一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置

技术领域

本实用新型属于风洞试验技术领域，具体涉及一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置。

背景技术

天平是风洞测力试验关键的测量传感器，其功能是分解并测量作用于试验模型上的气动载荷的大小、方向和作用点。天平在投入风洞使用之前，需在天平校准设备上进行校准，按照已知的坐标系对天平精确施加静态载荷，获得应变天平各元电压信号输出与施加载荷之间的定量关系，即天平校准公式，以供风洞测力试验使用。

风洞测力试验中，天平校准公式合理正确使用的前提是天平在风洞中滚转方向的安装使用状态与天平校准状态一致。若天平在风洞中滚转方向的安装状态与天平校准状态不一致，例如滚转方向存在安装角γ，试验中当模型受到一个法向力Y时，天平测量得到的法向力为Y ×cosγ，同时会输出一个侧向力Y×sinγ，导致纵横向测力相互干扰，影响风洞试验数据质量。

目前，调整测力天平滚转角的普遍做法是通过加载装置给天平法向力元施加载荷，计算侧向力元输出载荷，然后调整天平滚转角，尽可能减少侧向力元的输出，保证天平安装使用状态与校准状态一致，以减小法向力和侧向力元之间的相互干扰。通过对国内几座风洞加载装置的调查研究，风洞中天平的加载装置普遍采用吊钩、挂环、绳索等方式加载，加载装置较为简易，加载重复性较差，而且加载装置本身没有滚转角度测量基准平面，力的加载与角度测量独立进行，未耦合在一套装置上，最终往往需要人工多次调整天平滚转角才能达到使用要求。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置，要求通过该加载装置，能够在竖直方向对天平实施精确加载，利用加载装置上部的测量基准平面，能够准确测量天平滚转角，测量调整准确方便，最多通过2到3次加载即可完成天平滚转角的调整工作。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置，所述加载装置包括：加载头1、顶尖2、顶窝3、挂钩4、连接杆5和托盘6；

定义纵向-横向-法向的三轴坐标系，其中，纵向设置为测力天平 8轴向方向，横向为水平面上与纵向垂直的方向，法向为垂直方向；

所述加载头1为一方框形部件，其左右设有纵向梁，前后设有横向梁，两个纵向梁和两个横向梁构成一个框体结构，该框体结构上部设有水平平面，用作测量基准平面，放置角度测量仪器；

所述两个纵向梁中部沿法向设置所述顶窝3；对于左右两个顶窝 3而言，各有一个顶尖2与其配合；

所述挂钩4数量设有两个，每个挂钩4的两端沿法向布放，即挂钩4竖直放置；每个挂钩4的一端设置一个顶尖2，顶尖2沿法向与所述顶窝3配合，挂钩4的另一端连接竖直设置的连接杆5上端，连接杆5下端设置托盘6；托盘6上放置标准砝码7；

前后设置的两个所述横向梁中，位于后面的横向梁上设有圆锥孔，用于与测力天平8的圆锥端头配合，使得测力天平8通过圆锥面匹配插设于加载头1中。

其中，所述两个纵向梁中部沿法向设置圆孔，所述圆孔中设置所述顶窝3。

其中，所述挂钩4为U形结构。

其中，所述顶窝3的内锥锥度设置为较大，顶尖2的外锥锥度设置为较小，利用顶尖2和顶窝3的点接触来确保在加载头1两侧对称传递作用力。

其中，所述挂钩4两端都设有安装孔，一端安装顶尖2，另一端安装连接杆5。

其中，在托盘6上放置标准砝码7，从而将砝码7的重力精确地传递给加载头1，最终实现对测力天平8竖直方向的精确加载。

其中，所述加载头1上部平面是测量基准平面，该平面与纵向梁的上表面平行，即与力的加载方向垂直；测量基准平面上放置的角度测量仪器，用于测量滚转方向的角度和俯仰方向的角度。

其中，所述加载头1位于后面的横向梁的中间部位处设有圆锥孔，锥度为标准的1:5，与测力天平8常用的锥度一致，针对不同直径的测力天平8，配套设有不同尺寸的锥套来与加载头匹配，从而仅需更换不同尺寸的锥套，来实现加载头1具有较好的通用性。

其中，所述加载头1位于前面的横向梁的中间部位处设有助卸螺纹孔，所述助卸螺纹孔与所述圆锥孔同轴，所述助卸螺纹孔小径大于助卸螺钉的大径，通过助卸螺钉沿纵向顶抵测力天平8的前端面，从而方便加载头1与测力天平8脱开，实现加载头1与测力天平8拆卸较为便捷。

其中，所述助卸螺纹孔上开有过孔中心的一字型窄槽，通过窄槽来将锥套从加载头1圆锥孔内退出，使得加载头1与锥套的安装拆卸较为方便。

(三)有益效果

本实用新型提供一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置，要求通过该加载装置，能够在竖直方向对天平实施精确加载，利用加载装置上部的测量基准平面，能够准确测量天平滚转角，测量调整准确方便，最多通过2到3次加载即可完成天平滚转角的调整工作。

本实用新型通过快速精确地调整风洞杆式测力天平滚转角，使得风洞天平安装使用状态与天平校准状态在滚转方向的角度尽可能保持一致，同时加载精确、测量准确、调整方便、安装拆卸便捷，并且通用性好。

与现有技术相比较，本实用新型的整个天平加载装置结构设计合理简洁，将力的加载与角度的测量耦合设计在一起，力的传递加载精确，角度测量调整准确方便，同时加载装置与天平以及锥套的安装拆卸方便，并且通用性较好。

附图说明

图1为本实用新型天平加载装置的立体视图。

图2a至图2c为本实用新型天平加载装置的主视图和两个方向的剖视图。

图3a至图3b为本实用新型天平加载装置的顶窝主视图和剖视图。

图4为本实用新型天平加载装置的顶尖主视图。

图5为本实用新型天平加载装置与天平和支杆的连接装配图。

其中，1：加载头；2：顶尖；3：顶窝；4：挂钩；5：连接杆；6：砝码托盘；7：标准砝码；8：测力天平；9：天平支杆。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种精确调整风洞杆式测力天平滚转角的加载装置，如图1至图5所示，所述加载装置包括：加载头1、顶尖2、顶窝3、挂钩4、连接杆5和托盘6；

定义纵向-横向-法向的三轴坐标系，其中，纵向设置为测力天平 8轴向方向，横向为水平面上与纵向垂直的方向，法向为垂直方向；

所述加载头1为一方框形部件，其左右设有纵向梁，前后设有横向梁，两个纵向梁和两个横向梁构成一个框体结构，该框体结构上部设有水平平面，用作测量基准平面，放置角度测量仪器；

所述两个纵向梁中部沿法向设置所述顶窝3；对于左右两个顶窝3而言，各有一个顶尖2与其配合；

所述挂钩4数量设有两个，每个挂钩4的两端沿法向布放，即挂钩4竖直放置；每个挂钩4的一端设置一个顶尖2，顶尖2沿法向与所述顶窝3配合，挂钩4的另一端连接竖直设置的连接杆5上端，连接杆5下端设置托盘6；托盘6上放置标准砝码7；

前后设置的两个所述横向梁中，位于后面的横向梁上设有圆锥孔，用于与测力天平8的圆锥端头配合，使得测力天平8通过圆锥面匹配插设于加载头1中。

其中，所述两个纵向梁中部沿法向设置圆孔，所述圆孔中设置所述顶窝3。

其中，所述挂钩4为U形结构。

其中，所述顶窝3的内锥锥度设置为较大，顶尖2的外锥锥度设置为较小，利用顶尖2和顶窝3的点接触来确保在加载头1两侧对称传递作用力。

其中，所述挂钩4两端都设有安装孔，一端安装顶尖2，另一端安装连接杆5。

其中，在托盘6上放置标准砝码7，从而将砝码7的重力精确地传递给加载头1，最终实现对测力天平8竖直方向的精确加载。

其中，所述加载头1上部平面是测量基准平面，该平面与纵向梁的上表面平行，即与力的加载方向垂直；测量基准平面上放置的角度测量仪器，用于测量滚转方向的角度和俯仰方向的角度，测量准确可靠。

其中，所述加载头1位于后面的横向梁的中间部位处设有圆锥孔，锥度为标准的1:5，与测力天平8常用的锥度一致，针对不同直径的测力天平8，配套设有不同尺寸的锥套来与加载头匹配，从而仅需更换不同尺寸的锥套，来实现加载头1具有较好的通用性。

其中，所述加载头1位于前面的横向梁的中间部位处设有助卸螺纹孔，所述助卸螺纹孔与所述圆锥孔同轴，所述助卸螺纹孔小径大于助卸螺钉的大径，通过助卸螺钉沿纵向顶抵测力天平8的前端面，从而方便加载头1与测力天平8脱开，实现加载头1与测力天平8拆卸较为便捷。

其中，所述助卸螺纹孔上开有过孔中心的一字型窄槽(比如沿竖直方向开过孔中心的一字型窄槽)，通过窄槽来快速将锥套从加载头 1圆锥孔内退出，使得加载头1与锥套的安装拆卸较为方便。

通过该加载装置对测力天平8在竖直方向精确施加载荷，计算测力天平8法向力元和侧向力元的输出载荷，根据输出的载荷计算滚转方向的安装角，然后旋转整个加载装置、测力天平8和支杆9，以加载装置上部的平台为测量基准平面，利用角度测量仪器精确测量滚转方向旋转的角度，经过2-3次重复的加载测量和调整，最终使得测力天平8在风洞中的安装使用状态与校准状态滚转方向安装角误差小于6′，有效减少风洞试验天平测力纵横向干扰，提高试验数据质量。

实施例1

图1出示了本实用新型实施例的天平加载装置立体图，图2a至图2c为加载装置主视图和两个方向的剖视图，图3a及图3b为顶窝主视图和剖视图，图4为顶尖主视图，图5为加载装置与天平和支杆连接装配图。

加载头采用一体化的结构设计，材料为30CrMnSiA，两侧对称布置两片横梁和一片纵梁，通过结构设计保证整体刚度要求。通过有限元分析计算，当给加载头施加最大设计载荷(80Kg)时，加载点最大位移不超过20μm，加载点变形较小，结构具有较高的刚度。挂钩通过顶尖顶窝对称布置在加载头两侧纵梁上，两侧加载点相对于中心截面的对称度误差不超过0.02mm。

加载头上部测量基准平面与纵梁上平面平行，将加载装置安装于天平前锥，俯仰和滚转方向调平后与天平拉紧，砝码的重力可竖直对称传递给天平。

数采系统采集天平砝码加载前和砝码加载后的电压读数，代入天平公式计算天平法向力元载荷Y和侧向力元载荷Z，利用公式(1) 计算出天平滚转方向的角度γ，该角度即为天平风洞安装使用状态和天平校准状态滚转方向的安装角。

将角度测量仪器放置于测量基准平面上，旋转加载头、天平和支杆(三者配合固连在一起)，支杆一端连接天平，另一端连接风洞迎角机构连接，通过角度测量仪器实时准确测量滚转方向旋转的角度，测量准确方便。通过2-3次加载、计算、测量和调整，最终使得天平滚转方向安装角小于6′。

γ＝atan(Z/Y)*180/3.1415926 (1)

下面结合本实用新型的天平加载装置，简单叙述下天平滚转角调整流程：

步骤1：将天平和支杆装入风洞中部支架，支杆与风洞中部支架通过圆锥配合，支杆可在中部支架内相对转动，支杆和中部支架之间的螺钉不拉紧；

步骤2：利用水平象限仪，以支杆圆柱平直段为基准，将支杆和天平俯仰方向调平，误差3′以内；

步骤3：将加载装置安装于天平前锥，将加载装置滚转方向调平，误差6′以内，将加载装置和天平通过螺钉拉紧；

步骤4：挂吊钩和砝码托盘，数采系统采集天平六分量电压信号，记为初读数U

步骤5：加载法向力(一般取20Kg砝码，大载荷天平可适当增加，小载荷天平可适当减小)，采集系统采集天平六分量电压信号，记为末读数U

步骤6：将初读数U

步骤7：利用公式γ＝atan(Z/Y)*180/3.1415926计算天平滚转角，此角度即为天平风洞安装使用状态与天平校准状态滚转方向安装角；

步骤8：卸掉砝码、挂钩和砝码托盘，以加载装置上表面为基准平面，旋转整个天平和支杆，利用象限仪实时测量滚转角度，若计算得到的滚转角γ为正，从弹尾向弹头方向看，天平顺时针转动；若滚转角γ为负，天平逆时针转动(可先将象限仪转动滚转角γ，缓慢转动支杆，同时观察象限仪气泡，最终将象限仪水平气泡调至中间位置，完成天平滚转角的第一次调整)；

步骤9：松开加载装置，重复步骤3-7，如计算得到滚转角γ仍大于6′，需重复步骤8，直到滚转角γ小于6′，一般重复2-3次即可达到要求；

步骤10：拉紧天平支杆和中部支架的把紧螺钉，完成天平的安装和调整工作。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。