北京：化學工業出版社，2014:7-8.

[5] 李建藩.氣壓傳動系統動力學[M].廣州:華南理工大學出版社,1991:31-106.

[6] 蔡茂林.現代氣動技術理論與實踐第一講: 氣動元件的流量特性, 液壓氣動與密封[J].2007(02):44-48.

[責任編校： 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，華中科技大學碩士研究生，研究方向為機械設計及理論

1003-4684(2015)04-0089-03

TH138

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