[发明专利]连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置

说明书

一种连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置，实现对喷管段喉块预定位姿的精确控制。该装置创新性地利用并联机构实现对喉块进行空间六自由度控制，可主动控制并消除作用在喉块上的附加载荷。其包括以竖直布置并以电机为驱动的驱动单元；由多组导轨组成的导向单元；由喉道滑台、滑块、驱动杆与球面副组成的传动单元；以外框架与喉块安装板组成的支撑单元。该连续式跨声速风洞半柔壁面喷管喉块竖直空间式电动驱动装置通过多驱动形成自由度冗余的并联机构驱动喉块达到预定位姿，并保证其精度，和其成型的稳定性。

技术领域

本发明涉及连续式跨声速风洞试验技术领域，具体涉及连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块空间六自由度的位姿调整机构。通过六组有效竖直驱动(另可加多组随动竖直驱动)耦合运动，联合控制，进而实现对喉块六个自由度的完全控制。该装置主要用于连续式跨声速风洞半柔壁喷管的喉块驱动控制。

背景技术

风洞是用于验证各型航空航天飞行器、高速动车组等气动外形是否合理的重要试验装置，其主要原理是通过在风洞中模拟出对象运行时的外部气体流场特性(马赫数、雷诺数、普朗特数等)，并对被试验对象在模拟流场中的测量参数做出一系列的评估，从而实现对其真实工作情况下特性的预知。根据风洞可模拟的气体流流场流速范围不同，可分为亚声速、跨声速、超声速、高超声速风洞。而根据流场产生的方式，风洞可分为暂冲式和连续式。暂冲式风洞气体流场产生的原理是：在风洞两端分别预先产生一定的高压气体与负压气体，然后同时打开两端的气阀沟通高压与负压，即可产生流场；而连续式风洞一般是依靠大型的轴流风机作为驱动来产生流场。为了精确控制风洞中流场的参数，需利用相关的风洞试验特种装置对流场进行调节，而其中喷管段是整个风洞中调节气体流场最为关键、直接的部分。喷管段一般是通过一定的型面来改变流场的参数，对于暂冲式风洞，由于其流场作用时间短，流场马赫数高，一般采用具有固定型面喷管段进行调节；而对于连续式风洞，由于其要求具有连续的马赫数调节能力，一般是采用可调型面的喷管段。根据连续式风洞喷管段可调型面中柔性壁(或称柔板)所占的比例不同，进一步又可分为半柔壁与全柔壁。全柔壁喷管的可调型面全部由柔性壁组成；半柔壁喷管的可调型面一般是由可调收缩段、喉块段、柔板段组成(布置顺序为气流方向)。对于连续式跨声速风洞喷管段半柔壁，能否保证其整个型面成形的精度就是能否保证风洞试验结果可靠性最关键的问题，因此喷管段对气体流场相关参数控制的精度，是评价其工作能力的关键指标。由于喉块段分别连接可调收缩段与柔板段，因此保证连续式跨声速风洞喷管段半柔壁的喉块段实现预定空间位姿的精度，对保证整个半柔壁成形的精度具有决定性的作用。在风洞实验中，理论上仅需要控制喉块在XOZ平面内的三个自由度，但由进入喉块段的流场不稳定性及其他因素的影响，喉块段往往承受整个空间的六维力，无法避免存在侧向(Y)、偏航(绕Z轴)、滚转(绕X)方向的附加载荷。在工程实际中，喉块段常见的工作方式为“框架摆动式”，其一般使用液压驱动方式，仅可实现喉块段三个平面自由度的调整，并利用强制的导向装置来解决试验时侧向力、偏航力矩、滚转力矩对喉块段的影响。这种方式往往存在液压管路泄露、控制精度不足、响应速度慢、难以维护、所需摆动空间大等缺点，其仅可一定程度上满足小型风洞的需求，却并不适合于大型风洞，且无法提供高刚度的横向连接，并无法很好保证风洞试验流场被控参数的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置，使其具有在有限的竖直空间内完成喉块较大的位姿调整的能力；解决常见半柔壁喷管“框架摆动式”工作方式中存在的不可避免的摆动质量大的问题；解决传统的喉块驱动方式存在的能耗大、响应慢的问题，提供低能耗、高响应速度、创新、安全可靠的喉块段电动驱动方式；实现多电动机同步驱动和协调控制，基于耦合运动的并联机构提高喉块位置控制的精度；创新设计电机驱动条件下的精密传动系统和布置结构，并使该喉块驱动装置具有安装方便，运行可靠，寿命较长的优点；使喉块段具备空间六自由度调整能力，继而可依靠驱动装置主动抵抗侧向力，解决依靠强制导向来克服侧向力的传统方式会带来的巨大磨损与低可靠性。

为了实现上述目的，提出连续式跨声速风洞喷管段半柔壁喉块竖直空间式的电动驱动装置，其技术方案如下：