一种多轴风洞试验装置路径规划与防碰撞设计

在风洞试验装置的设计和运行中,运动机构的控制质量直接影响着模型的运动范围、气动特性的准确性和试验效率。多轴同步驱动的大惯量运动机构存在着结构复杂、惯性大、控制难度高、危险性高等特点。以4 m×3 m风洞大迎角尾撑运动机构为例,该设备作为多轴同步类设备常常会面临由于支撑的模型试验角度范围大,造成机构自身补偿距离随之增加,轴系运动逼近行程极限,既会限制试验角度范围,又会增加风险隐患等问题。针对以上问题,对多轴同步类设备开展讨论研究,提出基于电子凸轮的多轴运动路径规划技术和空间包围盒防碰撞检测算法,实现机构运动轨迹可规划、模型发生碰撞可预测的能力。目前,路径规划功能与防碰撞设计已应用于4 m×3 m风洞大迎角尾撑机构控制系统,有效提升了风洞试验装备的能力水平和安全性,加强了数控与测量设备的自动化、智能化。     

结冰风洞试验段转盘控制系统设计与应用

结冰是飞机的重大安全隐患,结冰风洞是研究飞机结冰与防除冰的地面试验设备,飞机模型安装在试验段转盘上,通过精确控制转盘带动模型旋转模拟姿态变化;研制了适用于低温、低气压、高湿度环境的转盘机械机构;设计了以317T-CPU、IM174模块和交流伺服的转盘控制系统总体方案,开发了功能完善的转盘监控软件;通过参数优化、主从偏差控制和全闭环位置控制,实现了3个试验段5套转盘机构单转盘、上/下或左/右转盘高精度同步控制;解决了特殊环境下转盘控制系统运行维护问题.转盘控制系统运行超过8年,转盘角度范围±180°,转盘角度和同步控制精度不低于0.02°,各项技术指标达到设计要求,保证了结冰风洞各项试验任务顺利完成.     

超声速风洞模型插入机构控制系统设计

针对颤振试验模型在超声速风洞启动/关车时会承受较大冲击载荷的问题,采用模型插入机构避免模型承受该载荷。设计了模型插入机构控制系统,介绍了以HNC100作为核心控制器和三级回零保护措施的硬件结构,以及先液压伺服定位再锁紧的控制方法,并给出了试验结果。结果表明,系统运行快速、平稳、可靠。该系统已成功应用于风洞试验,为我国2米量级超声速颤振试验平台的建立奠定了基础。     

4m×3m低速风洞大迎角装置运动关系分析与多轴联动控制策略

4m×3m低速风洞大迎角支撑装置迎角α的变化是通过三角连杆滑块机构实现的,实现迎角α匀速旋转是一个非线性速度控制过程;为了保证支撑装置在实现迎角α和侧滑角β精确定位过程中,按照要求的角速度匀速转动,并保证在转动过程中模型中心不偏离风洞轴线,文章在对迎角α机构、侧滑角β机构、Y向升降机构、Z向横向平移机构速度和位置运动关系进行全面数学分析的基础上,对多轴联动速度和位置控制方法进行了深入研究,最后采用控制虚拟旋转主轴,α、β、y、z机构位置随动的方法,解决了三角连杆滑块机构实现迎角α高精度匀速旋转和滑角β、Y横向和Z纵向机构高精度位置随动控制,实现了模型姿态角匀速转动的同时模型中心偏离风洞轴线小于1mm目标精度。     

液压支架试验台自动进出架装置设计

针对液压支架检验时进出试验台效率低且易发生伤人事故的问题,设计了一种液压支架试验台自动进出架装置。采用电动机驱动进出架小车,通过专用轨道将被试支架运输至试验台指定位置;为了使进出架小车将液压支架运送到指定位置后能自由退回,设计了一种水平放置的举升油缸:举升油缸安装在试验台底座内部,通过其推动楔形水平移动块,带动楔形垂直移动块在底座内部沿轨道上下垂直运动;在楔形垂直移动块上按照进出架小车U型内部空间尺寸布置16根顶杆,垂直穿过试验台底座预留的小孔,进入试验台上的被试液压支架,使其与进出架小车脱离,进出架小车退出复位,再放下被试支架,进入试验状态。分析计算结果表明,该装置额定载荷超过120t,满足液压支架自动进出试验台的需求。实际应用表明,该装置避免了进出架小车不必要的受力加载,实现了进出架全过程的自动化,缩短了液压支架进出试验台的时间,消除了安全隐患。     

某高超声速风洞模型底压精确测量方法改进研究与试验验证

针对某高超声速风洞模型底压量值低精确测量难度大、底压传感器容易过温超载等问题,在某高超声速风洞中建立了一套可精确测量风洞模型底压的专用装置。该装置采用了小量程绝压式薄膜电容规作为主要的测量元件,并有针对性的设计了传感器过压保护气路、水冷隔热结构和测控程序。该装置布置于该风洞试验段内模型支撑机构上,可大幅缩短测压气路,减少转接环节。该装置在马赫数5～9试验条件下开展了HB-2标模试验验证,试验结果表明：该模型底压精确测量装置达到了设计要求,集成度高,故障率低,系统稳压时间显著缩短,可快速响应模型底部压力变化情况,可适应高马赫数试验条件下模型底压测量要求,系统测量精度优于0.5%,能大幅度提高了高超声速风洞模型底压测量的精准度。     

煤矿井下开孔定向仪寻北系统误差分析及补偿

针对现有钻机开孔定位装备在测量精度、成本及操作性上不能满足实际需求的问题,设计了一种将基于单轴光纤陀螺的寻北系统与基于微惯性测量单元的跟踪系统相结合的新型钻孔开孔定向仪。以四位置寻北方法为例,介绍了寻北系统的基本原理,并从光纤陀螺的输出误差、安装误差、倾斜角误差、转位误差、地球物理量误差等方面介绍了寻北系统的各种误差及来源。针对安装误差和倾斜角误差,建立了非线性加速度误差补偿模型;针对光纤陀螺的随机漂移误差,采用卡尔曼滤波方法进行修正。实验结果表明,减小倾斜角、光纤陀螺随机漂移误差、转动机构转位误差、安装误差均可有效提高开孔定向仪寻北精度,满足煤矿井下钻探需求。     

长寿命卫星活动机构固体润滑轴承特性

为对长寿命卫星活动机构固体润滑轴承进行寿命评价,首先结合赫兹接触理论研究轴承失效的物理量化模型;其次,应用Adams从轴承动力学的角度模拟其安装于单机载荷上的实际工况,得到轴承内部接触摩擦特性及受力特性变化规律;最后,通过试验及得到的相关数据对仿真结果进行闭环验证.研究结果验证该类固体润滑轴承动力学建模方法的正确性,为低速固体润滑类轴承内部润滑失效提供定量的判据,并对最终提高二维扫描机构长寿命的方法提供借鉴.     

绳驱动上肢外骨骼康复机器人穿戴机构设计

为了降低绳驱动并联外骨骼的结构不稳定性所带来的运动学建模误差,改善外骨骼对不同穿戴者的适应能力,提升外骨骼的穿戴舒适度,提出了一种新型穿戴机构并应用于绳驱动并联上肢外骨骼康复机器人CURE-7.首先,介绍了一种绳驱动外骨骼康复机器人,该外骨骼具有特制的穿戴机构,兼具绳驱动设备和并联机构的优点;然后,设计穿戴机构的欠驱动穿戴模块和柔性肘关节,建立外骨骼的运动学模型并对关键参数的影响进行了研究;最后,开发了穿戴机构样机并安装于外骨骼上,进行了健康人的运动轨迹跟踪实验和手臂穿戴外骨骼时的受力实验以证明穿戴机构的有效性.实验结果表明,通过采用新的穿戴机构,受试者肘关节前屈运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约41％,肩关节外展运动轨迹跟踪标准误差平均降低了约30％,穿戴压力最大值降低了约23％,不同部位的压力方差也有较大幅度的降低.     

煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统设计

目前井下危险气体巡检机器人大多采用升降机构或固定探头的形式进行气体环境感知,对机器人的行驶灵活性产生了影响,且受机器人本体结构的限制,大多数巡检机器人只能检测到传感器安装范围内的局部气体环境信息,缺乏针对巷道任意截面空间内的气体浓度检测。针对以上问题,设计了一种基于气体扩散模型的煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统。该系统以气体扩散理论为基础,结合煤矿巷道气体环境特点,引入巷道壁帮围岩、风速、气体扩散系数对煤矿巷道气体扩散模型的影响,采用虚拟像源法和遗传算法优化BP神经网络智能算法建立了巷道气体扩散优化模型。通过传感器检测系统获取巡检机器人在行进过程中任意点的气体浓度等环境信息,代入气体扩散优化模型求解最优气体扩散系数,通过输入巷道某点坐标位置,可计算求解相应点的气体浓度分布情况,随着巡检机器人的移动,可获取其路径中不同巷道截面上气体浓度分布数据。实验结果表明,该系统能够解算出符合检测误差要求的巷道任意截面上任意点的气体浓度,并实现动态实时检测;克服了传统煤矿巷道气体检测方法的局限性。利用巡检机器人取代人工巡检作业,为煤矿井下气体智能检测提供了一种新思路与新方法。     

旋转叶片电加热防冰系统设计与应用

在开展结冰试验时，结冰风洞风扇叶片前缘有结冰风险，影响风洞安全运行。针对大型旋转叶片结冰问题，提出了旋转叶片电加热防冰系统设计方法，研制了大型结冰风洞旋转叶片电加热防冰系统。首先，研制了内置电加热单元和温度反馈的防冰叶片。针对叶片复杂的工作环境，提出一种新的旋转叶片电加热防冰功率计算方法，通过精确测量和方案优化，设计了基于特殊环境的分半式、大尺寸、高线速度、碳刷自动移开/压紧的导电滑环。最后，采用变结构分级温度闭环和试验参数连锁防冰控制策略解决了旋转叶片结冰问题。该系统已应用于大型结冰风洞，运行中加热电流和叶片温度反馈信号传输连续，所有旋转叶片前缘快速加热且温度分布均匀，防冰效果好。     

基于控制律的电加热防除冰系统设计与验证

飞机结冰严重危害飞行安全,电加热是容易控制、低能耗的飞机防除冰技术,由于飞机上电能受限,高效的控制律电加热设计和验证是飞机防除冰设计的关键.为满足大型结冰风洞电加热试验要求,研制了工程实用的基于状态机的控制律电加热防除冰控制系统,完成了控制律电加热防除冰系统的硬件和控制软件开发,实现了多个电加热回路电流按照控制律要求同步接通/断开.利用结冰风洞试验对不同控制律电加热防除冰的有效性进行了验证,电加热防除冰控制律设计达到了技术要求.系统已经应用到结冰风洞试验中,是电加热防除冰试验的重要设备.     

防冰总压/静压探针结构及控制系统设计与应用

结冰风洞的过冷液态水滴容易在总压、静压探针的进气口结冰,严重影响总压/静压测量的精准度和可靠性。设计了带温度反馈的防冰总压探针、皮托管和壁面静压测量单元,将总压、静压导管置于加热体内,使总压、静压进气口温度实现闭环控制;优化设计、安装工艺,将铠装双螺旋电加热丝、总压导管和温度传感器安装在不到10 mm管内,使电加热元件绝缘不受损;电加热丝紧贴内壁面,温度传感器伸入进气口附近,总压探针、皮托管无加热死区;采用变结构电加热控制策略,与风洞运行参数连锁控制,实现电加热防冰控制系统快速调节和控制精度要求。解决了总压、静压进气口结冰问题,防冰总压/静压探针已成功应用于结冰风洞复杂试验环境中。     

风洞单自由度移测架及其控制系统设计

介绍一种用于风洞流场校测的单自由度移测架及其控制系统,该系统可以自动控制测量风洞流场截面上下各点的流场.这种设备移动方向控制精度高,制造成本低,更为关键的是用这种系统取代传统的人工测试方法大大提高了测量效率.且这种具有计算机控制的单自由度移测架在国内尚无产品,因而深受风洞使用单位的欢迎.     

基于龙门结构的风洞流场校测架测控系统设计与应用

针对大尺度试验段流场性能测试要求,设计了龙门结构校测架装置,满足流校试验多种支撑状态;配套的双伺服同步驱动与自动控制系统,使上、下丝杠连接板带动排管架或翼型支架做高精度同步定位控制;测量系统完成所有流场测量任务,测试数据准确,达到规范要求。为类似应用提供了高性价比的测控系统解决方案。     

基于多轴联动的航天器带动力风洞实验控制系统设计

针对当前航天器带动力风洞实验控制系统受动态性能和稳态精度的影响,导致航天器中心偏离风洞轴心距离控制误差较大,上旋翼所能承受压力与实际值不符的问题,设计基于多轴联动的航天器带动力风洞实验控制系统;采用PROFIBUS现场总线方式,设计控制系统总体结构;使用伺服电机模块,控制启停指令,以西门子S7-300 PLC为主站设计现场控制器,研制一种航天器风洞测试支撑装置,并将迎角机构安装在模块化分层结构中;利用多轴联动控制器,采用RS-232串行通信原理,根据负载惯量选择2 kW伺服驱动器,实现伺服电机紧急停车,完成控制系统硬件设计;计算多轴联动随动控制动态目标位置,使用柔性bang-bang控制,消除系统动态性能和稳态精度的影响,在误差数据支持下,设计实验控制流程,完成控制系统软件设计;实验结果表明,该系统控制航天器中心偏离风洞轴心最大偏离距离为0.32 mm,最小为0.05 mm,与实际值一致,且上旋翼所能承受压力控制误差仅为0.02％,具有精准控制效果.     

结冰风洞内气象参数标定方法研究

通过研究结冰风洞内常用的结冰气象参数标定方法,提出了适用于小型结冰风洞的简单标定方法。利用该方法对引射式结冰风洞内的液态水含量、水滴平均有效直径、云雾均匀性进行了标定,并在霜状冰条件下获得了试验冰形。对比试验冰形与数值计算结果可知,所采用的参数标定方法准确、有效,可满足工程实际要求。     

Exact solution for wind tunnel interference using the panel method

Wind tunnel wall interference effects on lifting and non-lifting bodies are computed here for incompressible two-dimensional flows. The flows around bodies under consideration are computed by a panel method using linearly varying vortex distributions. The method is regarded as an exact numerical method. Also to exactly compensate for the wind tunnel wall, we use the method of images of the complete body in the wind tunnel. The image system consists of two cascades which extend infinitely on both sides of the wind tunnel. Thus, the exact wind tunnel wall interference effects are obtained for circular and elliptic cylinders, NACA 23012, NACA 64A010 and NACA 0010 airfoils. The velocity distributions and lift coefficient variations are presented for different blockages. The effects of airfoil incidences and the relative proximity of the two walls are also investigated. The present analysis has given rise to some results which otherwise would not have been possible by earlier existing very approximate methods. Wind tunnel walls are found to change the circulation around the body in the wind tunnel. This effect is further accentuated if we either change the incidence or change the relative proximity of the wind tunnel walls.