技术领域
[0001] 本
申请涉及
风洞领域，尤其是空
气动力学风洞试验装置技术领域，具体为一种T型平尾颤振模型保护装置及其应用。更具体地，本申请提供一种组合式两
自由度高速风洞试验模型保护装置，其能够实现不同高度的T型平尾颤振模型在试验过程中的结构保护，防止模型由于共振而发生破坏，有效提升试验效率，具有较高的应用价值。
背景技术
[0002] 颤振是
飞行器的飞行速度超过临界速度后出现的一种自激发散振动，其是弹性结构气动力、
惯性力和弹性力相互耦合作用的结果。当飞行速度超过颤振临界速度时，振幅和结构中的动
应力可能急剧增加，可能导致飞机在几秒内被迅速破坏，甚至解体，造成机毁人亡的重大事故。因此，飞机发生颤振是非常危险的。为此，人们在飞行器设计时，需要进行颤振试验。
[0003] 颤振试验的目的在于：在风洞中，用动力相似模型再现颤振现象，了解飞行器的颤振特性，确定危险飞行状态下的颤振临界速压和颤振
频率，为飞行器的安全飞行提供
飞行包线数据。
[0004] 在暂冲式风洞内进行颤振试验，当接近或发生颤振时，会有模型破坏的可能，需对模型提供应急保护。由于颤振试验中模型被毁坏的可能性很大，为了防止模型碎片（如铅
块配重、外挂物）打伤风洞，通常在跨超声速回流式风洞的亚声速扩散段应装防护网。
[0005] 在跨声速试验中对模型的保护，通常采用以下两种措施：一是风洞紧急停车，要求风洞在半秒内将速压降低10%；二是改变超声速扩散段的
位置，即在总压不变的条件下，使
马赫数减小，从而达到降低速压，使模型退出颤振的目的。
[0006] 上述防护措施依靠模型观察者手动来操作；因此，只要判断和操作稍有延误，模型就会遭受破坏。
[0007] 2013年8月，西北工业大学史爱明等人在《试验
流体力学》发表的文章《T型
尾翼风洞颤振试验保护装置绕流特性分析》中，提出了一种由夹持装置和
基座两部分构成的保护装置。该文献中，保护装置引入后，由于基座和夹持装置附近局部超声速区和局部激波的产生使T型尾翼的流场受到较大影响，导致T型尾翼颤振动压降低和颤振型的改变，影响试验结果的准确性。
[0008] 为此，迫切需要一种新的装置和/或方法，以解决上述问题。
发明内容
[0009] 本申请的发明目的在于：针对现有的T型尾翼风洞颤振试验保护装置中，由于基座和夹持装置附近局部超声速区和局部激波的产生使T型尾翼的流场受到较大影响，导致T型尾翼颤振动压降低和颤振型的改变，影响试验结果准确性的问题，提供一种T型平尾颤振模型保护装置及其应用。本申请构思巧妙，设计合理，结构简单，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
[0010] 为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：一种T型平尾颤振模型保护装置，包括升降单元、用于对平尾进行夹紧和松开的夹持单元、力
传感器、控制系统，所述夹持单元与升降单元相连且升降单元能带动夹持单元移动；
所述夹持单元包括升降滑块、拉伸组件、
连接杆、夹持组件，所述升降单元与升降滑块相连且升降单元能带动升降滑块移动，所述升降滑块与拉伸组件相连且升降滑块能带动拉伸组件运动；
所述拉伸组件包括
气缸、与气缸相配合的堵头、拉杆、换向控制回路，所述堵头设置在气缸的一端，所述拉杆设置在气缸内，所述换向控制回路与气缸相连；
所述夹持组件包括气爪
框架、夹臂、夹紧块、平行杆，所述气爪框架通过连接杆与拉伸组件相连且连接杆能为气爪框架提供
支撑；
所述夹臂呈V型，所述夹臂包括第一连接段、第二连接段，所述第一连接段与第二连接段相连为一体且第一连接段与第二连接段所成的夹
角为锐角，将第一连接段与第二连接段的连接处记为第一连接点，所述夹臂通过第一连接点与气爪框架活动连接且夹臂能绕第一连接点转动；
所述第一连接段上设置有第一连接孔，所述拉杆通过第一连接孔与夹臂的第一连接段
铰链连接且拉杆通过第一连接孔能带动夹臂绕第一连接点转动；所述第二连接段与夹紧块铰接，将第二连接段与夹紧块的连接处记为第二连接点；所述平行杆的两端分别与气爪框架、夹紧块铰接，将夹紧块与平行杆的连接处记为第三连接点，将平行杆与气爪框架的连接处记为第四连接点；第一连接点、第二连接点、第三连接点、第四连接点呈平行四边形布置；
所述夹持组件为两个，两个夹持组件中夹臂的开口相向设置，两个夹紧块之间构成用于模型夹持的夹持空间；所述力传感器设置在夹紧块上，所述力传感器位于夹紧块靠近夹持空间的一侧；所述力传感器与控制系统相连且力传感器能将测定的受力信息传递给控制系统；
所述升降单元、换向控制回路分别与控制系统相连且控制系统通过换向控制回路能实现拉杆相对气缸的伸出和退回。
[0011] 所述气爪框架呈凵字型，所述气爪框架包括中段连接段、边缘连接段，所述边缘连接段为一组且相互平行，所述边缘连接段分别设置在中段连接段两侧。
[0012] 所述第一连接孔为腰型孔。
[0013] 所述第一连接段与第二连接段采用一体成型。
[0014] 所述连接杆与气缸相连且气缸能为连接杆提供支撑。
[0015] 所述升降单元包括支撑组件、驱动组件、设置在支撑组件上的滚珠
丝杠、与滚珠丝杠相配合的丝杠
螺母、导向组件，所述驱动组件与支撑组件相连且支撑组件能为驱动组件提供支撑，所述滚珠丝杠与驱动组件相连且驱动组件能带动滚珠丝杠相对支撑组件转动；所述丝杠螺母设置在滚珠丝杠上，所述丝杠螺母与升降滑块相连且滚珠丝杠通过丝杠螺母能带动升降滑块沿滚珠丝杠的轴向运动；
所述升降滑块通过导向组件与支撑组件相连且导向组件能对升降滑块起到导向作用以保证升降滑块沿滚珠丝杠的轴向运动。
[0016] 所述导向组件包括设置在升降滑块
侧壁上的导向槽、与导向槽相配合的
导轨，所述导轨设置在支撑组件上。
[0017] 所述导向槽呈V型，所述导向槽、导轨分别为两个，所述导向槽均布于升降滑块上。
[0018] 所述升降滑块内设置有通孔，所述丝杠螺母设置在升降滑块的通孔内壁上。
[0019] 所述支撑组件包括基座、下框架、上框架、
立板，所述下框架设置在基座上，下框架、立板、上框架依次相连为一体，所述滚珠丝杠分别与上框架、下框架活动连接且滚珠丝杠能相对上框架、下框架转动，所述导轨设置在立板上。
[0020] 还包括与基座相连的整流罩。
[0021] 所述驱动组件包括
电机座、
伺服电机、减速器、
联轴器，所述电机座与支撑组件相连且支撑组件能为电机座提供支撑，所述伺服电机设置在电机座上，所述伺服电机通过减速器、联轴器与滚珠丝杠相连且伺服电机能带动滚珠丝杠相对支撑组件转动。
[0022] 还包括转动支撑组件，所述滚珠丝杠通过转动支撑组件与支撑组件相连。
[0023] 所述转动支撑组件包括
轴承座、设置在轴承座上的角
接触轴承、与角接触轴承相配合的
轴承盖，所述滚珠丝杠与转动支撑组件滑动相连。
[0024] 所述转动支撑组件为两个且分别设置在滚珠丝杠的上、下两端，位于滚珠丝杠上端的转动支撑组件与上框架相连，位于滚珠丝杠下端的转动支撑组件与下框架相连。
[0025] 所述上框架、下框架分别呈U型或凵字型。
[0026] 前述T型平尾颤振模型保护装置的应用，将其用于T型尾翼风洞颤振试验中。
[0027] 包括如下步骤：（1）将T型平尾颤振模型保护装置设置在试验段的壁板上，并通过T型平尾颤振模型保护装置的夹持单元对模型平尾进行夹紧；
（2）在颤振试验的流场建立过程中，T型尾翼模型气动弹性
变形增加，升降单元带动夹持单元跟随模型平尾一起向上运动；
（3）当流场稳定后，夹持单元松开，T型尾翼模型只受气动
载荷；
（4）当T型尾翼模型发生颤振时，夹持单元迅速夹住T型尾翼模型的模型平尾，避免T型尾翼模型发生损坏；
（5）待颤振试验完成后，进行风洞停车操作，即可；在风洞停车过程中，T型尾翼模型气动弹性变形减少，升降单元带动夹持单元跟随模型平尾一起向下运动；
所述步骤（2）中，夹持单元上的两个力传感器分别测定来自模型平尾上下两端的力，并将测定数据传递给控制系统；控制系统比较两个力传感器测定的数据，若两个力传感器测定的数据差值大于给定值，则控制系统发出指令，使升降单元带动夹持单元向上运动；不断重复上述过程，直至两个力传感器测定的数据差值小于给定值。
[0028] 所述步骤1中，T型平尾颤振模型保护装置设置在试验段的下壁板上。
[0029] 所述步骤1中，T型平尾颤振模型保护装置通过基座与风洞下壁板相连。
[0030] 所述T型平尾颤振模型保护装置为一组，用于对T型平尾颤振模型的两翼进行保护；或所述T型平尾颤振模型保护装置为单个，用于实现对半模颤振模型的保护。
[0031] 前面提到的西北工业大学的T型尾翼颤振模型保护装置
对流场的干扰较大，为了减小保护装置对试验模型的干扰，保护装置一方面要结构尺寸小，另一方面其底座要尽可能的远离试验模型，同时还要具有可靠地保护模型的能力。因此，本申请的保护装置要具备以下两种功能：一是具有跟随翼面的静弹性变形而运动的能力，二是具有快速限制翼面振动幅度的能力。
[0032] 为此，本申请提供一种T型平尾颤振模型保护装置及其应用。本申请中，将T型尾翼颤振模型保护装置固定在试验段下壁板上，利用其升降单元和平行式夹持单元实现对T型尾翼颤振模型的保护。
[0033] 本申请的工作原理如下：风洞启动前，夹持单元中的气缸推动拉杆向后运动，拉杆带动夹臂、平行杆和夹紧块运动，夹紧颤振模型T型平尾；风洞启动过程中，T型尾翼受到气动力上翘，安装在平行式夹持单元上、下夹紧块上的力传感器感受到来自模型平尾上的力，控制系统比较两个力传感器感受到的力；如果其大于给定值，发
信号给伺服电机，伺服电机带动丝杠螺母运动，两个力传感器上的力的差值减小；不断重复上述运动，直至两个力传感器差值小于给定值。风洞流场稳定后，气缸推动拉杆向前运动，拉杆带动夹臂、平行杆和夹紧块运动，实现颤振模型T型平尾的松开。试验过程中，如果模型发生颤振，控制系统通过夹持单元迅速夹紧模型，避免模型损坏。
[0034] 本申请的保护装置工作时，其工作流程如下：1）在流场建立的过程中，随着气动力的增加，当T型尾翼模型气动弹性变形增加，升降单元会带动夹持单元跟随尾翼一起向上运动；2）当流场稳定后，平行式夹持单元松开，T型尾翼模型只受气动载荷；3）当T型尾翼模型发生颤振时，夹持单元迅速夹住模型，避免模型进一步共振而损坏。
[0035] 综上所述，本申请提供了一种T型平尾颤振模型保护装置。在流场建立前，平行式夹持单元的气缸推动拉杆向后运动，拉杆带动夹臂、平行杆和夹紧块运动实现对颤振模型平尾夹紧；流场建立过程中，当升降单元上的力传感器感受到T型平尾上气动力，电机驱动丝杠运动，直到力传感器感受不到气动力；流场稳定后，气缸推动拉杆向前运动，拉杆带动夹臂、平行杆和夹紧块运动实现对模型平尾松开；当发生颤振时，气缸推动拉杆向后运动，迅速实现对模型平尾的夹紧。与现有装置相比，本申请的平尾颤振模型保护装置具有如下优点：①结构紧凑，对模型流场干扰较小；②夹紧装置在升降单元的驱动下可柔性升降，装置受力较小；③只用单边保护装置时，可以用来保护半模颤振模型。
附图说明
[0036] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为
实施例1中保护装置与颤振模型相连的结构简图侧视图。
[0037] 图2为图1的结构简图后视图。
[0038] 图3为实施例1中夹持单元结构简图。
[0039] 图4为图3中夹持单元结构简图局部视图一。
[0040] 图5为图3中夹持单元结构简图局部视图二。
[0041] 图6为实施例1中升降单元结构简图。
[0042] 图7为图6的局部视图一。
[0043] 图8为图6的局部视图二。
[0044] 图9为实施例1中升降单元结构简图后视图。
[0045] 图10为实施例1中升降滑块的结构简图。
[0046] 图11为实施例1中夹持单元的换向控制回路原理图。
[0047] 附图标记：1、颤振模型，2、夹持单元，3、升降单元，11、丝杠螺母，12、升降滑块，13、堵头，14、气缸，15、拉杆，16、连接杆，17、夹臂，18、平行杆，19、夹紧块，20、力传感器，21、气爪框架，50、风洞下壁板，51、基座，52、整流罩，53、轴承座，54、防护盖，55、
角接触球轴承，56、轴承盖，57、滚珠丝杠，58、电机座，59、联轴器，60、减速器，61、伺服电机，62、下框架，63、立板，64、V型导轨，65、上框架。
具体实施方式
[0048] 本
说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0049] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0050] 实施例1图1～图11给出了本申请的T型平尾颤振模型保护装置的结构简图。从图中可以看出，本实施例的T型平尾颤振模型保护装置包括升降单元、夹持单元、力传感器、控制系统，夹持单元与升降单元相连。其中，如图1、图2所示，夹持单元用于实现对模型平尾的夹紧和松开，升降单元主要用于带动夹持单元作上下运动。本实施例中，将本申请的T型平尾颤振模型保护装置安装在试验段下壁板上。
[0051] 从图3 图5可以看出，本实施例的夹持单元包括丝杠螺母、升降滑块、拉伸组件、连~接杆、夹持组件。其中，丝杠螺母与升降滑块相连，升降滑块与拉伸组件相连；该结构中，丝杠螺母通过升降滑块带动拉伸组件运动；当升降单元沿竖直方向设置时，丝杠螺母通过升降滑块带动拉伸组件配合模型平尾沿竖直方向上下移动。
[0052] 本实施例中，拉伸组件包括气缸、堵头、拉杆、换向控制回路。其中，堵头与气缸相配合且堵头设置在气缸的一端，拉杆设置在气缸内，换向控制回路与气缸相连。同时，夹持组件包括气爪框架、夹臂、夹紧块、平行杆；气爪框架通过连接杆与气缸相连，气缸能为连接杆提供支撑；该结构中，气爪框架相对气缸始终保持静止。如图所示，本实施例的气爪框架包括中段连接段、边缘连接段，边缘连接段为一组且边缘连接段用于为夹臂、平行杆提供支撑，边缘连接段分别设置在中段连接段两侧，其整体呈凵字型。本实施例中，两个边缘连接段平行设置。
[0053] 本实施例中，夹臂包括第一连接段、第二连接段，第一连接段与第二连接段相连为一体且第一连接段与第二连接段所成的夹角为锐角，夹臂整体呈V型。将第一连接段与第二连接段的连接处记为第一连接点，夹臂通过第一连接点与气爪框架活动连接且夹臂能绕第一连接点转动；第一连接段上设置有第一连接孔，拉杆通过第一连接孔与夹臂的第一连接段铰链连接且拉杆通过第一连接孔能带动夹臂绕第一连接点转动。本实施例中，第一连接孔采用腰型孔；基于该结构，拉杆通过销轴与第一连接孔相连，拉杆伸缩时，销轴能沿第一连接孔滑动，进而将拉杆的伸缩运动转化为夹臂的转动。
[0054] 第二连接段与夹紧块铰接，将第二连接段与夹紧块的连接处记为第二连接点，使得夹紧块能绕第二连接点转动；平行杆的两端分别与气爪框架、夹紧块铰接，将夹紧块与平行杆的连接处记为第三连接点，将平行杆与气爪框架的连接处记为第四连接点，使得平行杆的两端能分别绕气爪框架、夹紧块转动。该结构中，第一连接点、第二连接点、第三连接点、第四连接点呈平行四边形布置；换言之，第一连接点、第二连接点、第三连接点、第四连接点位于平行四边形的四个
顶点上；基于该结构，夹紧块相对模型的夹紧的一面能始终保持相同的方向，进而实现对模型翼面的有效夹紧。同时，夹持组件为两个，两个夹持组件中夹臂的开口相向设置，两个夹紧块之间构成用于模型夹持的夹持空间。力传感器设置在夹紧块上靠近夹持空间的一侧；力传感器与控制系统相连。基于该结构，夹臂转动使带动夹紧块上下运动，进而实现夹紧和松开操作。另一方面，力传感器能实时测量受力情况；基于翼面模型启动弹性变形的改变，使得上下两个力传感器的受力发生改变，并传递给控制系统，控制系统则基于测定的数据，对升降单元进行调整。
[0055] 进一步，气缸与升降滑块通过螺钉相连，连接杆与气缸通过销和螺钉相连，气爪框架与连接杆通过螺钉与销相连；拉杆设置在气缸内，与气缸通过O型
密封圈与Y型密封圈密封；堵头与气缸通过
螺纹连接，通过O型密封圈密封；拉杆与夹臂通过销轴和弹性挡圈连接，夹臂与气爪框架和夹紧块分别通过销轴和弹性挡圈连接，平行杆与气爪框架和夹紧块分别通过销轴和弹性挡圈连接。
[0056] 图11给出了换向控制回路原理图，夹持单元中的拉杆通过如图所示的原理来控制其前后运动。如图所示，该结构中，五通
阀的
弹簧控制阀处于常闭状态；
电磁阀得电，五通阀换向，拉杆向前伸出，夹持单元松开模型；电磁阀失电，五通阀回到初始状态，拉杆向后退回，夹持单元
锁紧模型。本实施例中，升降单元、换向控制回路分别与控制系统相连且控制系统通过换向控制回路能实现拉杆相对气缸的伸出和退回。
[0057] 升降单元包括支撑组件、驱动组件、设置在支撑组件上的滚珠丝杠、V型导轨。本实施例提供一种支撑组件的结构，如图所示，支撑组件包括基座、与基座相连的整流罩、下框架、上框架、立板；其中，上框架、下框架分别呈U型或凵字型，立板为一组；下框架设置在基座上，下框架与上框架之间通过立板相连为一体。同时，V型导轨设置在立板上，升降滑块的左右两侧分别设置有V型导向槽，升降滑块与支撑组件之间通过V型导向槽与V型导轨的配合，能实现对升降滑块的导向，进而约束升降滑块在竖直方向上的运动。同时，升降滑块中心设置有通孔，丝杠螺母设置在升降滑块内的通孔上，滚珠丝杠与丝杠螺母相连且滚珠丝杠能为丝杠螺母运动提供动力。
[0058] 本实施例中，驱动组件包括电机座、伺服电机、减速器、联轴器，电机座与支撑组件的下框架相连，伺服电机设置在电机座上，伺服电机通过减速器、联轴器与滚珠丝杠相连且伺服电机能带动滚珠丝杠相对支撑组件转动。同时，还包括两个转动支撑组件，转动支撑组件分别设置在滚珠丝杠的上、下两端，位于滚珠丝杠上端的转动支撑组件与上框架相连，位于滚珠丝杠下端的转动支撑组件与下框架相连。本实施例中，转动支撑组件包括轴承座、设置在轴承座上的角接触轴承、与角接触轴承相配合的轴承盖，滚珠丝杠分别与转动支撑组件中的角接触轴承相连。同时，上框架上还设置有防护盖。
[0059] 本实施例中，升降单元的基座设置在风洞下壁板上。其中，丝杠螺母与滚珠丝杠相连，丝杠螺母与升降滑块通过螺钉连接，升降滑块两侧分别与V型导轨相连。进一步，各部件之间的连接关系如下：基座与试验段下壁板通过螺钉连接，下框架与基座通过螺钉连接，整流罩与基座
焊接连接；电机座通过螺钉与下框架相连，下方转动支撑组件中的轴承座通过螺钉与下框架相连；伺服电机与减速器相连，减速器与滚珠丝杠通过联轴器连接；下方转动支撑组件中的轴承盖通过
沉头螺钉压紧角接触球
轴承外圈，圆螺母压紧角接触球
轴承内圈，角接触球轴承放置在下方转动支撑组件的轴承座内；滚珠丝杠与上、下两个角接触球轴承相连；V型导轨通过螺钉与立板连接，立板与下框架通过螺钉相连，立板与上框架通过螺钉相连；上方转动支撑组件的轴承座与上框架通过螺钉相连，上方转动支撑组件中的角接触球轴承放置在上方转动支撑组件的轴承座内，上方转动支撑组件中的轴承盖通过螺钉压紧角接触球轴承下部外圈，角接触球轴承下部内圈通过滚珠丝杠轴肩限位，圆螺母压紧角接触球轴承上部内圈，角接触球轴承上部外圈卡在上方转动支撑组件的轴承座内；防护盖通过螺钉与上框架连接。
[0060] 本实施例中，将T型尾翼颤振模型保护装置固定在试验段下壁板上，利用其升降单元和平行式夹持单元实现对T型尾翼颤振模型的保护。所属的升降单元实现夹持单元上下运动，平行式夹持单元实现对模型平尾的夹紧与松开。夹持单元在升降单元的滚珠丝杠的驱动下，沿
直线导轨做上下直线运动，可以实现不同高度模型的保护。
[0061] 该装置的工作过程如下：风洞启动前，夹持单元夹紧颤振模型T型平尾；风洞启动过程中，安装在夹持单元上的力传感器感受到来自模型平尾上的力，并将其传送给控制系统，控制系统比较两个力传感器感受到的力；如果其大于给定值，发信号给伺服电机，伺服电机带动丝杠螺母运动，使得夹持单元向上运动，两个力传感器上的力的差值减小；不断重复上述运动，直至两个力传感器差值小于给定值。风洞流场稳定后，夹持单元松开模型；试验过程中，若模型发生颤振，控制系统启动夹持单元，迅速夹紧模型，避免模型损坏。
[0062] 采用本申请，在流场建立的过程中，随着气动力的增加，当T型尾翼模型气动弹性变形增加，升降单元会带动夹持单元跟随尾翼一起向上运动，这样的优点是保护装置受力较小，尺寸较小，对流场的干扰较小。当流场稳定后，平行式夹持单元松开，T型尾翼模型只受气动载荷，当T型尾翼模型发生颤振时，夹持单元迅速夹住模型，避免模型进一步共振而损坏。
[0063] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
