CN104089770A - 非对称双臂离心加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称双臂离心加载装置，包括一个与桨毂连接的立柱、立柱上设置的两个侧臂，每个侧臂末端各有一个重锤，两个侧臂及其上面的重锤通过立柱绕桨毂转轴旋转时，产生的扭力弯矩和推力弯矩方向相反，转叶力矩和离心力方向相同，调整两个侧臂的长度以及与转轴的夹角，可精确模拟桨毂所受的离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩三个力矩。在离心加载试验过程中，可以利用本加载装置精确模拟（平均误差<1%）桨毂所受到的桨叶离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩所有三个方向的力矩。从而可有效地对桨毂组件，特别是对连接桨毂与桨叶的叶根螺栓的强度进行加载试验验证。

Description

非对称双臂离心加载装置

技术领域

本发明涉及一种模拟螺旋桨在流体中工作的受力状态的装置，尤其是能精确模拟螺旋桨所受的离心力及其所受所有三个方向力矩的离心加载装置。

背景技术

桨毂是调距桨装置设计中需要重点考虑的构件。能够对桨毂强度设计有效验证的试验主要有两种：水中全尺寸模拟试验和陆地离心加载重块模拟试验。水中全尺寸模拟试验所得结果真实、准确、有效，但是试验费用高、试验周期长并且对水体深度、流速等要求很高。陆地离心加载重块模拟试验，采用离心加载装置代替桨叶，如图1、图2所示，利用离心加载装置在旋转过程中产生的离心力模拟桨叶工作工况所受离心力及水动力(矩)。离心加载试验在陆地试验台上进行，其试验经费、试验周期和试验的难度都远小于水中全尺寸模拟试验。

目前，现有的离心加载装置由重锤、侧臂以及立柱三部分构成，为单臂、单重锤结构。将离心加载装置安装到桨毂上，转轴在工作转速下运行，利用离心加载装置产生的离心力能够模拟桨毂实际所受的离心力、推力弯矩及扭力弯矩。桨毂的实际受力包括桨叶的离心力、推力、扭力以及相应的转叶扭矩、推力弯矩和扭力弯矩，而试验测试中能否精确模拟桨毂实际受力中的：桨叶的离心力及桨毂受到的推力弯矩、扭力弯矩和转叶扭矩，就决定了能否正确有效校核、验证桨毂强度。现有的(单臂)离心加载装置不能同时模拟推力弯矩、扭力弯矩和转叶扭矩，因此随着试验要求的提高，现有的离心加载装置不能满足试验要求。

发明内容

本发明是要提供一种非对称双臂离心加载装置，可克服现有的离心加载装置不能模拟桨毂所受所有力矩的不足；该非对称双臂离心加载装置不仅能模拟离心力、推力弯矩和扭力弯矩，而且还能同时模拟转叶力矩，具有较高的可调节性和模拟外负荷的准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种非对称双臂离心加载装置，包括一个与桨毂连接的立柱、立柱上设置的两个侧臂，每个侧臂末端各有一个重锤，其特点是：两个侧臂及其上面的重锤通过立柱绕桨毂转轴旋转时，产生的扭力弯矩和推力弯矩方向相反，转叶力矩和离心力方向相同，调整两个侧臂的长度以及与转轴的夹角，产生精确模拟桨毂所受的离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩三个力矩。

两个侧臂的长度及截面均不相同，并且两个侧臂的轴线与桨毂转轴所成角度不相同。两个侧臂的长度以及与桨毂转轴的夹角分别可参数化调整。

本发明的有益效果是：

本发明的立柱上设置两个侧臂，每个侧臂末端各有一个重锤，为了模拟桨毂所受力系的不对称性，两个侧臂的长度及截面均不相同，并且两个侧臂的轴线与转轴所成角度也不相同。两个侧臂及其上面的重锤绕转轴旋转时，产生的扭力弯矩和推力弯矩符号相反，转叶力矩和离心力符号相同。利用力偶原理，通过调整两个侧臂的长度以及与转轴的夹角，这样就解决了传统单臂加载装置无法同时模拟转叶扭矩、推力力矩和扭力弯矩的问题。通过本发明可以产生模拟桨毂所受的离心力及推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩三个力矩。

在离心加载试验过程中，可以利用本加载装置精确模拟(平均误差＜1％)桨毂所受到的桨叶离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩所有三个方向的力矩。从而可有效地对桨毂组件，特别是对连接桨毂与桨叶的叶根螺栓的强度进行加载试验验证。

附图说明

图1是带桨叶的调距桨示意图；

图2是带非对称双臂离心加载装置的调距桨示意图；

图3是本发明的非对称双臂离心加载装置与叶根法兰连接的示意图；

图4是定轴转动示意图；

图5是惯性积平移变换示意图；

图6是坐标系的旋转示意图；

图7是本发明的实施例的结构主视图；

图8是本发明的实施例的俯视图；

图9是图8中沿A-A剖视图；

图10是图8中沿B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图3、7、8、9、10所示，一种非对称双臂离心加载装置，包括一个与叶根法兰6连接的立柱3、立柱3上设置的两个侧臂。

第一侧臂2和第二侧臂4的末端分别有第一重锤1和第二重锤5，为了模拟桨毂所受力系的不对称性，第一侧臂2和第二侧臂4的长度及截面均不相同，并且第一侧臂2和第二侧臂4的轴线与桨毂转轴7所成角度也不相同。两个侧臂的长度以及与桨毂转轴7的夹角分别可参数化调整。两个侧臂及其上面的重锤绕转轴7旋转时，产生的扭力弯矩和推力弯矩符号(方向)相反，转叶力矩和离心力符号(方向)相同。利用力偶原理，通过调整两个侧臂的长度以及与转轴的夹角，这样就解决了传统单臂加载装置无法同时模拟桨毂受到的转叶扭矩、推力弯矩和扭力弯矩的问题。通过本发明可以精确模拟桨毂实际受到的离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩三个力矩。

本发明的设计方法：

第一步，建立单臂结构的参数化计算模型

一、定轴转动刚体的惯性力系的简化，如图4所示：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{Ix}}=m(x_c{\mathrm{\&omega;}}^2+y_c\mathrm{\&alpha;})\\ F_{\mathrm{Iy}}=m(y_c{\mathrm{\&omega;}}^2-x_c\mathrm{\&alpha;})\\ F_{\mathrm{Iz}}=0\\ M_{\mathrm{Ix}}=I_{\mathrm{xz}}\mathrm{\&alpha;}-I_{\mathrm{yz}}{\mathrm{\&omega;}}^2\\ M_{\mathrm{Iy}}=I_{\mathrm{yz}}\mathrm{\&alpha;}+I_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\&omega;}}^2\\ M_{\mathrm{Iz}}=-I_z\mathrm{\&alpha;}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：m为刚体的质量；x_c，y_c为刚体质心的坐标；为刚体对轴z的转动惯量；而

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xz}}=\mathrm{\&Sigma;}{m}_i{x}_i{z}_i\\ I_{\mathrm{yz}}=\mathrm{\&Sigma;}{m}_i{y}_i{z}_i\end{array}\right.$

称为刚体对轴x，z和轴y，z的惯性积。公式(1)中的x，y，z具有轮换对称性。

二、惯性积平移和旋转变换的一般公式

1.惯性积平移变换的一般形式

1)如图5所示，O′点为刚体的质心，即x′_c＝0，y′_c＝0，z′_c＝0，得

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}={\mathrm{mx}}_c{y}_c+I_{x^{\&prime;}{y}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{xz}}={\mathrm{mx}}_c{z}_c+I_{x^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{yz}}={\mathrm{my}}_c{z}_c+I_{y^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

而此时O′点在Oxyz中的坐标(x′_o，y′_o，z′_o)即为刚体的质心在Oxyz中的坐标(x_c，y_c，z_c)，故式(3)又可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{y}_{o^{\&prime;}}+I_{x^{\&prime;}{y}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{xz}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}+I_{x^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{yz}}={\mathrm{my}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}+I_{y^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

2)O′x′y′z′中各坐标轴为刚体的惯量主轴，即I_x′y′＝0，I_x′z′＝0，I_y′z′＝0，则：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{y}_{o^{\&prime;}}+{\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{y}_c^{\&prime;}+{\mathrm{my}}_{o^{\&prime;}}{x}_c^{\&prime;}\\ I_{\mathrm{xz}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}+{\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{z}_c^{\&prime;}+{\mathrm{mz}}_{o^{\&prime;}}{x}_c^{\&prime;}\\ I_{\mathrm{yz}}={\mathrm{my}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}+{\mathrm{my}}_{o^{\&prime;}}{z}_c^{\&prime;}+{\mathrm{mz}}_{o^{\&prime;}}{y}_c^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(4\right)$

3)如O″-点为刚体的质心，同时O′x′y′z′中各坐标轴为刚体的惯量主轴，则：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{y}_{o^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{xz}}={\mathrm{mx}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{yz}}={\mathrm{my}}_{o^{\&prime;}}{z}_{o^{\&prime;}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

三、惯性积旋转变换的一般形式

如图6所示，坐标系O′x′y′z′和Oxyz的原点相重合，坐标系O′x′y′z′相对于Oxyz的空间位置由3个可以独立变换的欧拉角φ，θ，来确定。

由于在实际中，人们考虑比较多的是惯性积从O′x′y′z′到Oxyz的旋转变换，因此我们讨论这种旋转变换。

坐标系O′x′y′z′到Oxyz之间总的坐标变换矩阵为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{2}\left(\sin 2\mathrm{\&phi;}\right)I_{x^{\&prime;2}}-\frac{1}{2}\left(\sin 2\mathrm{\&phi;}\right)I_{y^{\&prime;2}}+\left(\cos 2\mathrm{\&phi;}\right)I_{x^{\&prime;}{y}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{xz}}=\left(\cos \mathrm{\&phi;}\right)I_{x^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}-\left(\sin \mathrm{\&phi;}\right)I_{y^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\\ I_{\mathrm{yz}}=\left(\sin \mathrm{\&phi;}\right)I_{x^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}+\left(\cos \mathrm{\&phi;}\right)I_{y^{\&prime;}{z}^{\&prime;}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

相交轴系惯性积的旋转变换规律，左右手定则：重合轴为拇指指向，由已知量的坐标系到待求量的坐标系，为右手旋转时用式(7)。

四、侧臂和重锤的惯性积的计算

因坐标轴x′，y′，z′为矩形截面的惯量主轴，则I_x′y′＝0，I_x′z′＝0，I_y′z′＝0，由公式(7)可以得到旋转以后的矩形截面的惯性积为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{2}\left(\sin 2\mathrm{\&alpha;}\right)I_{y^{\&prime;2}}-\frac{1}{2}\left(\sin 2\mathrm{\&alpha;}\right)I_{x^{\&prime;2}}\\ I_{\mathrm{xz}}=0\\ I_{\mathrm{yz}}=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

由公式(1)可以得到，矩形截面在绕x轴旋转的过程中，除了离心力对z轴的矩外，还有使截面自身旋转的对z轴的力矩，而对其他两个轴没有力矩产生。

对于矩形截面 将其代入式(8)得矩形截面旋转后的惯性积为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\&alpha;}(-\frac{m}{12}{b}^2)\\ I_{\mathrm{xz}}=0\\ I_{\mathrm{yz}}=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

求得截面的惯性积以后，利用公式(1)，即可得到矩形截面对z的力矩，然后沿着整个侧臂积分，即得到侧臂旋转过程中产生的附加惯性力矩：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{Ix}}=0\\ M_{\mathrm{Iy}}=\mathrm{\&rho;}\frac{1}{2}\sin 2\mathrm{\&alpha;}(-\frac{{\mathrm{ab}}^3}{12}){\mathrm{L\&omega;}}^2\\ M_{\mathrm{Iz}}=0\end{array}\right.---\left(10\right)$

第二步，建立非对称双臂结构的参数化计算模型

$\begin{array}{c}{F}_Y=\frac{(h^2-a^2){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_1}{2}+(h-\frac{d}{2}){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_{2}R+(h-\frac{H}{2}){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_{3}B\\ F_Z=-\frac{1}{2}{\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_2(R^2+\mathrm{RD})\sin \mathrm{\&alpha;}-\frac{1}{2}{\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_3(B^2+2\mathrm{RB}+\mathrm{BD})\sin \mathrm{\&alpha;}\\ M_X=\frac{1}{2}(R^2+\mathrm{RD})a{\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_2\sin \mathrm{\&alpha;}+\frac{1}{2}(B^2+\mathrm{BD}+2\mathrm{BR})a{\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_3\sin \mathrm{\&alpha;}\\ M_Y=\frac{1}{6}(\frac{3D^{2}R}{4}+\frac{3D{R}^2}{2}+R^3){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_2\sin 2\mathrm{\&alpha;}\\ +\frac{1}{6}(B^3+\frac{3B^{2}D}{2}+3B^{2}R+\frac{2{\mathrm{BD}}^2}{4}+3\mathrm{BDR}+3{\mathrm{BR}}^2){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_3\sin 2\mathrm{\&alpha;}\\ m_Z=\frac{1}{2}(h-d/2)(R^2+\mathrm{DR}){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_2\cos \mathrm{\&alpha;}\\ +\frac{1}{2}(h-H/2)(B^2+\mathrm{DB}+2\mathrm{RB}){\mathrm{\&omega;}}^2\mathrm{\&rho;}{S}_3\cos \mathrm{\&alpha;}\end{array}---\left(11\right)$

第三步，求解建立的方程组

可以看出以上方程组为欠定非线性方程组，满足以上方程组的变量有无穷多个。为求以上方程组的解，只能分步进行，取其中一些变量为定值，求其他变量。利用MATLAB中的fsolve函数来求解，编制程序代码。由于变量较多，编制循环程序进行求解，获得多组解，在所得的多组解中寻求最合适的一组。设计方案示意图如图7至图10所示。

设计举例

例1：若设计的载荷工况为(12)时，

F_X＝120kN

F_Y＝979kN

F_Z＝360kN   (12)

M_X＝-168kN·m

M_Y＝5kN·m

M_Z＝-188kN·m

采用单臂重锤模型很难达到要求，可以采用双臂重锤，设计尺寸为(13)

R1＝0.772m，B1＝0.230m，R2＝0.767m，B2＝0.480m

S1＝0.2m²，S2＝0.072m²，S3＝0.175m²，S4＝0.0353m²   (13)

S5＝0.087m²，α＝15°，β＝102°

在该设计方案下，设计出的双臂加载装置产生的载荷为：

F_X＝0kN

F_Y＝979.369kN

F_Z＝187.121kN   (14)

M_X＝-167.473kN·m

M_Y＝4.975kN·m

M_Z＝-187.908kN·m

表1期望值与设计值得比较

	Fx/KN	Fy/KN	Fz/KN	Mx/KNm	My/KNm	Mz/KNm
							期望值	120	979	360	-168	5	-188
设计值	0	979.36	187.12	-167.473	4.975	-187.908
							误差(％)	-	0.036772	-	0.31369	0.5	0.04894

例2：若设计的载荷工况为(15)时。

F_X＝300kN

F_Y＝1129kN

F_Z＝375kN   (15)

M_X＝-184kN·m

M_Y＝11kN·m

M_Z＝-230kN·m

可以采用双臂重锤，设计尺寸为：

R1＝0.650m，B1＝0.250m，R2＝0.650m，B2＝0.5m

S1＝0.2m²，S2＝0.105m²，S3＝0.2m²，S4＝0.06m²   (16)

S5＝0.12m²，α＝5°，β＝85°

在该设计方案下，设计出的双臂加载装置产生的载荷为：

F_X＝0kN

F_Y＝1129.590kN

F_Z＝206.094kN   (17)

M_X＝-184.454kN·m

M_Y＝11.350kN·m

M_Z＝-230.266kN·m

表2期望值与设计值得比较

	Fx/KN	Fy/KN	Fz/KN	Mx/KNm	My/KNm	Mz/KNm
							期望值	300	1129	375	-184	11	-230.

设计值	0	1129.590	206.094	-184.454	11.350	-230.266
							误差(％)	-	0.052259	-	0.246739	3.181818	0.115652

由上述例1和例2的设计结果误差分析可见，采用本发明的非对称双臂离心加载装置，可以精确模拟(平均误差＜1％)桨毂所受的离心力F_y和推力弯矩M_x、扭力弯矩M_y、调距转叶扭矩M_z三个力矩。

Claims (3)

1.一种非对称双臂离心加载装置，包括一个与桨毂连接的立柱、立柱上设置的两个侧臂，每个侧臂末端各有一个重锤，其特征在于：所述两个侧臂及其上面的重锤通过立柱绕桨毂转轴旋转时，产生的扭力弯矩和推力弯矩方向相反，转叶力矩和离心力方向相同，调整所述两个侧臂的长度以及与桨毂转轴的夹角，产生精确模拟桨毂所受的离心力和推力弯矩、扭力弯矩、调距转叶扭矩三个力矩。

2.根据权利要求1所述的非对称双臂离心加载装置，其特征在于：所述两个侧臂的长度及截面均不相同，并且两个侧臂的轴线与桨毂转轴所成角度不相同。

3.根据权利要求1或2所述的非对称双臂离心加载装置，其特征在于：所述两个侧臂的长度以及与桨毂转轴的夹角分别可参数化调整。