一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法

技术领域

本发明属于高超声速静风洞技术领域，涉及一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法。

背景技术

高超声速静风洞技术的研究是当前空气动力学研究的前沿领域之一。飞行器在高空大气中高超声速飞行时，来流噪声和湍流度很低；而地面常规风洞试验段来流噪声较大、气流扰动大，湍流度一般超过1％，与飞行环境相差甚远。新一代高超声速飞行器研制，使得现有传统的风洞设备已经不能满足地面模拟试验的需求。新一代大口径静风洞流场的起动一般常用一种夹膜机构将膜片预先夹紧，通过膜片分割形成的几个不同空间形成一定压差进行破膜。

大口径夹膜机构使用螺纹啮合夹紧膜片，而实际上螺纹的内外径尺寸已经超过了标准范围，再加上要求夹紧力大、轴向精度高、齿面接触面积小，传统意义上的螺纹已经无法满足使用要求，故研究一种新的夹膜机构设计方法是实用且必要的，将会对高超声速静风洞甚至是常规高超声速风洞夹膜机构设计产生举足轻重的意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法。解决了夹膜段内径要求大、同时满足螺母和螺杆螺纹的剪切强度、弯曲强度及耐磨性能的问题，兼具了牙根强度高、频繁试验开合齿形损伤小与整体对中性好的特点，调试可靠，自动化程度高，可实施性强。

本发明解决技术的方案是：一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法，适用的夹膜机构包括螺母、中空管体结构的第一螺杆、第二螺杆；螺母第一端的和第二端的内表面以相同方式沿轴向交错的设有若干内螺纹组及第一开槽，第一螺杆第一端、第二螺杆第一端均设有与螺母的内螺纹组及第一开槽相对应的外螺纹组和第二开槽，外螺纹组收容于第一开槽，内螺纹组收容于第二开槽，螺母两端内外螺纹组的配合形成两处螺纹副；膜片分别顶抵在第一螺杆的第一端和或第二螺杆的第一端，驱动螺母旋转使螺母螺杆开合，压紧膜片；

包括以下步骤：

选择内螺纹组、外螺纹组螺纹牙型为锯齿形螺纹；

获取螺杆螺母材料参数，包括材料的许用弯曲应力σ

将螺杆小径d

建立满足螺杆螺纹的剪切强度与许用剪应力τ

以螺杆和螺母的轴线为圆心，根据螺杆的外螺纹组数量确定外螺纹组和第二开槽的开设角度，进而确定内螺纹组和第一开槽的开设角度；

根据外螺纹组和第二开槽的开设角度计算螺杆轴向推进量；

根据螺杆螺距P计算基本牙型高度、螺纹牙根宽度、螺杆螺母啮合顶隙、螺杆中径、螺杆小径。

进一步的，所述螺纹牙型选择30°～60°锯齿形螺纹。

进一步的，所述螺杆小径d

d

d

进一步的，由满足螺杆螺纹的剪切强度与许用剪应力τ

1.48πτ

其中，n为锯齿螺纹副旋合圈数，σ为夹膜机构内部气体压力，Φ为膜片的工作直径。

进一步的，由满足螺杆螺纹的弯曲强度与许用弯曲应力σ

σ

进一步的，由满足螺纹副中径耐磨性要求转化得到的不等式具体为：

p

其中，p

进一步的，由满足螺纹副工作压强要求转化得到的不等式具体为：

1.5np

进一步的，满足螺杆大径d要求的不等式具体为：

d≥Φ+2Δ

其中，Δ

进一步的，所述确定外螺纹组和第二开槽的开设角度，具体为：

z(α+β)＝360°，且α＞β；

其中，z为螺杆管体外壁加工的外螺纹组数量，α为螺杆第二开槽的角度，β为螺杆外螺纹组角度，α＞β；

进而，螺母的内螺纹组的开设角度为α-θ

进而按照下式计算螺杆轴向推进量x

进一步的，所述基本牙型高度H

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提供一种专用于大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法，试验证明使用此设计方法生产出来的夹膜机构传动效率达99％以上，传动效率高。

(2)本发明提供的夹膜机构设计方法可解决夹膜段内径要求大、可同时满足螺母和螺杆螺纹的剪切强度、弯曲强度及耐磨性能的问题。

(3)本发明提供的夹膜机构设计方法兼具了牙根强度高、频繁试验开合齿形损伤小与整体对中性好的特点。

(4)本发明提供的夹膜机构设计方法在具备良好工艺性的同时在生产后进行现场调试时控制方便，调试操作性强。

(5)本发明提供的设计方法经过多次不同大口径高超声速风洞夹膜机构设计过程和工程实际校核证明，该方法的设计结果具有可兼顾满足机构的自锁性、螺杆稳定性与螺杆刚度要求的特点。

(6)本发明提供的设计方法可通过计算机程序编程控制，通过输入条件实现最终结果的输出，自动化程度高，设计成本小，可实施性强。

附图说明

图1为本发明设计方法适用的夹膜机构整体结构示意图；

图2为本发明设计方法适用的夹膜机构工作原理示意图；

图3是本发明的螺母旋转角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

为方便本领域技术人员对本发明的理解，首先介绍高超声速静风洞夹膜机构的主要组成和工作原理。如图1、图2所示，夹膜机构主要包含固定架，螺母102、第一螺杆101、第二螺杆103、第一膜片104和第二膜片105，驱动螺母102转动的液压缸，其中第一螺杆101、第二螺杆103采用中空的管体，两者结构相同，螺纹旋向相反。

螺母102可转动的安装在固定架上，螺母102的第一端的和第二端的内表面以相同的方式沿轴向交错的设有若干内螺纹组及第一开槽，第一螺杆101收容于螺母102的第一端，第二螺杆103收容于螺母102的第二端；第一螺杆101的第一端、第二螺杆103的第一端均设有与螺母102的内螺纹组及第一开槽相对应的外螺纹组和第二开槽，所述外螺纹组收容于所述第一开槽，所述内螺纹组收容于所述第二开槽，并且所述外螺纹组和所述内螺纹组可相互转动至相互啮合，螺母102两端内外螺纹组的配合形成两处螺纹副。

第一膜片104顶抵在第一螺杆101的第一端，第二膜片105顶抵在第二螺杆103的第一端；螺母102中部径向两端通过耳片安装有液压缸，驱动螺母102旋转一定角度使螺母螺杆开合，从而压紧第一膜片104和第二膜片105。

中空的第一螺杆101、第二螺杆103与外部设备连接，分别作为低压端和高压端，螺母102中间设有充气孔用于充气，夹膜机构将膜片预先夹紧，然后向夹膜机构进行充气，通过膜片分割形成的几个不同空间形成一定压差进行破膜。

下面对本发明设计方法的具体实施方式进行描述。

一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法，夹膜段内径超出标准螺纹的设计范围，非标螺纹的设计是夹膜机构设计中的重点与难点。本发明先进行螺纹牙型的选择，再创造性地提出了夹膜段内径要求、螺母和螺杆螺纹的剪切强度、弯曲强度及耐磨性能目标条件的转化，再通过赋予满足目标条件的内径值得到另一螺纹参数即螺距的取值范围。在取值范围内得到相应的螺距值后，需要乘以一定的安全系数得到螺距的最终值。求得内径与螺距之值后，进而计算得到螺纹的其它参数。

具体的，本发明提出的一种大口径高超声速静风洞夹膜机构设计方法，包括以下步骤：

第一步：进行内螺纹组、外螺纹组螺纹牙型的选择，本实施例中，选择为30°锯齿形螺纹。

夹膜机构膜片每做完一次试验就需更换，开合次数比较频繁，螺纹副进入、退出啮合次数较多，同时，在进入啮合后，两片膜片破裂起动流场时管体内部气体由于巨大的压差瞬间将产生的较大冲击力，牙底会产生应力集中，所以对齿根弯曲强度有较高的要求；另外，夹膜机构整体装配后本体轴线与风洞自身轴线必须处于一条直线上，对螺纹对中性要求非常高；进一步地，由于螺纹副进入啮合后两侧螺杆产生轴向推进小位移用于夹紧膜片，而膜片本身厚度仅为几毫米，对轴向调节精度有较高的要求。而30°～60°锯齿形螺纹牙根强度高，对中性好，轴向调节精度高，可较好地满足大口径高超声速静风洞夹膜机构的工作环境；其中，选择为30°锯齿形螺纹时效果最为理想。

第二步：获取螺杆螺母材料参数，包括材料的许用弯曲应力σ

第三步：将螺杆小径d

螺杆和螺母材料一般相同，而螺杆的直径偏小，故只需对螺杆的强度进行分析。

螺杆小径d

d

式中：

d

d——夹膜机构螺杆大径，单位：mm；

h

P——螺杆螺距，单位：mm；

a

螺杆中径d

式中：

d

H

第四步：建立满足螺杆螺纹的剪切强度与许用剪应力τ

由于夹膜机构内径较大，超出标准锯齿螺纹直径设计范围，故螺杆螺纹的大径d(mm)与螺距P(mm)二者相互独立。

首先，由夹膜机构内部气体压力σ与膜片的工作直径Φ可得夹膜机构的轴向力F为：

式中：

F——夹膜机构的轴向力，单位：N；

σ——夹膜机构内部气体压力，单位：MPa；

A——膜片的工作面积，单位：mm

π——圆周率，数学常数无量纲；

Φ——膜片的工作直径，单位：mm。

然后，分别建立第五步所述的五个不等式：

①已知滑动螺旋传动螺杆螺纹剪切强度：

式中：

τ’——滑动螺旋传动螺杆螺纹剪切强度，单位：MPa；

b——螺纹牙根宽度，单位：mm，b＝0.74P(见GB/T 13576.1锯齿螺纹原始基本牙型)；

n——锯齿螺纹副旋合圈数，一般为10～12。

当作为夹膜机构使用时，加工好后的螺杆螺纹要经过插齿工序，把将近一半的螺纹去掉，形成第二开槽，那么沿螺杆小径展开后的周长将由原来的πd

式中：

τ——螺杆螺纹的剪切强度，单位：MPa。

把F、d

1.48πτ

记为不等式(1)。

②已知滑动螺旋传动螺杆螺纹弯曲强度：

式中：

σ

当作为夹膜机构使用时，加工好后的螺杆螺纹要经过插齿工序，把将近一半的螺纹去掉，形成第二开槽，那么沿螺杆小径展开后的周长将由原来的πd

式中：

σ

把F、H

σ

记为不等式(2)。

③已知30°锯齿螺纹中径耐磨性：

式中：

ψ——螺母形式系数，无量纲，本发明为整体式螺母，ψ取1.2～2.5。

p

把F、d

p

记为不等式(3)。

④已知30°锯齿螺纹工作压强：

式中：

p’——螺纹副的工作压强，单位：MPa。

当作为夹膜机构使用时，加工好后的螺杆螺纹要经过插齿工序，把将近一半的螺纹去掉，形成第二开槽，那么沿螺杆中径展开后的周长将由原来的πd

式中：

p——螺纹副的实际工作压强，MPa。

把F、d

1.5np

记为不等式(4)。

⑤螺杆大径条件：

膜片的工作直径Φ基础上，考虑压力容器自身壁厚Δ

d≥Φ+2Δ

式中：

Δ

Δ

记为不等式(5)。

联立不等式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，以上条件转化为关于螺杆螺距P与螺杆大径d的不等式方程组如下：

当螺杆螺距P与螺杆大径d与满足不等式方程组(6)时，即可满足夹膜机构螺杆大径、螺杆与螺母螺纹剪切强度、弯曲强度及耐磨性能条件。

进而，进行不等式方程组(6)的求解。本领域技术人员可根据不等式(5)求解螺杆大径d的取值范围，并从中选择标准大径值，确定出螺杆大径d值；再代入(1)～(5)联立求解螺杆螺距P，解出螺杆螺距P的取值范围后，从中选择合理的螺杆螺距即可，例如：选择螺杆螺距P取值范围内的标准螺距值，并优选较小的标准螺距值。

第五步：以螺杆和螺母的轴线为圆心，根据螺杆的外螺纹组数量，确定外螺纹组和第二开槽的开设角度，且保证第二开槽的开设角度大于外螺纹组，进而确定螺母的内螺纹组和第一开槽的开设角度。

如图3所示，以螺杆和螺母的轴线为圆心，螺杆第二开槽的角度为α，单位：度；外螺纹组角度为β，单位：度；使z(α+β)＝360°。其中：z为螺杆管体外壁加工的外螺纹组数量，无量纲，正整数。

本领域技术人员可操作一周内布置的齿数，从而分配角度α与β。重点是α务必要大于β，以防止在调试过程中，螺杆和螺母松开时，螺母旋转结束，螺母锯齿刚好处于螺杆锯齿空隙，螺杆无法取出，而影响风洞做完一次试验后更换膜片的试验进度，螺杆和螺母夹紧过程亦然。故α＞β是极其必要的，且螺杆和螺母的锯齿退出啮合后，两锯齿之间的角度空隙为(α-β)/2。

进而，螺母的内螺纹组的开设角度为α-θ

第六步：根据外螺纹组和第二开槽的开设角度计算螺杆轴向推进量，用于确定螺杆与螺母之间的夹紧力。

在风洞夹膜机构的设计方法中，应进行螺杆轴向推进量的计算，为膜片厚度的选择提供重要数据。螺杆轴向的推进量x为：

则x＝P(α+β)/360°。之后根据螺杆轴向的推进量x进行夹紧力计算，进而确定螺杆与螺母之间的夹紧力。

第七步：进行螺杆和螺母其它参数的计算，包括基本牙型高度、螺纹牙根宽度、螺杆螺母啮合顶隙、螺杆中径、螺杆小径等。

基本牙型高度H

螺纹牙根宽度b：b＝0.74P；

螺杆螺母啮合顶隙a

螺杆中径d

螺杆小径d

至此高超声速静风洞夹膜机构主要参数设计完毕。

实施例1

某高超声速静风洞的夹膜机构，工作压力σ＝5MPa，膜片工作直径Ф＝700mm，夹膜机构材料为30CrMnSiA，膜片厚度范围2～3mm，螺杆管体外壁加工的外螺纹组数量z为12，工作温度为常温，与厂家沟通螺杆的加工应力余量单边留取30mm，试设计此夹膜机构主要参数。

步骤一：大口径高超声速静风洞夹膜机构螺纹牙型设计最优的选择是30°锯齿螺纹。

步骤二：确定夹膜机构螺杆螺母的材料参数。

螺杆螺母材料拟选择30CrMnSiA，σ

许用弯曲应力σ

许用剪应力τ

步骤三：螺纹牙型和直径设计计算。

夹膜机构的轴向力为

锯齿螺纹旋合圈数n一般为10～12圈，n可取10；

螺纹副许用压强p

螺母形式系数ψ，夹膜机构螺母为整体式螺母，ψ取1.2～2.5之间，手动取2；

内压圆筒压力容器计算厚度Δ

与厂家沟通螺杆的加工应力余量单边留取30mm，则Δ

关于螺杆螺距P与螺杆大径d的不等式方程组为

步骤四：求解不等式方程组。

根据不等式，螺杆大径d可取800mm，代入方程求解后得：20.82≤P≤798.64；螺杆螺距P可取22mm。

步骤五：外螺纹组和第二开槽的开设角度的确定。

螺杆管体外壁加工的外螺纹组数量z为12，则根据公式z(α+β)＝360°，α+β为30度。α＞β，令α＝16°，β＝14°，螺杆和螺母的锯齿退出啮合后，两锯齿之间的角度空隙为1°。

步骤六：螺杆轴向推进量x的计算。

则x＝P(α+β)/360°＝0.46mm。

步骤六：螺杆和螺母其它主要参数计算。

基本牙型高度H

螺纹牙根宽度b＝0.74P＝16.28mm；

牙顶间隙a

螺母或螺杆中径d

螺杆小径d

此高超声速静风洞夹膜机构主要参数设计完毕。

本领域技术人员可进行夹膜机构设计方法的计算机程序编辑，利用计算机进行初始条件的输入，求解等式关系和不等关系等，可较大程度上地缩减夹膜机构的设计过程，提高设计效率，从而提高整个设计过程的自动化。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。