一种耐高温滚转支杆、制备方法及滚转角控制方法

技术领域

本发明涉及高超声速风洞试验领域，具体而言，涉及一种用于高超声速风洞的耐高温滚转支杆，适用于高超声速流场环境下对飞行器模型实现滚转角度多姿态精准调节。

背景技术

高超声速风洞试验是依据相对性原理，将飞行器模型固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，因此模拟空中各种复杂的飞行状态。目前普遍使用的高超声速风洞试验设备具备5方向自由度运动功能：X向、Y向、Z向的平移，以及Z向、Y向的旋转，其中，X向指向支杆中心轴线方向，Y向朝上，Z向通过右手定则判定。但是无法实现X向的旋转(坐标原点位于飞行器头部顶点，X轴指向机体前方，Y轴位于纵向对称面内垂直于X轴向上，Z轴按右手定则确定)。模型与支杆连接，并一起固定在试验设备上，从而实现模型5自由度方向运动。

风洞试验中，当模型需要实现X向滚转角变化时，试验人员拆卸支杆并进行重新装配，从而实现模型X向的旋转运动。但是随着试验要求的日益提高，传统人工变滚转角的方式暴露的缺点日益明显：1.效率低下，模型改变滚转角需要多次拆装支杆，极大的增加了试验准备时间；2、增大部件磨损风险，由于模型、支杆长时间的拆卸、安装，势必会增加支杆磨损量，从而极大的影响了零部件使用寿命；3、可重复性差，模型调节滚转角的过程中采取水平仪进行角度定位，由于人为误差的情况，可能导致实际滚转与理论滚转有微小误差；4、试验结果有局限性，模型采取定滚转角进行风洞试验，难以准确了解滚转角变化过程中的气动特性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种耐高温滚转支杆、制备方法及滚转角控制方法，适用于高超声速流场环境下对飞行器模型实现多姿态调节，而且结构简单、重复性良好、便于装配。

本发明解决技术的方案是：一种用于高超声速风洞的耐高温滚转支杆，该支杆包括支杆等值段、导流锥、支杆连接段、支撑支架、支杆拔紧螺母、水冷套、传动轴、联轴器、电机法兰以及电机；

支杆等值段套在支杆连接段内部，通过轴承与支杆连接段连接，能够在支杆连接段内部自由旋转，支杆连接段一端与导流锥固定连接、另一端与水冷套固定连接，中间部分通过键配合连接在支撑支架上，并通过拔紧螺母连接紧固；导流锥小径端内径略大于支杆等值段外圈大径，保证支杆等值段自由旋转，导流锥用于将气体导流，支撑支架用于连接试验设备，水冷套通过电机法兰与电机壳体连接，用于保持电机处于恒温状态；

支杆等值段一端用于与风洞内的天平连接，另一端与传动轴的一端通过键配合连接，传动轴的另一端与联轴器的一端连接，联轴器的另一端与连接电机输出轴，由电机驱动支杆等值段自由转动。

优选地，所述导流锥通过柱配合的方式与支杆连接段连接，并通过第二销子孔固定；支杆拔紧螺母通过螺纹配合将杆连接段的固定，初始安装时，导流锥与支杆等值段通过第一销子孔连接，实现支杆等值段的初始定位。

优选地，电机法兰上设有内法兰孔和外法兰孔，内法兰螺钉穿过内法兰孔与电机连接，实现电机与电机法兰的固定；外法兰螺钉穿过外法兰孔与水冷套连接，实现电机法兰与水冷套的固定，从而最终实现电机、电机法兰以及水冷套的一体化连接和固定。

优选地，上述用于高超声速风洞的耐高温滚转支杆还包括前轴承紧固圈、前轴承、后轴承限位圈、后轴承、后轴承紧固圈；

前轴承紧固圈内圈与支杆等值段过渡配合，并通过销子固定在支杆等值段上，用于紧固前轴承，避免前轴承前后移动；

前轴承外圈与支杆连接段过渡配合，内圈与支杆等值段配合过渡配合；

后轴承限位圈与支杆连接段间隙配合，并通过销子固定在支杆连接段上，起到了限制后轴承空间位置的作用；

后轴承外圈与支杆连接段过渡配合，内圈与支杆等值段过渡配合；

后轴承紧固圈内圈与支杆等值段过渡配合，并通过销子固定在支杆等值段上。

优选地，所述支杆等值段与天平连接端的端部设有楔子孔，楔子孔用于与天平锥配合连接，并通过楔子固定。

优选地，所述支杆等值段内部设有通孔，通孔内开有天平线槽，用于将天平线引出至水冷套。

优选地，所述支杆连接段侧面设有标定平面、前轴承限位槽、电机线孔；

标定平面，用于支杆等值段滚转角的初始角度标定；

前轴承限位槽，顶住前轴承的外圈，与前轴承紧固圈共同作用，实现前轴承空间位置的限定；

电机线孔，便于天平线的引出。

优选地，所述支杆连接段侧面还设有键槽，支撑支架相应的位置设有与之匹配的键槽，两个键槽之间通过键配合，实现实现支杆连接段滚转角度的固定。

优选地，所述水冷套包含水冷内圈和水冷外套，水冷内圈和水冷外套之间存在空隙，水冷内圈一端与支杆连接段配合过渡配合，另一端与水冷外套通过柱配合并利用销子固定，水冷内圈设计有天平线孔，便于天平线的引出；水冷外套设计有出水口、进水口，水流进入水冷内圈和水冷外套之间的空隙后，实现温度的恒定，水冷套内圈的小径与电机壳体直径相等，内圈大径与支杆连接段外圈小径相等。

优选地，水冷套安装后，水冷套进出水口上下布局，且进水口位于下方，出水口位于上方。

本发明另一个技术方案是：用于高超声速风洞的耐滚转支杆的装配方法，该方法包括如下步骤：

S1、将后轴承限位圈与支杆连接段连接紧固；

S2、将支杆连接段安装于支撑支架上，并通过支杆把紧螺母固定；

S3、将前轴承、前轴承紧固圈先后安装在支杆等值段上，其中前轴承紧固圈位于支杆等值段靠近天平的端部，前轴承靠近支杆等值段另一端；

S4、将支杆等值段一并放入至支杆连接段内腔，在支杆连接段的前轴承限位槽的限位作用下，支杆等值段运动到极限位置；

S4、将后轴承、后轴承紧固圈先后安装在支杆等值段上，后轴承紧固圈与支杆等值段紧连，其中后轴承靠近支杆等值段天平端，后轴承紧固圈靠近支杆等值段另一端；

S5、在前轴承紧固圈、前轴承、支杆连接段内腔凸起、后轴承限位圈、后轴承、后轴承紧固圈的共同作用下，支杆等值段连接在支杆连接段上，并且支杆等值段能够自由旋转；

s6、水冷套外套和水冷套内圈通过柱配合，并利用销子实现两两者的固定；

s7、电机法兰通过螺钉与电机连接，随后联轴器固定在电机输出，将传动轴与联轴器连接固定；

S8、将装配后的电机放入水冷套内腔，并通过电机法兰固定在水冷套上。装配后的水冷套与支杆连接段柱配合连接，并利用销子进行固定，同时装配过程中，将输出轴插入支杆等值段内部设计的凹槽内；

S9、安装导流锥，导流锥大内径端与支杆连接段配合，小内径端与支杆等值段配合。

本发明又一个技术方案是：一种用于高超声速风洞的耐滚转支杆角度调节方法，该方法包括如下步骤：

S2-1、安装倒流锥和支杆等值段的定位销，实现支杆等值段的固定；

S2-2、利用水平仪测量支杆连接段的滚转角度γl，此时支杆等值段滚转角度γ

S2-3、根据如下关系式，调节支杆滚转角：

其中，[]表示取整，n为电机额定转速；R为电机减速机减速比；t为电机转动时间，γ为支杆滚转角。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明通过伺服电机驱动支杆旋转的方法，实现了支杆X向的自由旋转和精确控制；相比于现有技术中多次拆装支杆调节滚转角的方法，在满足支杆滚转精度的前提下，简化了模型滚转角调节过程。

(2)、本发明水冷套模块通过循环水系统，对电机进行温度补偿，解决了高超声速中常见的温度干扰难题，避免了温度效应对于电机运作的影响。确保电机长时间在安全环境下运转，从而延长了电机使用寿命，保证支杆系统的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的装配结构示意图；

图2为本发明实施例的支杆等值段连接示意图；

图3(a)为本发明实施例的装配结构侧视图；

图3(b)为图3(a)的A-A向剖视图；

图3(c)为图3(a)的B-B向剖视图；

图4(a)为本发明实施例的支杆等值段剖视图；

图4(b)为本发明实施例的支杆等值段正视图；

图5(a)为本发明实施例的导流锥正视图；

图5(b)为本发明实施例的导流锥左视图；

图5(c)为本发明实施例的导流锥剖视图；

图6(a)为本发明实施例的水冷套结构A-A向视图；

图6(b)为本发明实施例的水冷套结构左视图；

图6(c)为本发明实施例的水冷套结构正视图；

图6(d)为本发明实施例的水冷套结构右视图；

图6(e)为本发明实施例的水冷套结构B-B向剖视图；

图7(a)为本发明实施例的支杆连接段结构剖视图；

图7(b)为本发明实施例的支杆连接段结构正视图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供的一种用于高超声速风洞的耐高温滚转支杆包括支杆等值段1、导流锥2、支杆连接段3、支撑支架4、支杆拔紧螺母5、水冷套6、传动轴14、联轴器15、电机法兰16以及电机17；

支杆等值段1套在支杆连接段3内部，通过轴承与支杆连接段3连接，能够在支杆连接段内部自由旋转，支杆连接段3一端与导流锥2固定连接、另一端与水冷套6固定连接，中间部分通过键配合连接在支撑支架4上，并通过拔紧螺母5连接紧固；导流锥2小径端内径略大于支杆等值段外圈大径，保证支杆等值段1自由旋转，导流锥2用于将气体导流，减少支杆对于流场的干扰，支撑支架4用于连接试验设备，水冷套6通过电机法兰16与电机17壳体连接，用于保持电机17处于恒温状态；

支杆等值段1一端用于与风洞内的天平连接，另一端与传动轴14的一端通过键配合连接，传动轴14的另一端与联轴器15的一端连接，联轴器15的另一端与连接电机输出轴，由电机17驱动支杆等值段1自由转动。

优选地，所述导流锥2通过柱配合的方式与支杆连接段3连接，并通过第二销子孔2-2固定；支杆拔紧螺母5通过螺纹配合将杆连接段3的固定，初始安装时，导流锥2与支杆等值段1通过第一销子孔2-1连接，实现支杆等值段1的初始定位。

电机法兰16上设有内法兰孔和外法兰孔，内法兰螺钉穿过内法兰孔与电机连接，实现电机与电机法兰的固定；外法兰螺钉穿过外法兰孔与水冷套6连接，实现电机法兰与水冷套的固定，从而最终实现电机、电机法兰以及水冷套的一体化连接和固定。

支杆等值段与支杆连接段通过前轴承紧固圈7、前轴承8、9、后轴承限位圈10、后轴承11、12、后轴承紧固圈13连接，具体为：

前轴承紧固圈7内圈与支杆等值段过渡配合，并通过销子固定在支杆等值段上，用于紧固前轴承8、9，避免前轴承8、9前后移动；

前轴承8，9外圈与支杆连接段3过渡配合，内圈与支杆等值段1配合过渡配合；

后轴承限位圈10与支杆连接段1间隙配合，并通过销子固定在支杆连接段上，起到了限制后轴承空间位置的作用；

后轴承11、12外圈与支杆连接段3过渡配合，内圈与支杆等值段过渡配合；

后轴承紧固圈13内圈与支杆等值段过渡配合，并通过销子固定在支杆等值段上。

所述支杆等值段1与天平连接端的端部设有楔子孔1-1，楔子孔1-1用于与天平锥配合连接，并通过楔子固定。

所述支杆等值段1内部设有通孔，通孔内开有天平线槽，用于将天平线引出至水冷套6。

所述支杆连接段3侧面设有标定平面3-1、前轴承限位槽3-2、电机线孔3-3；

标定平面3-1，用于支杆等值段1滚转角的初始角度标定；

前轴承限位槽3-2，顶住前轴承8、9的外圈，与前轴承紧固圈7共同作用，实现前轴承空间位置的限定；

电机线孔3-3，便于天平线的引出。

所述支杆连接段3侧面还设有键槽3-3，支撑支架4相应的位置设有与之匹配的键槽，两个键槽之间通过键配合，实现实现支杆连接段3滚转角度的固定。

所述水冷套6设计为内外双层结构，包含水冷内圈6-1和水冷外套6-2，水冷内圈6-1和水冷外套6-2之间存在空隙，水冷内圈6-2一端与支杆连接段3配合过渡配合，并利用销子固定连接，另一端与水冷外套6-2通过柱配合并利用销子固定，水冷内圈设计有天平线孔6-3，便于天平线的引出；水冷外套6-2外圈设计有出水口6-4、进水口6-5，水流进入水冷内圈6-1和水冷外套6-2之间的空隙后，从而实现内部的水循环，保持电机温度的恒定，水冷套内圈6-1的小径与电机壳体直径相等，内圈大径与支杆连接段3外圈小径相等。

水冷套安装后，水冷套进出水口上下布局，且进水口位于下方，出水口位于上方。

上述用于高超声速风洞的耐滚转支杆的装配方法包括如下步骤：

S1、将后轴承限位圈10与支杆连接段3连接紧固；

S2、将支杆连接段3安装于支撑支架4上，并通过支杆把紧螺母5固定；

S3、将前轴承8、9、前轴承紧固圈7先后安装在支杆等值段上，其中前轴承紧固圈7位于支杆等值段1靠近天平的端部，前轴承8、9靠近支杆等值段1另一端；

S4、将支杆等值段1一并放入至支杆连接段内腔，在支杆连接段的前轴承限位槽3-2的限位作用下，支杆等值段运动到极限位置；

S4、将后轴承11、12、后轴承紧固圈13先后安装在支杆等值段上，后轴承紧固圈13与支杆等值段紧连，其中后轴承靠近支杆等值段天平端，后轴承紧固圈靠近支杆等值段另一端；

S5、在前轴承紧固圈、前轴承、支杆连接段内腔凸起、后轴承限位圈、后轴承、后轴承紧固圈的共同作用下，支杆等值段连接在支杆连接段上，并且支杆等值段能够自由旋转；

s6、水冷套外套和水冷套内圈通过柱配合，并利用销子实现两两者的固定；

s7、电机法兰通过螺钉与电机连接，随后联轴器固定在电机输出，将传动轴与联轴器连接固定；

S8、将装配后的电机放入水冷套内腔，并通过电机法兰固定在水冷套上。装配后的水冷套与支杆连接段柱配合连接，并利用销子进行固定，同时装配过程中，将输出轴插入支杆等值段内部设计的凹槽内；水冷套安装后，需要保证水冷套进出水口上下布局，且进水口位于下方，出水口位于上方。

S9、安装导流锥，导流锥大内径端与支杆连接段配合，小内径端与支杆等值段配合。

实际运行过程中，需要实现支杆等值段滚转角度的精确控制，滚转角度调节主要依赖电机的精确控制，电机操控旋转角度Δγ符合下列公式：

其中，n为电机额定转速；R为电机减速机减速比；t为电机转动时间，。

基于上述支杆，本发明还提供了一种用于高超声速风洞的耐滚转支杆角度调节方法，该方法包括如下步骤：

S2-1、安装倒流锥和支杆等值段的定位销，实现支杆等值段的固定；

S2-2、利用水平仪测量支杆连接段的滚转角度γ

S2-3、根据如下关系式，调节支杆滚转角：

其中，[]表示取整，n为电机额定转速；R为电机减速机减速比；t为电机转动时间，γ为支杆滚转角。

实施例：

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。如图1、图2、图3(a)～图3(c)所示，根据本发明的实施例，用于高超声速风洞的耐高温滚转支杆包括：支杆等值段1、导流锥2、支杆连接段3、支撑支架4、支杆拔紧螺母5、水冷套6、前轴承紧固圈7、前轴承8、9、后轴承限位圈10、后轴承11、12、后轴承紧固圈13、传动轴14、联轴器15、电机法兰16以及电机17.

如图4(a)～图4(b)所示，支杆等值段1，连接模型的主要零部件，前端通过锥配合与天平连接，并通过楔子孔1-1实现天平的紧固，后端与电机轴14配合，通过键配合实现支杆的滚转。支杆等值段内部开有天平线槽，便于天平线的引出。支杆等值段设计有导流锥定位销孔1-2、前轴承紧固圈定位销孔1-3、后轴承紧固圈定位销孔1-4。

如图5(a)～图5(c)所示，导流锥2，有效实现来流气体的导流，减轻支杆对于流场的干扰。同时，可以实现支杆等值段的固定，便于支杆滚转角度的标定。导流锥后段通过柱配合与支杆连接段4配合，并通过销子孔2-2固定。在支杆滚转角标定时，通过销子孔2-1实现支杆等值段-导流锥-支杆连接段的一体化固定。导流锥小径端内径与支杆等值段外圈大径相等，大径端外径与支杆连接段内圈大径相等。

如图7所示，支杆连接段3，与支撑支架4连接，实现支杆与试验设备的连接固定。支杆连接段前段通过柱配合与导流锥连接，后段通过柱配合与水冷套连接。支杆拔紧螺母5通过螺纹配合实现支杆连接段的固定；支杆连接段设计有标定平面3-1，便于支杆等值段滚转角的初始角度标定；键槽3-3，实现支杆连接段滚转角度的固定；电机线孔3-4，便于天平线的引出。

支撑支架4，风洞试验设备的一部分。

支杆把紧螺母5，与支杆连接段螺纹部分进行配合，使用过程中，拔紧螺母一端被支撑支架限位，从而实现了支杆的拔紧固定。

如图6(a)～图6(e)所示，水冷套6，保持电机17处于恒温状态，避免电机因高温而失效。水冷套包含水冷内圈6-1和水冷外套6-2，内圈和外套之间存在空隙。水冷内圈一端与支杆连接段配合，另一端与水冷外套通过柱配合并利用销子固定，水冷内圈设计有天平线孔6-3，便于天平线的引出。水冷外套设计有出水口6-4、进水口6-5，水流进入内圈和外套之间的空隙后，实现温度的恒定。水冷套内圈的小径与电机外圈直径相等，内圈大径与支杆连接段外圈小径相等。

前轴承紧固圈7，紧固前轴承8、9，避免前后移动，前轴承紧固圈内圈与支杆等值段配合，并通过销子固定。

前轴承8、9，前轴承外圈与支杆连接段配合，内圈与支杆等值段配合。

后轴承限位圈10，外圈与支杆连接段内圈配合，并通过销子固定。后轴承限位圈可以限制后轴承11、12前后移动，配合后轴承紧固圈13实现支杆等值段的固定。后轴承限位圈外径与支杆连接段内圈小径相等，限位圈内径大于支杆等值段外圈小径2-4mm。

后轴承11、12，后轴承外圈与支杆连接段配合，内圈与支杆等值段配合。

后轴承紧固圈13，限制后轴承位置，后轴承紧固圈内圈与支杆等值段配合，并通过销子固定。

传动轴14，传递电机17动力，一端与支杆等值段连接，并通过键配合，另一端与联轴器连接。

联轴器15，一端连接传动轴，另一端连接电机。

电机法兰16，法兰上设计有法兰孔，内法兰孔与电机连接，外法兰孔与水冷套连接，从而实现电机的定位和固定。

电机17，动力来源，电机外圈与水冷套内圈柱配合，并通过电机法兰固定。

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。