田正波，楊家軍，謝 斌，史玉杰

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

新型應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)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(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2 中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

風(fēng)洞應(yīng)變天平是風(fēng)洞測力實驗中最關(guān)鍵測量裝置。為實現(xiàn)風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的砝碼自動加載，通過分析對比現(xiàn)有砝碼自動加載方式的優(yōu)缺點，結(jié)合應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)特點，設(shè)計并研制采用膜片式夾緊氣缸作為砝碼升降機構(gòu)執(zhí)行元件的砝碼加載裝置。加載裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

膜片式夾緊氣缸； 應(yīng)變天平校準(zhǔn)； 砝碼加載； 升降機構(gòu)

風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動加載是校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計重點和難點之一[1]。為滿足2 m量級高速風(fēng)洞測力實驗天平的靜態(tài)校準(zhǔn)需求，本文針對中國空氣動力研究與發(fā)展中心70 kN量級載荷應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)特點，將靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機砝碼獨立加卸載方式應(yīng)用到風(fēng)洞應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)，并提出采用膜片式夾緊氣缸這種具有高效、低成本、結(jié)構(gòu)簡單和體積小巧等優(yōu)點的氣動元件作為砝碼升降機構(gòu)執(zhí)行元件，同時對其可行性和動態(tài)性能作了分析。

1 應(yīng)變天平校準(zhǔn)和砝碼串

風(fēng)洞應(yīng)變天平是風(fēng)洞測力實驗中不可或缺的關(guān)鍵測量裝置，用于測量作用在風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ蜕系目諝鈩恿d荷(包括法向力Y、軸向力X、側(cè)向力Z、俯仰力矩MZ、偏航力矩MY和滾轉(zhuǎn)力矩MX)。制約其測量精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素之一是校準(zhǔn)設(shè)備性能[2]。

國內(nèi)現(xiàn)有天平校準(zhǔn)設(shè)備按力值基準(zhǔn)可分為：基于砝碼的靜重式天平校準(zhǔn)設(shè)備和基于標(biāo)準(zhǔn)測力儀的疊加式天平校準(zhǔn)系統(tǒng)。靜重式天平校準(zhǔn)設(shè)備是利用地球引力場中砝碼的重力產(chǎn)生力值，可直接溯源到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度較高。因此，70kN量級應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)采用靜重式砝碼串作為力值基準(zhǔn)。其校準(zhǔn)坐標(biāo)系定義見圖1。

1-校準(zhǔn)轉(zhuǎn)接頭；2-應(yīng)變天平；3-吊掛2(右前)；

2 凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機

凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機是常用的高精度力傳感器計量設(shè)備，它計量的是單分量力傳感器，只用一套砝碼串即可實現(xiàn)功能。而天平校準(zhǔn)系統(tǒng)計量的是多分量(最多6個分量)風(fēng)洞應(yīng)變天平這種力傳感器，需要多套砝碼串以產(chǎn)生力和力矩。

按砝碼加卸載方式不同，現(xiàn)有靜重式力標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(shù)[3]。其砝碼加載方式結(jié)構(gòu)如圖2所示，可見由于其砝碼獨立加卸載需要多套復(fù)雜的伺服電機-凸輪傳動機構(gòu)，故其結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)；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(shù)是以壓縮空氣為介質(zhì)來傳動和控制機械的一門專業(yè)技術(shù)，可實現(xiàn)柔軟操作[4]。膜片氣缸結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，密封性好，夾緊力大，動作快。應(yīng)用氣動技術(shù)和膜片式夾緊氣缸將大大簡化砝碼獨立加載裝置的結(jié)構(gòu)，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(zhí)行元件。

圖 3 膜片式夾緊氣缸結(jié)構(gòu)

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(shù)。

表 1 Festo EV系列參數(shù)

4 砝碼加載裝置

70kN量級載荷應(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)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(xiàn)Y、MZ、MX、Z和MY5個分量載荷施加，每塊砝碼對應(yīng)的膜片式夾緊氣缸具體型號和數(shù)量見表2。軸向為2套砝碼串，用以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)與圖2類似，但為了修正天平加載產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(tài)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(yīng)氣缸組“放氣”。砝碼卸載過程與之相反，即氣缸組“充氣”。

1-應(yīng)變天平及加載轉(zhuǎn)接頭；2-天平固定機構(gòu)；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(xué)能量方程

氣體流進和流出腔室會導(dǎo)致容積和質(zhì)量的變化。根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)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(zhì)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(dāng)量長度；k為絕熱系數(shù)；R為氣體常數(shù)。

5.2 流量方程

根據(jù)F.E.Sanville[5]的研究，流過氣動元件氣體的質(zhì)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(fù)力對氣缸運動的影響。根據(jù)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(zhì)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(shù)；xmax為氣缸最大行程；KU為砝碼架限位剛度系數(shù)。

5.4Simulink環(huán)境下熱力學(xué)仿真

根據(jù)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(yīng)時間t的曲線。軟件模塊框圖如圖5所示。

圖 5 熱力學(xué)仿真框圖

基于該仿真模型，分別對表2中的氣缸和對應(yīng)的砝碼進行了仿真。所用參數(shù)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(tài)平穩(wěn)，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(diào)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(zhǔn)天平的沖擊。

表3 仿真模型所用參數(shù)

(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(yīng)變天平校準(zhǔn)系統(tǒng)研制進展[J] .實驗流體力學(xué)，2014，28(05)：71-75.

[2] 賀德馨.風(fēng)洞天平[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001:23-26.

[3] 張學(xué)成，周長明，于立娟，等.力標(biāo)準(zhǔn)機加載過程砝碼倒換控制方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006, 36(02):74-77.

[4] 吳曉明.現(xiàn)代氣動元件與系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:7-8.

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

[6] 蔡茂林.現(xiàn)代氣動技術(shù)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(zé)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(xué)碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計及理論

1003-4684(2015)04-0089-03

TH138

A