一种负载模拟装置

技术领域

本申请涉及火箭领域，具体地，涉及一种负载模拟装置。

背景技术

目前运载火箭发动机摆动伺服系统的地面负载模拟，主要依靠两种形式的负载模拟台。一种是采用真实的发动机摆动喷管组件，固体发动机配合以充压装置模拟喷管柔性接头部分压力，液体发动机配合以拉力预紧装置模拟常平座位置发动机工作推力压紧，模拟负载台可以通过真实喷管和压力预紧装置的组合，模拟发动机工作状态的推力特性，进而为伺服机构提供真实伺服进行试验考核。另一种是模拟真实飞行过程的力矩曲线，采用电动伺服或电动液压提供主动加载力/力矩，模拟环境负载，对所需考核的伺服系统施加载荷，这种方式不依靠真实发动机结构形式，但需要加载系统进行实时的测量反馈、计算输出功率，对试验加载系统的控制系统要求较高。

但是，第一种方式中的缺点为，1)价格昂贵，单个喷管的价格往往在百万甚至千万量级；2)通用性较差，针对某型发动机建设的负载模拟台仅能用于该型发动机及其配套伺服，由于负载特性的差异性，对于其他型号的试验不具备通用性和互用性。第二种方式的缺点为，1)试验系统复杂，试验系统需要具备摆角、角速度测量、电动伺服控制、液压控制、压力测量等环节，且实时性要求较高，伺服功率及位置精度要求较高，相应的造价较高。2)维护性较差。系统的电气、液压、电磁等组件较多，对于各组件易出现故障的情况相比较纯机械装置而言，更容易出现故障，且出现故障后的更换、调试、标定工作也需要重新进行。

因此，如何提出一种负载模拟装置以解决现有技术中试验加载系统无法在保证成本的技术上进行有效的负载模拟的问题，是本领域人员目前急需解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种负载模拟装置，包括惯量盘、被测伺服机构、摩擦制动器、弹性扭力板、测角编码器以及传动轴；被测伺服机构与传动轴连接，用于模拟真实伺服机构，接收指令进行摆动，同时带动传动轴转动，其中传动轴转动的角度表示摆动喷管的摆动角度；惯量盘与传动轴连接，用于模拟喷管摆动惯量，获取惯性力矩M

如上的，其中，惯量盘采用通用化的机械安装接口与传动轴连接，惯量盘产生的惯性力矩为

如上的，其中，被测伺服作动器的一端与地面固定连接，被测伺服作动器的另一端通过铰链与传动轴连接。

如上的，其中，测角编码器5中带有通孔，传动轴穿过通孔，测角编码器与传动轴固定连接。

如上的，其中，还包括台体，摩擦制动器、弹性扭力板分别与台体连接。

如上的，其中，摩擦制动器使用磁粉制动的方式，通过调节施加的电流等控制量调节加载的常值摩擦力矩M

如上的，其中，弹性扭力板的一端与传动轴固联，另一端采用夹具固定在台体上。

如上的，其中，弹性扭力板产生的摆角相关力矩具体表示为：M

如上的，其中，通过调整夹具在弹性扭力板中的轴向位置，进行扭转恢复系数K值大小的调节。

一种负载模拟方法，其特征在于，通过如上的负载模拟装置进行负载模拟，负载模拟方法具体包括：被测伺服机构接收指令进行摆动；被测伺服机构转动带动传动轴进行转动，传动轴转动过程中确定产生的摩擦力矩、惯性力矩以及摆角相关力矩。

本申请的有益效果是：

(1)本申请采用惯量盘对真实喷管摆动部分的惯量进行模拟，且采用通用接口，针对不同喷管具有通用性和互换性。本申请无需真实喷管，即可实现对喷管摆动伺服机构的性能验证，大幅减小了负载模拟装置的价格。

(2)本申请采用摩擦制动器对喷管摆动时的常值摩擦力矩进行模拟，且能够通过电流对摩擦力矩幅值进行调整，精度较高，适应性强。以及采用扭力板形式，对角度相关力矩进行等效模拟，能够提供与转角直接相关的恢复力矩，无需引入电气控制测量等环节，可靠性高。本申请的各器件简单实用、可靠性高，减少电动组件和测量环节，维修性强，互换性强，通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例提供的负载模拟装置示意图；

图2是根据本申请实施例提供的负载模拟装置中A-A安装面内伺服作动器的轴向示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种负载模拟装置，能够真实等效的模拟伺服机构转动时所需要克服的负载力矩，在负载模拟装置中，本申请还简化了系统设计，降低系统方案成本。其中运载火箭飞行过程中伺服机构所需要克服的力矩组成较多，所需要克服的力矩包括摩擦力M

如图1所示，本申请提供的负载模拟装置具体包括惯量盘1、被测伺服机构2、摩擦制动器3、弹性扭力板4、测角编码器5、传动轴6。

其中惯量盘1采用通用化的机械安装接口与传动轴6连接，用于模拟摆动喷管的转动惯量，最终的得到惯性力矩M

其中惯量盘转动惯量表示为

惯量盘产生的惯性力矩为

优选地，按照真实惯量进行等效设计惯量盘，可实现不同惯量盘的随意增加和减少，提供不同的转动惯量。

请继续参见图2，被测伺服机构2包括被测伺服作动器201、机械连杆202和铰链203，被测伺服作动器201的一端与地面固定连接，另一端通过铰链203与机械连杆202与传动轴6连接，被测伺服机构2能够模拟真实摆动喷管内的伺服机构，当被测伺服作动器2伸长缩短运动时，能够带动传动轴6的转动，传动轴6的转动角度与喷管摆动的真实角度一致，传动轴转动的角度表示摆动喷管的摆动角度。

进一步地，其中摆动喷管内的被测伺服作动器、机械连杆、几何尺寸等投影安装在传动轴6的垂直平面内。其中投影安装具体为按照真实火箭中喷管摆动中心与伺服安装点的要求，进行被测伺服机构与传动轴的连接点的确定，同时被测伺服机构的几何尺寸也以真实的伺服作动器的几何尺寸为基准，保证模拟时的真实性。

优选地，其中传动轴6的刚度需要足够大，减小较大的负载下传动轴6扭转时产生的角度损失。其中刚度一般需要大于10e5 Nm/rad(牛米/弧度)。

其中，测角编码器5为现有技术中带有通孔的测角编码器。传动轴6穿过通孔，测角编码器5与传动轴6固定连接，测角编码器5还与摩擦制动器3固联，测角编码器5用于测量传动轴6的相对转动角度。

其中，负载模拟装置还包括台体7，摩擦制动器3分别与传动轴6和台体连接，通过摩擦制动器3对传动轴6施加恒定的摩擦力矩M

具体地，摩擦制动器3一般可使用磁粉制动的方式，通过调节施加的电流等控制量调节加载的常值摩擦力矩。

优选地，也可选用压片摩擦、油压阻尼等作为摩擦制动器。

其中弹性扭力板4为现有技术中具有弹性且可扭转的钢材，其厚度和宽度和根据实际情况进行设置，在此不进行限定。具体地，弹性扭力板4的一端与传动轴6固联，与零位产生相对转角。弹性扭力板4的另一端采用夹具固定在台体上，不转动。传动轴6带动弹性扭力板产生角度后，弹性扭力板4产生相应的摆角相关力矩。

具体地，弹性扭力板4产生的摆角相关力矩具体表示为：

M

K表示扭转恢复系数，δ为传动轴的转动角度。扭转恢复系数K即为扭力板的目标设计值。其中弹性扭力板通过材料的选择，厚度、宽度的设计实现固定的扭转恢复系数K。

具体地，使用时通过调整夹具在弹性扭力版中的轴向位置，以调整弹性扭力板4的被扭转部分的长度，实现扭转恢复系数K具体数值的连续可调。夹具越靠近弹性扭力板4的尾端，说明弹性扭力板4能够被扭转部分的长度越长，则K值越小，夹具越靠近弹性扭力版4的前端，弹性扭力板4能够被扭转部分的长度越短，K值越大。

综上，通过负载模拟装置能够模拟真实情况下主要的力矩包括摩擦力矩M

优选地，各力矩的模拟值通常采用原机构比例进行模拟，若由于尺寸限制需要对负载模拟装置进行等效缩放或者放大时，则按照力矩＝力×力臂的原则，进行各力矩的等效模拟。

其中根据上述的负载模拟装置，本申请还提供了一种负载模拟方法，该方法具体包括：

步骤S1：被测伺服机构接收指令进行摆动。

步骤S2：被测伺服机构转动带动传动轴进行转动，传动轴转动过程中确定产生的摩擦力矩、惯性力矩以及摆角相关力矩。

本申请的有益效果是：

(1)本申请采用惯量盘对真实喷管摆动部分的惯量进行模拟，且采用通用接口，针对不同喷管具有通用性和互换性。本申请无需真实喷管，即可实现对喷管摆动伺服机构的性能验证，大幅减小了负载模拟装置的价格。

(2)本申请采用摩擦制动器对喷管摆动时的常值摩擦力矩进行模拟，且能够通过电流对摩擦力矩幅值进行调整，精度较高，适应性强。以及采用扭力板形式，对角度相关力矩进行等效模拟，能够提供与转角直接相关的恢复力矩，无需引入电气控制测量等环节，可靠性高。本申请的各器件简单实用、可靠性高，减少电动组件和测量环节，维修性强，互换性强，通用性强。

虽然当前申请参考的示例被描述，其只是为了解释的目的而不是对本申请的限制，对实施方式的改变，增加和/或删除可以被做出而不脱离本申请的范围。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。