CN115356076B - 一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置及安装方法 - Google Patents

Abstract

一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置及安装方法，属于航空航天风洞试验动力测试技术领域。本发明解决了现有的传力连索件柔性不足，不能与滑轮轮缘做到完全贴合从而产生误差的问题。本发明包括高消饶弹性铰链、连索件、连接件、拉力传感器、滑轨、滑轮和加载头，加载头上安装有高消饶弹性铰链，连索件通过连接件与高消饶弹性铰链建立连接，连索件的另一端与滑轮连接，连索件上设置有拉力传感器，拉力传感器安装在滑轨上，连索件采用Dyneema材料制成。通过本发明的高精度低干扰传力连索装置，显著降低连索件自重产生的附加分力以及大载荷条件下连索件柔性不足造成与滑轮贴合度的问题。

Description

一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置及安装方法

技术领域

本发明属于航空航天风洞试验动力测试技术领域，具体为一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置及安装方法。

背景技术

风洞是进行空气动力学研究与飞行器研制的最基本的实验设备。测力风洞实验是风洞实验中最基本的实验项目，而风洞天平是测力风洞实验中最重要的测量装置，直接用于测量作用在飞行器等的缩比模型上的空气动力载荷的大小、方向与作用点。风洞天平完成设计、加工、应变计粘贴、组成惠斯顿电桥等工序后，需要通过天平校准***测量出天平各分量输出电压变化量与校准载荷的关系公式，即风洞天平公式。随着先进航空航天飞行器的研发，对于大载荷比天平的校准需求及不确定度的要求也越来越高；

天平校准加载***主要由校准台架、加载头、传力连索件与力源组成，其中传力连索件是天平加载***中关键的一个器件。传力连索件是用于将力源产生的载荷按加载坐标系的要求，以一定的比例准确的传递到加载头的各个加载点上，传力连索件常用的结构为钢带、钢丝、拉杆等，根据其载荷大小选用合适的结构形式，然而随着大载荷比天平校准的需求，分配到每个传力连索件上的载荷也会随之增大，为了保证其具备足够的强度，需增加传力连索件（钢带、钢丝、拉杆）的横截面积，这样会增加传力连索件重量，这相当于对天平加载头施加了一个沿着重力方向的分力，产生干扰，对于大载荷比天平尤为显著，并且采用这些钢材料作为连索件时，因传力连索件的柔性不足，不能与滑轮轮缘做到完全的贴合而产生误差，而随着校准量程的增加，传力连索件的横截面积增加，这种贴合会越来越难以做到，也就是误差会越来越大；

加载头是天平校准加载***中最核心的设备，它是用于模拟天平的工作状态，对天平施加载荷的装置。为保证正确的加载位置，加载头必须具备的特征是：1）与天平连接要牢固，安装位置可调节；2）有足够的刚度；3）各加载点的位置要准确，调整要方便。在一定的量程范围内，加载头需满足不同几何尺寸的天平校准需求，因此加载头的内外套筒必须保证同轴度并可沿轴向精确地调整与定位。行业内常用的加载头内套筒固定方式是通过压紧螺母进行固定，然而，随着我国大型风洞的建成，及先进航空航天器的研发，大载荷比天平的量程也随着增加，升力与侧力、升力与阻力等也越发不匹配，采用传统的锁紧方式会造成内外套筒抱紧力不足，内套筒与外套筒的不同轴度产生的干扰也会越发的显著，并且传统连索方式也会造成精度丢失，将加载头误差带入天平公式中，影响风洞实验数据的质量；

目前，针对大载荷比天平校准加载头工况有相关技术发展，如专利CN105222982A，对内套筒的固定提出了解决方案，专利CN113324728A中对温度影响，支撑刚度提出了解决方案，但二者存在着如下问题：1、在更大量程下内套筒与外套筒之间存在着抱紧力不足：2、内套筒与外套筒之间因安装需要必然会存在间隙，按照专利CN105222982A方式，在压紧螺母时，会使内套筒与外套筒之间产生偏差；2、连索件采用传统钢带结构，在水平加载时，其自重产生的附加分力会影响天平的校准；3、为了将水平钢带拉平，需要施加较大的预载荷；4、在大量程下传力连索件与滑轮贴合度问题而产生附加分力问题；5、滑轮摩擦力的影响。这些问题在上述专利中均没有好的解决方案；

针对上述问题，提出一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置及安装方法用以解决上述问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

方案一：一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，包括高消饶弹性铰链、连索件、连接件、拉力传感器、滑轨、滑轮和加载头，加载头上安装有高消饶弹性铰链，连索件通过连接件与高消饶弹性铰链建立连接，连索件的另一端与滑轮连接，连索件上设置有拉力传感器，拉力传感器安装在滑轨上，连索件采用Dyneema材料制成。

进一步的，所述加载头包括外套筒、内套筒、压紧螺母和胀套，内套筒外套装有外套筒，外套筒与内套筒通过压紧螺母固定，内套筒与外套筒之间设置有胀套。

进一步的，所述压紧螺母包括下压紧螺母和上压紧螺母，下压紧螺母布置在上压紧螺母下方，螺钉分别穿过下压紧螺母和上压紧螺母将内套筒与外套筒连接。

进一步的，所述加载头上设置有连接耳座，高消饶弹性铰链通过螺母固定在连接耳座上。

进一步的，所述滑轮上加工有安装槽，连索件设置在安装槽内。

进一步的，所述连接件与高消饶弹性铰链卡接，连接件上加工有凹槽，连索件通过凹槽与连接件连接。

方案二：基于方案一所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法，包括以下步骤：

步骤一：根据加载点数量、加载点载荷设计高消饶弹性铰链，高消饶弹性铰链采用50CrVA或60Si2Mn材料制成，硬度调质到HRC45-48，铰链处宽厚比大于20，厚度小于1.5mm；

步骤二：将加载头组装，高消饶弹性铰链固定在加载头的连接耳座上，高消饶弹性铰链与连接耳座通过销轴定位，通过螺母固定，保证加载准度，高消饶弹性铰链与连接耳座位置度误差小于0.02mm；

步骤三：将高消饶弹性铰链与连索件通过连接件连接；

步骤四：将连索件与拉力传感器连接；

步骤五：将拉力传感器固定在滑轨上；

步骤六：将拉力传感器与滑轮通过连索件连接，通过滑轮上的安装槽进行定位。

进一步的，所述步骤二中加载头的组装方法，具体包括以下步骤：

步骤一：根据被校准天平几何尺寸和校心坐标，将内套筒置于外套筒内部，延轴线方向调节，使天平校心与加载头校心重合，误差范围为±0.1mm；

步骤二：分步锁紧压紧螺母，先锁紧下压紧螺母，再锁紧上压紧螺母，下压紧螺母和上压紧螺母锁紧力轮流从0％、25％、50％、75％逐步递增至100％，保证内套筒与外套筒之间在小载荷条件下锁紧固定，减少径向偏差；

步骤三：复测内套筒与外套筒的轴向尺寸，保证锁紧后的轴向相对误差范围为±0.1mm；

步骤四：安装胀套，按照对角线原则逐步锁紧胀套上的螺栓，锁紧力从0％、25％、50％、75％逐步递增至100％，结合步骤二中下压紧螺母和上压紧螺母的限位作用，减少线位移和角位移的偏差。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置采用Dyneema材料制成的连索件，可以显著降低连索件自重产生的附加分力以及大载荷条件下连索件柔性不足造成与滑轮贴合度的问题；

2、本发明的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法所采用的的高消饶弹性铰链选材与结构形式的优化方案，可以增加弹性铰链的消饶能力，防止力矩通过连索件传递到天平上对天平校准产生***误差；

3、本发明的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置所采用的的力传感器安装方式可以规避滑轮摩擦力的影响，并且力传感器与滑轨的配合可以进一步消除自重的干扰；

4、本发明的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法对于加载头的安装方法所采用的内套筒固定方式可以显著提高抱紧力，提高内外套筒的同轴度，减少大载荷天平校准中大载荷分量对小载荷分量的干扰；

5、本发明的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置可以显著降低大载荷比天平校准中大载荷分量对小载荷分量的干扰，提高大载荷天平公式的可靠性和精准度，满足航空航天先进飞行器研制对大载荷比天平测量数据高精度的要求。

附图说明

图1是一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的整体结构示意图；

图2是大载荷比天平校准加载头内外套筒精准固定结构图；

图3是压紧螺母与内外套筒配合关系示意图；

图4是高消饶弹性铰链与加载头外套筒连接示意图；

图5是连接件的示意图；

图6是高消饶弹性铰链的示意图；

图7是压紧螺母的安装示意图；

图8是滑轮连索件安装槽的示意图；

图9是图8的局部示意图。

图中1-外套筒，2-内套筒，3-压紧螺母，4-胀套，5-高消饶弹性铰链，6-连索件，7-连接件，8-拉力传感器，9-滑轨，10-滑轮，11-加载头，12-螺母，13-安装槽，14-螺钉，15-连接耳座，31-下压紧螺母，32-上压紧螺母，71-凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接（即为不可拆卸连接）包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1，结合图1-图9说明本实施例，本实施例的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，包括高消饶弹性铰链5、连索件6、连接件7、拉力传感器8、滑轨9、滑轮10和加载头11，加载头11包括外套筒1、内套筒2、压紧螺母3和胀套4，内套筒2设置在外套筒1内，外套筒1与内套筒2通过压紧螺母3固定，压紧螺母3包括下压紧螺母31和上压紧螺母32，下压紧螺母31布置在上压紧螺母32下方，螺钉14分别穿过下压紧螺母31和上压紧螺母32将内套筒2与外套筒1连接，采用上下双压紧螺母的安装形式，可以降低径向线位移误差，下压紧螺母31和上压紧螺母32与现有的压紧螺母相比，上下端面加宽，增加上下压紧螺母轴向接触面积，降低角位移误差，先通过压紧螺母3将内外筒2与外套筒1固定，再将胀套4套装在内套筒2上，增加内套筒2与外套筒1之间的抱紧力，降低单独使用胀套4产生角度偏差的弊端，安装好加载头11后，加载头11的外套筒1上设置有连接耳座15，高消饶弹性铰链5与连接耳座15通过销轴定位，并通过螺母12固定，高消饶弹性铰链5的另一端设置有卡扣，连接件7与高消饶弹性铰链5铰接，连接件7上加工有凹槽71，连索件6通过凹槽71与连接件7建立连接，连索件6采用Dyneema材料制成，连索件6上连接有拉力传感器8，拉力传感器8安装在滑轨9上，位置度误差控制在0.02mm以内，拉力传感器8与滑轮10通过连索件6连接，滑轮10上加工有安装槽13，连索件6设置在安装槽13内起到对连索件6的定位固定作用，拉力传感器8设置在滑轮10前端，消除滑轮10摩擦力的影响，拉力传感器8布置在远离加载头11加载点，减少拉力传感器8位置度偏差造成的加载误差；

高消饶弹性铰链5采用50CrVA或60Si2Mn制成，硬度调质到HRC45-48，铰链处宽厚比大于20，厚度不超过1.5mm，降低附加力矩传递给待校天平上，具有极强的消饶能力；

连索件6采用Dyneema高强度聚乙烯纤维材料制成，使用该材料作为连索件，比同等钢材横截面积轻87.5％，强度比同等横截面积的钢丝高约1.5倍，在同等拉力、同等安全系数下，使用Dyneema作为连索件可以减轻重量，有效克服因自重产生的附加分力干扰量，也同时减少将水平连索件拉直所需要的预载荷，同时，Dyneema材料柔软，可以完美贴合滑轮10，解决大载荷条件下，使用钢带柔性不足，产生位移偏差的弊端。

实施例2，结合图1-图9说明本实施例，本实施例的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法，以某大载荷比天平校准加载头为例，所需校准天平升阻比Y/X=25，升侧比Y/Z=20，加载头外套筒内径φ170mm，内外套筒间隙0.05mm；

结合图1：

步骤一：根据加载点数量、加载点载荷设计加工高消饶弹性铰链5，材料使用50CrVA，硬度调质到HRC47，铰链处宽厚比25，厚度1mm，通过该方式可以保证弹性铰链具备足够的消饶能力；

步骤二：将高消饶弹性铰链5固定到外套筒1上，二者需通过销定位，位置度误差需控制在0.02mm以内；

步骤三：将高消饶弹性铰链5与连索件6通过连接件7相连，连索件6为Dyneema连索件；

步骤四：将连索件6与拉力传感器8相连；

步骤五：将拉力传感器8相连固定在滑轨9上，滑轨9为精密滑轨；

步骤六：将拉力传感器8与滑轮10通过所述连索件6相连，并通过所述滑轮10上的安装槽13进行定位；

结合图2：

步骤一：根据被校准天平几何尺寸与校心坐标，将内套筒2至于外套筒1内部，延轴线方向调节，使天平校心与所述加载头校心重合，误差控制在±0.1mm以内；

步骤二：分步锁紧上下两侧的压紧螺母3，先锁紧所述下压紧螺母31，再锁紧上压紧螺母32，使上下两侧的压紧螺母3锁紧力轮流从0%、25%、50%、75%逐步递增至100%，保证所述内套筒2与外套筒1之间在小载荷条件下可以锁紧固定，并减少径向偏差；

步骤三：复测内套筒2与外套筒1的轴向尺寸，保证锁紧后的相对误差在±0.1mm以内；

步骤四：安装胀套4，按照对角线原则逐步锁紧胀套上的螺栓，锁紧力从0%、25%、50%、75%逐步递增至100%，通过这种方式，结合步骤二所述上下两侧压紧螺母3的限位作用，可以减少线位移与角位移的偏差；

分析本发明优化大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置产生的有益效果数据分析：

1）已该大载荷比天平加载头采用优化前后弹性铰链进行加载分析，对两种弹性铰链施加相同载荷500N，分析输出干扰力矩确定其优化效果，具体结果如下所示：

2）优化双压紧螺母同轴度测量分析，反复拆装5次，测量内外套筒角度偏差，结果如下：

3）抱紧力分析，本发明采用上下双压紧螺母与胀套双重固定方式，单独采用胀套会存在同轴度无法保证的情况，而采用上下双压紧螺母与胀套双重固定方式不仅仅可以提高抱紧力，同轴度也同样可以保证，结果如下：

4）针对某大载荷比天平采用优化前后的加载头及连索件装置进行校准分析，获得的天平准度如下所示：

本实施例只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：包括高消饶弹性铰链（5）、连索件（6）、连接件（7）、拉力传感器（8）、滑轨（9）、滑轮（10）和加载头（11），加载头（11）上安装有高消饶弹性铰链（5），连索件（6）通过连接件（7）与高消饶弹性铰链（5）建立连接，连索件（6）的另一端与滑轮（10）连接，连索件（6）上设置有拉力传感器（8），拉力传感器（8）安装在滑轨（9）上，连索件（6）采用Dyneema材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：所述加载头（11）包括外套筒（1）、内套筒（2）、压紧螺母（3）和胀套（4），内套筒（2）外套装有外套筒（1），外套筒（1）与内套筒（2）通过压紧螺母（3）固定，内套筒（2）与外套筒（1）之间设置有胀套（4）。

3.根据权利要求2所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：所述压紧螺母（3）包括下压紧螺母（31）和上压紧螺母（32），下压紧螺母（31）布置在上压紧螺母（32）下方，螺钉（14）分别穿过下压紧螺母（31）和上压紧螺母（32）将内套筒（2）与外套筒（1）连接。

4.根据权利要求3所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：所述加载头（11）上设置有连接耳座（15），高消饶弹性铰链（5）通过螺母（12）固定在连接耳座（15）上。

5.根据权利要求4所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：所述滑轮（10）上加工有安装槽（13），连索件（6）设置在安装槽（13）内。

6.根据权利要求5所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置，其特征在于：所述连接件（7）与高消饶弹性铰链（5）卡接，连接件（7）上加工有凹槽（71），连索件（6）通过凹槽（71）与连接件（7）连接。

7.权利要求6所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据加载点数量、加载点载荷设计高消饶弹性铰链（5），高消饶弹性铰链（5）采用50CrVA或60Si2Mn材料制成，硬度调质到HRC45-48，铰链处宽厚比大于20，厚度小于1.5mm；

步骤二：将加载头（11）组装，高消饶弹性铰链（5）固定在加载头（11）的连接耳座（15）上，高消饶弹性铰链（5）与连接耳座（15）通过销轴定位，通过螺母（12）固定，保证加载准度，高消饶弹性铰链（5）与连接耳座（15）位置度误差小于0.02mm；

步骤三：将高消饶弹性铰链（5）与连索件（6）通过连接件（7）连接；

步骤四：将连索件（6）与拉力传感器（8）连接；

步骤五：将拉力传感器（8）固定在滑轨（9）上；

步骤六：将拉力传感器（8）与滑轮（10）通过连索件（6）连接，通过滑轮（10）上的安装槽（13）进行定位。

8.根据权利要求7所述的一种大载荷比天平高精度低干扰传力连索装置的安装方法，其特征在于：所述步骤二中加载头（11）的组装方法，具体包括以下步骤：

步骤一：根据被校准天平几何尺寸和校心坐标，将内套筒（2）置于外套筒（1）内部，延轴线方向调节，使天平校心与加载头（11）校心重合，误差范围为±0.1mm；

步骤二：分步锁紧压紧螺母（3），先锁紧下压紧螺母（31），再锁紧上压紧螺母（32），下压紧螺母（31）和上压紧螺母（32）锁紧力轮流从0％、25％、50％、75％逐步递增至100％，保证内套筒（2）与外套筒（1）之间在小载荷条件下锁紧固定，减少径向偏差；

步骤三：复测内套筒（2）与外套筒（1）的轴向尺寸，保证锁紧后的轴向相对误差范围为±0.1mm；

步骤四：安装胀套（4），按照对角线原则逐步锁紧胀套（4）上的螺栓，锁紧力从0％、25％、50％、75％逐步递增至100％，结合步骤二中下压紧螺母（31）和上压紧螺母（32）的限位作用，减少线位移和角位移的偏差。

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