CN114112289B - 一种叶片式旋转试验件转速测量装置及其测量系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片式旋转试验件转速测量装置及其测量系统、方法，解决现有转速测量装置在测量过程中自身产生摩擦力矩，存在测得转速数据失真；试验周期长的问题。装置包括攻角调节机构、转轴机构和转速传感器；攻角调节机构包括攻角调节底板及设在攻角调节底板上方的攻角调节转动板；攻角调节底板和攻角调节转动板之间设有铰接件和角度调节组件，实现攻角调节转动板与攻角调节底板之间倾角调节；转轴机构包括转轴安装座和转轴，转轴安装座设在攻角调节转动板上，转轴通过轴承穿设在转轴安装座内，前端伸出转轴安装座；转速传感器包括同轴设在转轴上的齿轮及设在安装座内且与齿轮配合的接近开关，接近开关测量齿轮通过的齿数，获得转轴的转速。

Description

一种叶片式旋转试验件转速测量装置及其测量系统、方法

技术领域

本发明属于风洞试验领域，具体涉及一种用于风洞试验中叶片式旋转试验件的转速测量装置，以及该测量装置受轴向推力作用条件下(模拟试验件在吹风作用下)摩擦力矩的测量系统及方法。

背景技术

在风洞试验中，需在不同攻角姿态下进行叶片式旋转试验件吹风试验。试验件为旋转体，试验过程中在风力作用下，试验件会以一定的速度沿轴线产生旋转运动。

目前，对于试验件转速的测量装置，包括转轴系统以及同轴连接在转轴系统上的转速传感器，转轴系统与试验件同轴连接，通过转速传感器实现试验件的转速测量。在对试验件转速测量过程中，测量装置本身不可避免的会产生摩擦力矩，该摩擦力矩数据过大会对试验件转速产生较大的误差影响，使测得的转速数据失真。另外，由于转速传感器转动过程中存在摩擦力矩，也会在测量过程中引入额外的摩擦力矩，使得摩擦力矩要求难以保证。

另外，目前对于不同攻角的调节主要是通过更换不同角度的安装架，每个角度对应一个安装架，使得加工成本高，更换工作量大，试验所需时间长，导致试验周期加长。

发明内容

为了解决现有叶片式旋转试验件转速测量装置在测量过程中，自身产生摩擦力矩，该摩擦力矩数据过大会导致测得转速数据失真；不同攻角调节通过更换不同角度安装架，使加工成本高、更换工作量大、试验所需时间长，导致试验周期加长的技术问题，本发明提供了一种叶片式旋转试验件转速测量装置及该测量装置摩擦力矩的测量系统、方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种叶片式旋转试验件转速测量装置，其特殊之处在于：包括攻角调节机构、转轴机构和转速传感器；

所述攻角调节机构包括攻角调节底板以及设置在攻角调节底板上方的攻角调节转动板；攻角调节底板和攻角调节转动板之间设置有铰接件和角度调节组件，实现攻角调节转动板与攻角调节底板之间的倾角调节；

所述转轴机构包括转轴安装座和转轴，转轴安装座设置在攻角调节转动板上，转轴通过轴承穿设在转轴安装座内，且前端伸出转轴安装座；

所述转速传感器包括同轴设置在转轴上的齿轮以及设置在安装座内且与齿轮配合的接近开关，接近开关测量齿轮通过的齿数，获得转轴的转速。

进一步地，所述铰接件为连接攻角调节底板和攻角调节转动板的铰接转轴；

所述角度调节组件包括固定螺栓和定位销；

所述攻角调节底板的上表面具有连接板，连接板上设有多个第一定位销孔以及与铰接转轴同轴的圆弧状长条孔，多个第一定位销孔以铰接转轴的轴线为圆心周向布置；

所述攻角调节转动板上开设有与第一定位销孔配合的第二定位销孔以及与圆弧状长条孔配合的通孔，通过定位销穿过第一定位销孔和第二定位销孔，实现攻角调节转动板和攻角调节底板的定位，并通过固定螺栓穿过通孔和圆弧状长条孔，将攻角调节底板和攻角调节转动板固定。

进一步地，所述转轴安装座包括中空壳体以及设置在中空壳体两端的端盖，轴承的两端分别通过转轴上的轴肩和端盖实现轴向限位，端盖上设有供转轴穿出的通孔。

进一步地，所述轴承为一对面对面安装的角接触轴承，2个角接触轴承分别位于中空壳体的两端部。

同时，本发明提供了一种上述叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量系统，其特殊之处在于：包括模拟圆盘、力传感器、扭矩传感器和电机；

所述模拟圆盘和力传感器用于依次同轴设置在转轴的前端，且力传感器靠近转轴设置；

所述扭矩传感器和电机用于依次同轴设置在转轴的后端，且扭矩传感器靠近转轴设置，电机安装在攻角调节转动板上。

本发明还提供了一种对上述叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量方法，其特殊之处在于，采用上述测量系统，包括以下步骤：

1)在转轴机构的转轴前端安装模拟圆盘和力传感器，且力传感器靠近转轴设置，然后将测量装置放置在风洞试验段中，用气流吹模拟圆盘，并调整气流参数，直至力传感器测得作用在模拟圆盘上的气动力数值达到模拟要求；

2)拆除力传感器，在转轴机构的转轴后端安装扭矩传感器和电机，且扭矩传感器靠近转轴设置，电机安装在攻角调节转动板上；

3)在达到步骤1)模拟要求的气动力作用下，同时电机以每秒5～10转的速度带动转轴转动，采集扭矩传感器的扭矩数据和转速传感器的转速数据，获得该转速下的扭矩数据，该扭矩数据为测量装置的摩擦力矩；

4)比较摩擦力矩与设定阈值，若摩擦力矩小于设定阈值，则执行步骤5)，若摩擦力矩大于等于设定阈值，则通过更换转轴、轴承，返回步骤3)，直至摩擦力矩小于设定阈值；

5)拆除模拟圆盘、扭矩传感器和电机，将待试验件同轴安装在转轴机构的转轴前端，并整体置于风洞试验段中，根据攻角姿态要求调整攻角调节机构的攻角调节转动板与攻角调节底板之间倾角，在符合试验件工作条件的气动力作用下进行试验，转速传感器测量试验件的转速。

进一步地，步骤5)中，待试验件位于风洞的等马赫区。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明转速传感器包括齿轮和与齿轮配合的接近开关，通过接近开关测量与转轴同轴齿轮的通过齿数，从而获得转轴的转速，避免了现有将转速传感器安装在转轴上，引入转速传感器自身产生的摩擦力矩，影响转速测量的准确性。

2、本发明转轴通过一对面对面安装的角接触轴承安装在转轴安装座中，角接触轴承可承受来流条件产生的轴向推力，有效保护扭矩传感器不受轴向推力破坏；避免采用普通球轴承，使转轴机构不能承受轴向推力，在测量扭矩时使扭矩传感器承受推力而损坏。

3、为了提高转速数据的准确性，本发明测量装置通过对转轴机构的设计保证较小的摩擦力矩；并通过对测量装置摩擦力矩的测量，使测量装置的转轴机构摩擦力矩控制设定阈值范围内，使得在安装试验件进行转速测量时，由于测量装置的摩擦力矩在误差允许范围内(低于阈值)，则可以忽略测量装置摩擦力矩对转速测量结果的影响，使得试验件转速数据准确性较高。

4、本发明模拟试验件吹风作用下，在有轴向推力和转速传感器的情况下，测量转轴的摩擦力矩，对摩擦力矩进行判断，得出该转轴机构合格与否的检测；若不合格，通过减小转轴和轴承的规格，实现转轴机构摩擦力矩减小，直至摩擦力矩合格，使得测量装置的摩擦力矩在一个较小的范围内(摩擦力矩小于设定阈值)，进而避免测量装置的摩擦力矩对转速测量结果的误差影响。

5、现有轴向推力加载是接触式加载(接触式是加载装置与被加载件之间的机械接触，比如气缸加载总会有气缸杆顶在转轴装置上，转轴旋转会与气缸杆产生摩擦力矩)，在转轴转动过程中会产生多余的摩擦力矩；本申请是使用气动力轴向加载，没有固体间的接触，气固接触摩擦力矩可以忽略不计，提高测量的准确性。

附图说明

图1是本发明叶片式旋转试验件转速测量装置的结构示意图；

图2是本发明叶片式旋转试验件转速测量装置中转轴机构与转速传感器的结构示意图；

图3是本发明叶片式旋转试验件转速测量装置中齿轮的结构示意图；

图4是本发明叶片式旋转试验件转速测量装置中攻角调节机构的结构示意图；

图5是本发明测量系统的结构示意图一(模拟圆盘和力传感器安装于叶片式旋转试验件转速测量装置转轴的前端)；

图6是本发明测量系统的结构示意图二(扭矩传感器和电机安装于叶片式旋转试验件转速测量装置转轴的后端)；

图7是本发明测量方法步骤2)中拆除力传感器，在转轴后端安装扭矩传感器和电机的结构示意图；

图8是将图7的结构整体安装在风洞试验段的示意图；

图9是本发明叶片式旋转试验件转速测量装置与试验件的安装状态示意图(并置于风洞试验段中)；

其中，附图标记如下：

1-转轴机构，11-转轴，12-轴承，13-转轴安装座，131-中空壳体，132-端盖，14-齿轮，15-接近开关；

2-攻角调节机构，21-攻角调节底板，22-攻角调节转动板，221-第二定位销孔，222-通孔，23-铰接转轴；

24-连接板，241-第一定位销孔，242-圆弧状长条孔，25-固定螺栓，26-定位销；

3-模拟圆盘，4-力传感器，5-扭矩传感器，6-联轴器，7-电机，8-扭矩传感器安装支架，9-电机安装支架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种叶片式旋转试验件转速测量装置，包括攻角调节机构2、转轴机构1和转速传感器。

如图4所示，攻角调节机构2包括攻角调节底板21以及设置在攻角调节底板21上方的攻角调节转动板22，攻角调节底板21和攻角调节转动板22之间设置有铰接件和角度调节组件，实现攻角调节转动板22与攻角调节底板21之间的倾角调节。

本实施例铰接件为连接攻角调节底板21一端和攻角调节转动板22一端的铰接转轴23，铰接转轴23的两端部与螺母相连，攻角调节转动板22可相对攻角调节底板21绕铰接转轴23转动；角度调节组件包括固定螺栓25和定位销26，攻角调节底板21的上表面具有平行设置的两个连接板24，攻角调节转动板22上与两个连接板24配合的位置开设通槽，两个连接板24穿设在通槽内，两个连接板24的结构相同，每个连接板24上设有多个第一定位销孔241以及与铰接转轴23同轴的圆弧状长条孔242，多个第一定位销孔241以铰接转轴23的轴线为圆心周向布置，本实施例在0°、15°、30°位置设置第一定位销孔241；攻角调节转动板22开有通槽的侧壁上开设有与第一定位销孔241配合的第二定位销孔221以及与圆弧状长条孔242配合的通孔222，通过定位销26穿过连接板24上的第一定位销孔241和攻角调节转动板22上的第二定位销孔221，实现攻角调节转动板22和攻角调节底板21的定位，并通过固定螺栓25穿过通孔222和圆弧状长条孔242，将攻角调节底板21和攻角调节转动板22固定。通过转动攻角调节转动板22，使其上的第二定位销孔221与不同位置的第一定位销孔241配合，实现攻角调节转动板22与攻角调节底板21之间的倾角调节。

如图2和图3所示，转轴机构1包括转轴安装座13和转轴11，转轴安装座13设置在攻角调节转动板22上，转轴安装座13包括设置在攻角调节转动板22上的中空壳体131和设置在中空壳体131两端的端盖132，转轴11通过轴承12安装在中空壳体131中，转轴11可在中空壳体131内自由旋转，转轴11的前端伸出端盖132，用于与试验件同轴连接，后端设置在端盖132上，则两个端盖132上均开设有供转轴11穿出的通孔；

本实施例轴承12为一对面对面安装的角接触轴承，2个角接触轴承分别位于中空壳体131的两端，轴承12的两端分别通过转轴11上的轴肩和端盖132实现轴向限位，则转轴11的轴向定位是通过轴承12、端盖132和轴肩的限位完成。

如图2所示，转速传感器包括位于中空壳体131内并同轴设置在转轴11上的齿轮14以及设置在中空壳体131上且与齿轮14配合的接近开关15，通过接近开关15测量与转轴11同轴的齿轮14的通过齿数，从而获得转轴11的转速。

由于转轴机构1本身会产生摩擦力矩原因，使得测量装置自身的摩擦力矩对被试验件转速产生影响，为了获得有效的被试验件转速数据，需要将旋转时转轴11的摩擦力矩控制在一个范围内，并必须小于设定阈值。因此需要测量上述试验装置的转动摩擦力矩，并保证该摩擦力矩足够小。

为了使试验有效，本实施例设计了一种测量系统，模拟试验件在吹风作用下，试验装置转轴11产生的转动摩擦力矩，并测量该摩擦力矩，该测量系统包括模拟圆盘3、力传感器4、扭矩传感器5和电机7。如图5所示，模拟圆盘3和力传感器4用于依次同轴设置在转轴11的前端，且力传感器4靠近转轴11设置；如图6所示，扭矩传感器5和电机7用于依次同轴设置在转轴11的后端，且扭矩传感器5靠近转轴11设置，扭矩传感器5通过扭矩传感器安装支架8安装在攻角调节转动板22上，电机7通过电机安装支架9安装在攻角调节转动板22上，且电机7输出通过联轴器6与扭矩传感器5连接。

本实施例测量系统对上述叶片式旋转试验件转速测量装置转轴11的转动摩擦力矩的测量过程，包括以下步骤：

1)如图5所示，在转轴机构1的转轴11前端安装模拟圆盘3和力传感器4，且力传感器4靠近转轴11设置，然后将测量装置放置在风洞试验段中，用一定压力流量的气流吹模拟圆盘3，用于模拟在气流中产生的轴向气动力。通过力传感器4测量作用在圆板上的气动力，并调整气流参数，直至力传感器4测得作用在模拟圆盘3上的气动力数值达到模拟要求；

2)气动力模拟合格后，如图7所示，拆除力传感器4，在转轴机构1的转轴11后端安装扭矩传感器5和电机7，扭矩传感器5靠近转轴11设置，且三者同轴安装；电机7作为扭矩驱动，转轴机构1作为负载。扭矩传感器5位于转轴机构1和电机7之间，用于测量转轴机构1的摩擦力矩；

3)如图8所示，测试过程中，在达到步骤1)模拟要求的气动力作用下，同时电机7带动转轴11以5～10rad/s的转速转动以模拟试验产品件的转速，然后采集扭矩传感器5的扭矩数据和转速传感器的转速数据，获得该转速下的扭矩数据，该扭矩数据为测量装置的摩擦力矩；

其中，电机7转速的设计是根据实际需要进行设计，以模拟试验件的转速，同一个试验条件下，该电机7转速越快，测得摩擦力矩越大)；

4)比较摩擦力矩与设定阈值，若摩擦力矩小于设定阈值，则执行步骤5)，若摩擦力矩大于等于设定阈值，则通过减小转轴11与轴承12的规格，使转轴机构1的摩擦力矩减小，再进行上述摩擦力矩测试，直至摩擦力矩小于设定阈值，即测量装置的摩擦力矩在误差允许范围内(低于阈值)；

5)摩擦力矩满足要求后，拆除模拟圆盘3、扭矩传感器5和电机7，将待试验件同轴安装在转轴机构1的转轴11前端，并整体置于风洞试验段中，见图9所示，优选将待试验件位于风洞的等马赫区(风洞流场的均匀区)，即图9中的菱形区内。在符合试验件工作条件的气动力作用下进行试验，试验件产生轴向旋转，转速传感器测量试验件的转速；根据攻角姿态要求调整攻角调节机构2的攻角调节转动板22与攻角调节底板21之间倾角。

本实施例通过对测量装置的摩擦力矩的测量，判断该摩擦力矩是否符合要求，进而判断测量装置是否合格，摩擦力矩合格的测量装置对最终的转速值并无影响，通过摩擦力矩的测量选择出一个合格(摩擦力矩小于设定阈值)测量装置；并可通过减小转轴11与轴承12的规格，实现转轴机构1摩擦力矩减小，时测量装置的摩擦力矩符合要求。在测量装置的摩擦力矩满足要求(小于设定阈值)后，安装测试件进行转速测量时，可以忽略转轴摩擦力矩对测量装置的影响。电机7速度的调节是为了满足对试验件转速的模拟，不同的转速会测得不同的摩擦力矩，需要将试验要求的各个转速下的摩擦力矩控制在一个范围内(最高转速满足，其他转速也就满足)。该转速的设计是根据实际需要，模拟试验件的转速。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量系统，所述叶片式旋转试验件转速测量装置包括攻角调节机构（2）、转轴机构（1）和转速传感器；所述攻角调节机构（2）包括攻角调节底板（21）以及设置在攻角调节底板（21）上方的攻角调节转动板（22）；攻角调节底板（21）和攻角调节转动板（22）之间设置有铰接件和角度调节组件，实现攻角调节转动板（22）与攻角调节底板（21）之间的倾角调节；所述转轴机构（1）包括转轴安装座（13）和转轴（11），转轴安装座（13）设置在攻角调节转动板（22）上，转轴（11）通过轴承（12）穿设在转轴安装座（13）内，且前端伸出转轴安装座（13）；所述转速传感器包括同轴设置在转轴（11）上的齿轮（14）以及设置在安装座内且与齿轮（14）配合的接近开关（15），接近开关（15）测量齿轮（14）通过的齿数，获得转轴（11）的转速；其特征在于：包括模拟圆盘（3）、力传感器（4）、扭矩传感器（5）和电机（7）；

所述模拟圆盘（3）和力传感器（4）用于依次同轴设置在转轴（11）的前端，且力传感器（4）靠近转轴（11）设置；

所述扭矩传感器（5）和电机（7）用于依次同轴设置在转轴（11）的后端，且扭矩传感器（5）靠近转轴（11）设置，电机（7）安装在攻角调节转动板（22）上。

2.根据权利要求1所述叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量系统，其特征在于：所述铰接件为连接攻角调节底板（21）和攻角调节转动板（22）的铰接转轴（23）；

所述角度调节组件包括固定螺栓（25）和定位销（26）；

所述攻角调节底板（21）的上表面具有连接板（24），连接板（24）上设有多个第一定位销孔（241）以及与铰接转轴（23）同轴的圆弧状长条孔（242），多个第一定位销孔（241）以铰接转轴（23）的轴线为圆心周向布置；

所述攻角调节转动板（22）上开设有与第一定位销孔（241）配合的第二定位销孔（221）以及与圆弧状长条孔（242）配合的通孔（222），通过定位销（26）穿过第一定位销孔（241）和第二定位销孔（221），实现攻角调节转动板（22）和攻角调节底板（21）的定位，并通过固定螺栓（25）穿过通孔（222）和圆弧状长条孔（242），将攻角调节底板（21）和攻角调节转动板（22）固定。

3.根据权利要求1或2所述叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量系统，其特征在于：所述转轴安装座（13）包括中空壳体（131）以及设置在中空壳体（131）两端的端盖（132），轴承（12）的两端分别通过转轴（11）上的轴肩和端盖（132）实现轴向限位，端盖（132）上设有供转轴（11）穿出的通孔。

4.根据权利要求3所述叶片式旋转试验件转速测量装置摩擦力矩的测量系统，其特征在于：所述轴承（12）为一对面安装的角接触轴承，2个角接触轴承分别位于中空壳体（131）的两端部。

5.一种摩擦力矩测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述测量系统，包括以下步骤：

1）在转轴机构（1）的转轴（11）前端安装模拟圆盘（3）和力传感器（4），且力传感器（4）靠近转轴（11）设置，然后将测量装置放置在风洞试验段中，用气流吹模拟圆盘（3），并调整气流参数，直至力传感器（4）测得作用在模拟圆盘（3）上的气动力数值达到模拟要求；

2）拆除力传感器（4），在转轴机构（1）的转轴（11）后端安装扭矩传感器（5）和电机（7），且扭矩传感器（5）靠近转轴（11）设置，电机（7）安装在攻角调节转动板（22）上；

3）在达到步骤1）模拟要求的气动力作用下，同时电机（7）以每秒5～10转的速度带动转轴（11）转动，采集扭矩传感器（5）的扭矩数据和转速传感器的转速数据，获得该转速下的扭矩数据，该扭矩数据为测量装置的摩擦力矩；

4）比较摩擦力矩与设定阈值，若摩擦力矩小于设定阈值，则执行步骤5），若摩擦力矩大于等于设定阈值，则通过更换转轴（11）、轴承（12），返回步骤3），直至摩擦力矩小于设定阈值；

5）拆除模拟圆盘（3）、扭矩传感器（5）和电机（7），将待试验件同轴安装在转轴机构（1）的转轴（11）前端，并整体置于风洞试验段中，根据攻角姿态要求调整攻角调节机构（2）的攻角调节转动板（22）与攻角调节底板（21）之间倾角，在符合试验件工作条件的气动力作用下进行试验，转速传感器测量试验件的转速。

6.根据权利要求5所述一种摩擦力矩测量方法，其特征在于：步骤5）中，待试验件位于风洞的等马赫区。