孫 侃，鄭 芳，劉 丹，趙金海，楊中艷

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)自由射流試驗(yàn)要求在一次試驗(yàn)過程中，測力系統(tǒng)測得試驗(yàn)件在不同角度時(shí)在空間上產(chǎn)生的3個(gè)力和3個(gè)力矩。國外類似的發(fā)動(dòng)機(jī)自由射流試驗(yàn)設(shè)備所匹配的力測量裝置多為單分量或三分量測力設(shè)備，代表性的有美國NASA Langley 8 ft高溫風(fēng)洞，其匹配的測力設(shè)備也是縱向三分量。國內(nèi)有類似的預(yù)研階段使用的設(shè)備，測力設(shè)備使用整體式天平結(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)要在專門研制的校正架上進(jìn)行，也有僅測量推力的單分量測力設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)，但能在現(xiàn)場進(jìn)行原位校準(zhǔn)的大載荷六分力測量設(shè)備在國內(nèi)目前還沒有。發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試車試驗(yàn)時(shí)間一般都很短，發(fā)動(dòng)機(jī)大多處在水平角度，少量的帶角度試驗(yàn)也是靠預(yù)偏裝置來實(shí)現(xiàn)角度變化的。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)的載荷也越來越大，帶偏航角狀態(tài)的試驗(yàn)，更是帶來了較大的側(cè)向載荷，要求設(shè)計(jì)一種新的攻角機(jī)構(gòu)，在承受大載荷的同時(shí)，在一次試驗(yàn)中能夠快速準(zhǔn)確連續(xù)地改變發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件的角度。發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)，高速流場啟動(dòng)時(shí)會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大的沖擊力，這個(gè)沖擊力會(huì)通過固定發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)傳遞給下面的測力系統(tǒng)，過大的沖擊載荷會(huì)造成元件的損壞，因此保護(hù)機(jī)構(gòu)不但要求可靠鎖緊，還必須能夠在流場穩(wěn)定后快速釋放到指定位置。

為了滿足以上試驗(yàn)需求，我們研制了大載荷六分力測量及攻角裝置。該裝置長約9 m，寬約2 m，高約2.2 m，重量約18 t，是目前國內(nèi)載荷最大的具有原位校準(zhǔn)功能的高精度六分力測量裝置，屬國內(nèi)首創(chuàng)。

1 方案

由于六分力測量的測量載荷非常大，軸向力為50 kN，升力為130 kN，桿式天平無法滿足需要，也不適合；整體的盒式天平由于尺寸過大，考慮貼片和校準(zhǔn)的需求，很難實(shí)現(xiàn)，因此，選擇裝配式的天平結(jié)構(gòu)作為六分力測量的結(jié)構(gòu)形式。裝配式天平的精度比整體式天平差，因此，為了提高測量的精度，六分力測量的傳力和與其相配的原位校準(zhǔn)設(shè)計(jì)就很重要。

六分力測量沿用風(fēng)洞盒式應(yīng)變天平的設(shè)計(jì)理論及方法，由固定框、浮動(dòng)框和傳力件組成，其中，傳力件代替整體盒式天平中的測量梁，為六分力測量的關(guān)鍵部件。傳力件由高精度測力傳感器、柔性梁及相關(guān)的連接件等組成，其中傳感器用來測量該傳力組件所傳遞的力，柔性梁用來傳遞沿其軸向的力，與軸向正交的另外2個(gè)方向呈“柔性”，抑制其他分量對軸向分量的干擾。

根據(jù)測力機(jī)構(gòu)的需求，高精度測力傳感器的方案結(jié)構(gòu)形式可設(shè)計(jì)為“輪輻式”、“S形”和“柱式”。根據(jù)大剛度高精度傳感器的技術(shù)要求，對三種結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行承載方向的剛度試驗(yàn)、傳感器其他方向的外力對承載方向測力干擾的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，三種傳感器中輪輻式的軸向剛度和側(cè)向剛度最大，因此六分力測量優(yōu)先選用。輪輻式傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

柔性梁的方案設(shè)計(jì)中選取了4種柔性鉸鏈形式，分別為矩形截面單向直圓型柔性鉸鏈、圓形截面萬向柔性鉸鏈、同轉(zhuǎn)動(dòng)中心圓弧切面雙向柔性鉸鏈、矩形截面彈簧片式單向柔性鉸鏈。四種不同形式的柔性鉸鏈在截面面積相等和總長度相等時(shí)，對柔性鉸鏈分別在相同最大軸向載荷和小干擾側(cè)向力作用下的應(yīng)力和變形情況進(jìn)行有限元分析，在軸向剛度相近時(shí)，單向直圓型柔性鉸鏈的側(cè)向剛度最小，呈“柔性”，抑制非軸向力的干擾能力最強(qiáng)，所以優(yōu)選這種鉸鏈形式。由于傳力件需要抑制所有的非軸向力，因此其柔性梁選擇雙圓弧形結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

在六分力原位校準(zhǔn)系統(tǒng)中，加載機(jī)構(gòu)包括校準(zhǔn)臺架、加載頭、力源與傳力件等。力源是施加載荷的裝置，施加載荷的力可用不同的方法產(chǎn)生，常見的有砝碼式力發(fā)生器。砝碼是以自身的質(zhì)量對天平施加載荷，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)龐大，不易實(shí)現(xiàn)大載荷的加載。由于高空艙內(nèi)空間有限，因此不能采用砝碼加載的方式，只能使用力發(fā)生器作為力源，其優(yōu)點(diǎn)是較易實(shí)現(xiàn)大載荷的加載，且機(jī)構(gòu)相對緊湊，可直接安裝在測力機(jī)構(gòu)內(nèi)。機(jī)電式力發(fā)生器是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)絲杠直線運(yùn)動(dòng)施加載荷，施加載荷值用高精度力傳感器測定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)絲杠直線運(yùn)動(dòng)這種方式的應(yīng)用廣泛，技術(shù)已經(jīng)很成熟，且關(guān)鍵件有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以購買使用，因此采用機(jī)電式力發(fā)生器作為力源是比較理想的選擇。

設(shè)計(jì)的力發(fā)生器由伺服電機(jī)、精密螺旋升降機(jī)、高精度力傳感器及柔性梁等組成。由于力發(fā)生器只在加載時(shí)使用，試驗(yàn)時(shí)并不承載，因此其柔性梁設(shè)計(jì)時(shí)，其軸向剛度可適當(dāng)降低，盡量選擇側(cè)向剛度小的結(jié)構(gòu)形式；同時(shí)需要設(shè)計(jì)定向裝置，以保證加載力的方向精度。其動(dòng)作原理如圖3所示：升降機(jī)固定在支撐底座上，承力法蘭固定在加載架上。力傳感器安裝在托盤上，托盤與升降機(jī)的絲杠連接在一起。當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)的絲杠上下移動(dòng)時(shí)，托盤、力傳感器及傳力桿同步移動(dòng)。傳力桿向上移動(dòng)，傳力桿上面的長槽的底部頂?shù)缴戏降膫髁︿N，從而通過傳力銷、柔性桿、承力法蘭向加載架施加向上的力。當(dāng)升降機(jī)的絲杠向下移動(dòng)時(shí)，則對加載架施加向下的力，通過加載架將力傳遞到力測量裝置上。

2 結(jié)構(gòu)

大載荷六分力測量及攻角裝置包括六分力測量及原位校準(zhǔn)、攻角機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

六分力測量結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用8個(gè)傳力件布置在四周的布局，升力方向布置4個(gè)，分別為1、2、3、4號傳力件，阻力方向布置2個(gè)，分別為5、6號傳力件，偏航方向布置2個(gè)，分別為7、8號傳力件。1、2、3、4號傳力件共同傳遞Fy、Mx和Mz，5、6號傳力件共同傳遞Fx，7、8號傳力件共同傳遞Fz，同時(shí)5、6、7、8號傳力件共同傳遞My。傳力件的布置要考慮原位校準(zhǔn)的安裝位置，升力方向Fy和偏航方向Fz傳力件的放置原則是在一定的空間內(nèi)盡可能將傳力件布置在離設(shè)計(jì)中心較遠(yuǎn)的外側(cè)，目的是將力臂尺寸加大，減小傳力件的載荷。由于六分力測量機(jī)構(gòu)龐大，而且該機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)還有連接，考慮到安裝和維護(hù)方便，故將阻力Fx元件對稱布置在中心面兩側(cè)。

原位校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，由8個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器安裝在測力裝置的固定框與浮動(dòng)框之間，通過不同的力發(fā)生器的組合工作，可單獨(dú)產(chǎn)生3個(gè)方向的力和力矩，也可同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)方向的力和力矩。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)中1、2、3、4號力發(fā)生器共同產(chǎn)生Fy、Mx和Mz；5、6號力發(fā)生器共同產(chǎn)生Fx；7、8號力發(fā)生器共同產(chǎn)生Fz和My。

攻角機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示，上平臺為動(dòng)件，與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件連接，試驗(yàn)時(shí)繞轉(zhuǎn)軸相對于下平臺轉(zhuǎn)動(dòng)，下平臺為定件，與六分力測量的浮動(dòng)框相連，上下平臺之間由轉(zhuǎn)軸、弧形導(dǎo)軌和電動(dòng)缸連接起來，轉(zhuǎn)軸安裝在兩平臺之間的一側(cè),電動(dòng)缸安裝在另一側(cè)。轉(zhuǎn)軸的一端安裝有角度傳感器，便于角度檢測。弧形導(dǎo)軌安裝在下平臺上，滑塊與上平臺連接，能夠限制上平臺的運(yùn)行軌跡并承擔(dān)水平方向載荷。兩臺電動(dòng)缸配大功率的伺服電機(jī)組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)大負(fù)載下上平臺角度的快速準(zhǔn)確定位，可以滿足在短時(shí)間內(nèi)使發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)件到達(dá)指定角度的功能。

鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括驅(qū)動(dòng)組件、導(dǎo)向組件、鎖緊頭、插座組件、檢測組件及基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)組件包括伺服電機(jī)、螺旋升降機(jī)、滑移座和其他零部件，其中伺服電機(jī)輸出扭矩，通過螺旋升降機(jī)為滑移座提供動(dòng)力，滑移座安裝在導(dǎo)向組件中導(dǎo)軌副的滑塊上。在鎖緊過程中，伺服電機(jī)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制其扭矩來控制鎖緊力，保證可靠鎖緊；在解鎖過程中，利用速度控制方式使伺服電機(jī)反向高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對測力裝置的快速釋放。

3 性能指標(biāo)

六分力測量和原位校準(zhǔn)是裝配件，因此在生產(chǎn)廠家安裝時(shí)進(jìn)行了多次拆裝調(diào)試，滿足了設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)現(xiàn)場整體安裝后，又進(jìn)行了最終調(diào)試，通過原位校準(zhǔn)得到的精度如表1所示。

表1 六分力測量設(shè)計(jì)載荷及校準(zhǔn)精度

在試驗(yàn)現(xiàn)場，對攻角機(jī)構(gòu)的電動(dòng)缸進(jìn)行調(diào)試后，再對攻角機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體調(diào)試。調(diào)試后的攻角機(jī)構(gòu)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 攻角機(jī)構(gòu)實(shí)際參數(shù)

鎖緊裝置調(diào)試后的解鎖時(shí)間為2 .0 s。

4 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

大載荷六分力測量及攻角裝置具備以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1)六分力測量裝置為裝配式，測量的量程大，軸向力為50 kN，升力為130 kN；測量精度高，力優(yōu)于1%，力矩優(yōu)于2%。

2)將高精度的原位校準(zhǔn)裝置與大載荷測力裝置集成在一起，能夠現(xiàn)場對測力裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，提高了測力裝置的精度，也提高了工作效率。

3)攻角機(jī)構(gòu)采用了弧形導(dǎo)軌，各向均能夠承受大載荷，各方向載荷可達(dá)到50 kN以上，因而可以承擔(dān)水平方向載荷大的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；通過大功率伺服電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，可以在負(fù)載100 kN時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確連續(xù)地改變試驗(yàn)件角度，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)間短的要求。

4)鎖緊裝置在具備可靠鎖緊功能的同時(shí)，還具備快速釋放功能，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊大載荷試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

5 應(yīng)用情況

大載荷六分力測量及攻角裝置獲得了5項(xiàng)專利授權(quán)，目前已成功應(yīng)用在了北京和洛陽的航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺的高空室內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，攻角機(jī)構(gòu)及鎖緊機(jī)構(gòu)均工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已承擔(dān)了大量試驗(yàn)任務(wù)。