結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段上壁面自動(dòng)頂蓋裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

熊建軍，梁 鑒，郭 龍，趙 照，冉 林

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000)

0 引言

風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力試驗(yàn)最常用、最有效的工具之一，一般包括低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、超高速風(fēng)洞等多種類型，低速風(fēng)洞通常指試驗(yàn)段風(fēng)速馬赫數(shù)小于0.4左右的風(fēng)洞，試驗(yàn)段是低速風(fēng)洞的核心部件，各種試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在此處進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)段一般有開口或閉口兩種形式。型號(hào)試驗(yàn)用低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸一般在4米量級(jí)左右，開口試驗(yàn)段雖然安裝模型比較方便，但開口試驗(yàn)段能量損失較大，因此現(xiàn)代很多大型低速風(fēng)洞都不采用開口的型式，一般采用閉口試驗(yàn)段。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭亓枯^大，如何方便試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)出安裝和拆卸是閉口試驗(yàn)段必須解決的技術(shù)問題。國內(nèi)外通常做法是在閉口試驗(yàn)段的上壁面中心開孔，設(shè)計(jì)可吊裝的蓋板，試驗(yàn)期間使蓋板嵌入試驗(yàn)段的上壁面中；安裝模型期間，用試驗(yàn)大廳行車將試驗(yàn)段上壁面的蓋板吊開，將蓋板放置到固定位置，再將模型從上壁面開口吊裝到試驗(yàn)段中心安裝，待試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b就位后，再將蓋板吊裝到上壁面回位，通過多顆螺釘緊固在上壁面[1-3]。整個(gè)過程通過手動(dòng)操作行車吊裝完成，對(duì)操作人員要求較高，自動(dòng)化程度低，安裝精度低。

結(jié)冰風(fēng)洞是一種性能復(fù)雜的大型特種風(fēng)洞，2013年我國首座大型結(jié)冰風(fēng)洞—3米×2米結(jié)冰風(fēng)洞建成，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段安裝在駐室內(nèi)，受駐室空間限制，無法在駐室頂部安裝行車吊車模型。試驗(yàn)段更換模型時(shí)，先用氣浮系統(tǒng)將試驗(yàn)段移到試驗(yàn)大廳平臺(tái)，將模型從試驗(yàn)段入口或出口進(jìn)入，待模型安裝就位后再將試驗(yàn)段移動(dòng)到駐室定位。國外同規(guī)模結(jié)冰風(fēng)洞的模型安裝方法類似，沒有設(shè)計(jì)移動(dòng)頂蓋[4]。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ?∶1的截?cái)嗄Ｐ突驅(qū)嵨铮庑纬叽绾椭亓慷驾^大。如果模型安裝和拆卸采用傳統(tǒng)的吊裝上壁板蓋板方法，自動(dòng)化程度低，安裝調(diào)試效率低。本文以結(jié)冰風(fēng)洞次試驗(yàn)段為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)段移動(dòng)頂蓋自動(dòng)開閉裝置，解決了大尺度、重載荷、高精度移動(dòng)頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)頂蓋自動(dòng)升降、平移，提高了試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q效率，具有載荷大、定位精度準(zhǔn)、自動(dòng)化程度高、操作效率高等特點(diǎn)[5]。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

根據(jù)結(jié)冰風(fēng)洞現(xiàn)場特點(diǎn)和試驗(yàn)需求，移動(dòng)頂蓋自動(dòng)開閉裝置設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

1)風(fēng)洞試驗(yàn)段上壁面移動(dòng)頂蓋實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)提升、平移到指定位置；

2)移動(dòng)頂蓋外形長4 m、寬3 m量級(jí)，重量近5 t；

3)移動(dòng)頂蓋提升機(jī)構(gòu)行程745 mm，平移機(jī)構(gòu)行程4 750 mm，定位精度1 mm；

4)移動(dòng)頂蓋從關(guān)閉狀態(tài)到提升、平移就位，操作時(shí)間不超過6 min；

5)移動(dòng)頂蓋關(guān)閉和提升并移開后，上壁面框架最大形變量小于1 mm；

6)移動(dòng)頂蓋提升、平移均具備手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)/自動(dòng)功能，自動(dòng)化程度高。

2 移動(dòng)頂蓋設(shè)計(jì)

結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)段包括試驗(yàn)段和過渡擴(kuò)散段兩部分，采用框架支撐的壁板結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)段框架采用兩邊為箱形縱梁主承力梁，其余為工字鋼梁結(jié)構(gòu)，框架通過螺栓連接、定位銷定位并承受剪切力。試驗(yàn)段壁板采用槽鋼焊接成井字梁結(jié)構(gòu)組成整體框架，主要由壁板框架、不銹鋼窗框、觀察窗玻璃和連接螺栓等組成；各壁板框架通過支架連接固定在整體框架上，安裝玻璃觀察窗的不銹鋼窗框通過螺釘固定在壁板框架上。為便于模型進(jìn)出試驗(yàn)段，充分利用試驗(yàn)大廳行車吊裝模型，移動(dòng)頂蓋基于試驗(yàn)段上壁面設(shè)計(jì)，頂蓋中心與試驗(yàn)段下壁面轉(zhuǎn)盤中心在一條軸線。試驗(yàn)段上壁面包括上壁板和上框架兩部分，根據(jù)上壁板和上框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及試驗(yàn)段進(jìn)出模型常用尺寸，確定試驗(yàn)段上壁面開孔尺寸為長4 m、寬2.7 m、厚0.3 m。由于開孔尺寸較大，結(jié)構(gòu)上必須保證上壁面的連接強(qiáng)度，保證移動(dòng)頂蓋關(guān)閉和打開前后上壁面力學(xué)性能和安全性不變；移動(dòng)頂蓋關(guān)閉時(shí)試驗(yàn)段上壁面內(nèi)部的平整性和密封性；移動(dòng)頂蓋打開時(shí)，頂蓋與試驗(yàn)段無任何機(jī)械干涉。移動(dòng)頂蓋外形尺寸為長3.85 m、寬2.68 m，與上壁板開孔基本一致，頂蓋四周焊接一圈鋼板，便于頂蓋關(guān)閉時(shí)的密封性；頂蓋頂部焊接一圈臺(tái)階面，頂蓋關(guān)閉到位后依靠頂部臺(tái)階面懸掛在上壁板框架上。上壁板與頂蓋的接觸面設(shè)計(jì)有導(dǎo)引錐度，便于頂蓋關(guān)閉操作時(shí)的精確定位。通過力學(xué)分析，頂蓋打開后提升到位、提升后平移到位、關(guān)閉到位三種狀態(tài)，主要受力點(diǎn)最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大形變量0.15 mm，其中頂蓋關(guān)閉到位后最大應(yīng)力和形變最小。試驗(yàn)段上壁面開孔和移動(dòng)頂蓋如圖1所示，移動(dòng)頂蓋三種狀態(tài)主要受力點(diǎn)最大應(yīng)力和形變的米塞斯等效應(yīng)力云圖如2所示。

圖1 試驗(yàn)段上壁面開口和移動(dòng)頂蓋

圖2 移動(dòng)頂蓋三種狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂蓋移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)頂蓋關(guān)閉/打開，包括兩個(gè)動(dòng)作：一是頂蓋提升，在無機(jī)械干涉條件下，提升機(jī)構(gòu)將頂蓋打開后垂直提升到固定高度，從試驗(yàn)段上壁面開孔處移出，避開試驗(yàn)段上壁面機(jī)械干涉，便于頂蓋平移；二是頂蓋平移，平移機(jī)構(gòu)將頂蓋從試驗(yàn)段上壁面中心水平平移到過渡擴(kuò)散段頂部，將試驗(yàn)段上壁面開孔作為模型進(jìn)出吊裝口。考慮頂蓋負(fù)荷較大，為保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和平整度，在試驗(yàn)段上壁面左右兩側(cè)設(shè)計(jì)了雙支撐軌梁的龍門結(jié)構(gòu)，支撐軌梁上安裝線性直線滑軌，移動(dòng)頂蓋通過4根絲杠懸掛在提升機(jī)構(gòu)。提升機(jī)構(gòu)可以使移動(dòng)頂蓋垂直升降，打開或關(guān)閉試驗(yàn)段上壁面吊裝口；提升機(jī)構(gòu)支撐在平移機(jī)構(gòu)上，通過平移機(jī)構(gòu)的作用，使移頂蓋垂直提升到一定高度后再平移到過渡擴(kuò)散段頂部，或者從過渡擴(kuò)散段頂部移動(dòng)到風(fēng)洞上壁面吊裝口[5-6]。頂蓋移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成如圖3所示。

1.上框架;2.上壁板;3.支撐軌梁;4.直線滑軌;5.平移電機(jī);6.提升電機(jī);7.主梁;8.副梁;9.提示絲杠;10.齒輪齒條;11.換響器;12.倒錐圓臺(tái);13.移動(dòng)頂蓋;14.螺旋升級(jí)機(jī)同步軸。

3.1 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)頂蓋外形尺寸大，重量超過3 t。提升機(jī)構(gòu)包括提升電機(jī)、錐齒輪減速機(jī)、水平長軸、T型1:1直角齒輪箱、兩側(cè)長軸、螺旋升降機(jī)、倒錐圓臺(tái)等。因?yàn)轫斏w跨度較大，考慮到穩(wěn)定性和長期工作在低溫高濕度環(huán)境，機(jī)構(gòu)采用四臺(tái)不銹鋼螺旋升降機(jī)同步提升，機(jī)械傳動(dòng)部件全部采用316不銹鋼材質(zhì)。提升電機(jī)通過錐齒輪減速機(jī)實(shí)現(xiàn)換向減速增扭，錐齒輪兩側(cè)輸出軸與水平長軸連接，通過T型直角齒輪箱實(shí)現(xiàn)換向傳動(dòng)，再通過兩側(cè)長軸，機(jī)械同步驅(qū)動(dòng)四軸螺旋升降機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)頂蓋垂直升降，使移動(dòng)頂蓋按照設(shè)定位移、設(shè)定速度沿垂直方向移動(dòng)。螺旋升降機(jī)帶自鎖功能, 保證斷電后頂蓋不會(huì)自動(dòng)墜落。提升機(jī)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 提升機(jī)構(gòu)原理圖

為解決四軸同步提升時(shí)絲杠間相互別勁問題，在螺旋升降機(jī)四根絲杠下端設(shè)計(jì)了圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的倒錐，安裝到頂蓋連接塊的圓臺(tái)空腔內(nèi)。倒錐圓臺(tái)外形尺寸略小于連接塊內(nèi)的圓臺(tái)空腔。裝配時(shí)，先將帶有圓臺(tái)空腔的4個(gè)連接塊通過螺釘固定到螺旋升降機(jī)四根絲杠軸向?qū)?yīng)頂蓋的位置，再將倒錐圓臺(tái)放入連接塊的圓臺(tái)空腔內(nèi)，依次將螺旋升降機(jī)四根絲杠末端從頂蓋的連接塊上方插入倒錐圓臺(tái)中心螺絲孔，在倒錐圓臺(tái)正下方設(shè)計(jì)一扳手著力部件，絲杠末端絲桿帶一螺母，通過扳手上下對(duì)擰，將絲杠和倒錐圓臺(tái)擰緊，確保絲杠與倒錐圓臺(tái)間不松動(dòng)。倒錐圓臺(tái)結(jié)構(gòu)原理與樣件如圖5所示。

1.圓臺(tái)空腔;2.升降平臺(tái);3.連接塊;4.絲杠末端;5.提升絲杠;6.倒錐圓臺(tái);7.圓臺(tái)螺紋孔;8.著力部件;9.鎖緊螺母。

螺旋升降機(jī)帶動(dòng)頂蓋提升時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)螺旋升降機(jī)機(jī)械同步旋轉(zhuǎn)，絲杠和倒錐圓臺(tái)帶動(dòng)頂蓋垂直升降。由于倒錐圓臺(tái)與連接塊內(nèi)圓臺(tái)空腔有一定間隙，各絲杠垂直度有一定的調(diào)整量。頂蓋關(guān)閉時(shí)，在自身重力和圓臺(tái)空腔導(dǎo)向下準(zhǔn)確定位，頂蓋依靠四周的導(dǎo)引錐度下沉到上壁面開孔框架內(nèi)。頂蓋關(guān)閉到位后依靠頂部臺(tái)階面懸掛在上壁面框架上，絲杠末端連接的倒錐圓臺(tái)從圓臺(tái)空腔間隙內(nèi)移開，不再額外受力，從而延長螺旋升降機(jī)壽命；同時(shí)在頂蓋與上壁面框架間設(shè)置密封圈，保證頂蓋關(guān)閉后試驗(yàn)段上壁面平整性和密封性。

3.2 平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平移機(jī)構(gòu)采用雙驅(qū)雙軌直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，包括主梁、副梁、平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。主梁和副梁平行布置，與試驗(yàn)段上框架龍門結(jié)構(gòu)的雙軌梁支撐垂直，增加平移機(jī)構(gòu)的受力面積和平穩(wěn)性。兩側(cè)支撐軌梁上設(shè)計(jì)了線性直線滑軌，支撐軌梁內(nèi)側(cè)下端安裝有齒條。平移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)提升機(jī)構(gòu)和移動(dòng)頂蓋通過多個(gè)滑塊壓在滑軌上，可以在直線滑軌上移動(dòng)。主梁和副梁分別穿過兩根提升機(jī)構(gòu)的絲杠，將頂蓋懸掛在平移機(jī)構(gòu)正下方。平移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、錐齒輪、長軸、齒輪等，伺服電機(jī)通過錐齒輪實(shí)現(xiàn)換向減速增扭，錐齒輪兩側(cè)輸出軸分別與長軸連接，長軸兩端齒輪與支撐軌梁內(nèi)側(cè)下端齒條嚙合，保證平移機(jī)構(gòu)在支撐軌梁兩側(cè)的直線滑軌同步移動(dòng)。平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

當(dāng)頂蓋提升到固定位置后，平移電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)移動(dòng)頂蓋沿直線滑軌水平移動(dòng)，使移動(dòng)頂蓋從風(fēng)洞上壁面中心移動(dòng)到過渡擴(kuò)散段頂部，為模型吊裝留出足夠空間；待模型安裝完畢，再將移動(dòng)頂蓋能從過渡擴(kuò)散段頂部移動(dòng)到風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤中心關(guān)閉。

4 頂蓋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頂蓋提升和平移分別采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由伺服驅(qū)動(dòng)器控制永磁同步交流伺服電機(jī)，分別組成頂蓋提升和平移兩個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)[6-7]。控制系統(tǒng)以S7-1200PLC為控制核心，完成外部控制信號(hào)接入、程序存儲(chǔ)、運(yùn)動(dòng)控制等功能。伺服驅(qū)動(dòng)器選用MDX61B系列，選配DFE32B通用型現(xiàn)場總線接口，通過以太網(wǎng)與PLC控制器和觸摸屏通訊。伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在控制柜內(nèi)，完成兩臺(tái)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制；觸摸屏安裝在控制柜面，用于現(xiàn)場人機(jī)交互操作；伺服電機(jī)安裝在試驗(yàn)段上壁面移動(dòng)頂蓋，工作在低溫、潮濕環(huán)境，最低環(huán)境溫度-20 ℃。提升機(jī)構(gòu)選用SEW錐齒輪伺服減速電機(jī)，型號(hào)為K47 CMP71L/PK/RH1M/SM1/OS1,減速比4.64∶1,額定輸出扭矩300 Nm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，250 Hz，額定電流9.4A，電機(jī)額定工作電壓400 V，電機(jī)額定功率4.1 kW,配置旋轉(zhuǎn)變壓器速度反饋；平移機(jī)構(gòu)選用SEW錐齒輪伺服減速電機(jī)，型號(hào)為K77 CM90M/TF/RH3M/SM50/2WE/OS1,減速比97.05∶1,額定輸出扭矩1 550 Nm，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 000 rpm，100 Hz，額定電流6.9 A，額定轉(zhuǎn)矩14.5 Nm，額定工作電壓400 V，額定功率3 kW,配置旋轉(zhuǎn)變壓器速度反饋。

控制系統(tǒng)組成如圖7所示，系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖7 移動(dòng)頂蓋控制系統(tǒng)組成

圖8 移動(dòng)頂蓋監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用

先后解決上壁面框架組裝、頂蓋兩側(cè)支撐導(dǎo)軌水平調(diào)試、限位開關(guān)安裝、線纜布置、機(jī)械找零、高精度位移控制等技術(shù)難題，上壁面頂蓋實(shí)現(xiàn)按鈕點(diǎn)動(dòng)、觸摸屏手動(dòng)/觸摸屏自動(dòng)三種控制模式。系統(tǒng)運(yùn)行前，完成運(yùn)行檢查，待移動(dòng)頂蓋具備運(yùn)行條件后，通過控制柜面按鈕和觸摸屏監(jiān)控界面操作，完成控制系統(tǒng)按鈕點(diǎn)動(dòng)、觸摸屏手動(dòng)、觸摸屏自動(dòng)三種控制模式設(shè)置。按鈕點(diǎn)動(dòng)模式用于移動(dòng)頂蓋升降、平移任意位置點(diǎn)動(dòng)控制，該模式不需要找機(jī)械零位；觸摸屏手動(dòng)模式用于移動(dòng)頂蓋升降、平移機(jī)構(gòu)已經(jīng)找到機(jī)械零位后，移動(dòng)頂蓋升降、平移機(jī)構(gòu)按照設(shè)定位移任意連續(xù)移動(dòng)；觸摸屏自動(dòng)模式用于移動(dòng)頂蓋升降、平移機(jī)構(gòu)已經(jīng)找到機(jī)械零位后，系統(tǒng)自動(dòng)完成“移動(dòng)頂蓋打開運(yùn)行”、“移動(dòng)頂蓋關(guān)閉運(yùn)行”全過程。

通過調(diào)試，上壁面頂蓋從關(guān)閉到完全打開用時(shí)6 min，一鍵操作，全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找零、升降和平移，升降位移745 mm，平移位移4 750 mm，頂蓋運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，操作方便。頂蓋關(guān)閉和打開過程如圖9所示。

圖9 移動(dòng)頂蓋關(guān)閉/打開過程

6 結(jié)束語

為了便于模型安裝，提出在試驗(yàn)段上頂面設(shè)計(jì)開孔和移動(dòng)頂蓋，利用行車吊裝模型的方法，研制了大尺度、重載荷、高精度移動(dòng)頂蓋自動(dòng)開閉裝置，包括上框架、上壁板、移動(dòng)頂蓋、平移機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和兩軸伺服控制系統(tǒng)。上壁板位于上框架的下方，上框架用于支撐和固定所述上壁板；移動(dòng)頂蓋安裝在上壁板開口處，安裝在提升機(jī)構(gòu)的下端，通過提升機(jī)構(gòu)使移動(dòng)頂蓋垂直升降，用于打開或關(guān)閉上壁板開口；平移機(jī)構(gòu)用于使移動(dòng)頂蓋從風(fēng)洞上壁面中心移動(dòng)到過渡擴(kuò)散段頂部，為模型吊裝留出足夠空間；控制系統(tǒng)用于系統(tǒng)運(yùn)行操作，提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平。系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行表明：風(fēng)洞試驗(yàn)段上壁面自動(dòng)頂蓋裝置達(dá)到設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)了大尺度、重載荷移動(dòng)頂蓋高精度自動(dòng)升降和平移控制，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，提高了試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q效率。