Тензометрические весы

Изобретение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов в потоке аэродинамической трубы. Устройство содержит динамометрический элемент измерения продольной составляющей вектора аэродинамической силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных косым разрезом и двумя боковыми вертикальными пазами, соединенных между собой четырьмя пакетами вертикально расположенных упругих шарниров, двумя чувствительными элементами. В боковые вертикальные пазы дополнительно введены два горизонтально расположенных упругих шарнира, один конец каждого из которых соединен с подвижным основанием, другой с неподвижным основанием. Поперечное сечение одного или нескольких вертикальных упругих шарниров в каждом пакете выполнено переменным по его длине таким образом, что отношение суженной к корневой части вертикального упругого шарнира находится в пределах 0,5÷1, а длина горизонтальных упругих шарниров выбирается большей, чем длина вертикальных упругих шарниров. Технический результат заключается в снижении напряжений в элементах конструкции весов, обеспечении необходимого запаса прочности и расширении диапазона моделирования условий полета при проведении испытаний. 2 ил., 3 табл.

 

Тензометрические весы относятся к измерительной технике и предназначены для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов при испытаниях их в аэродинамических трубах.

Весы могут также использоваться при гидродинамических испытаниях моделей судов в опытных бассейнах и каналах.

Тензометрические весы представляют собой монолитную конструкцию, выполненную из цельной заготовки, в которой при помощи специальных технологий сформированы динамометрические элементы, деформации которых преобразуются в электрические сигналы тензорезисторами, наклеенными на определенных площадках элементов. Выходные электрические сигналы весов измеряются электронной аппаратурой.

Весы могут располагаться как внутри испытываемой модели, так и за ее пределами.

По этому признаку принято классифицировать весы на внутримодельные и внешние.

К внешним весам прибегают в тех случаях, когда внутренний объем моделей недостаточен для размещения весов.

Например, модели современных истребителей имеют интегральную компоновку с малым внутренним объемом.

Во всех случаях весы представляют собой стержневую конструкцию, на одном конце которой закрепляется испытываемая модель, а другой конец соединен с державкой, а через нее с механизмом изменения углового положения модели в процессе испытаний.

В настоящее время существует большое разнообразие конструкций динамометрических элементов. Среди них наиболее определенной является конструкция динамометрического элемента для измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы - в дальнейшем ДЭХ.

Более того, можно говорить о типовой конструкции ДЭХ, которая используется как у нас, так и за рубежом (см. "Измерительная техника", №11 за 1979 г., рис.2, стр.53).

Конструкция состоит из двух оснований: подвижного и неподвижного. Оба основания разделены косым разрезом и соединены между собой четырьмя пакетами плоских вертикально расположенных упругих шарниров с постоянным по длине поперечным сечением. Кроме того, основания соединяют два чувствительных элемента, на которые наклеены тензорезисторы.

Наиболее близким к предложенному изобретению являются тензометрические весы, описанные в журнале "Датчики и системы", №3, 2004 г. (стр.4, рис.4).

Конструкция их содержит динамометрический элемент измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных косым разрезом и двумя боковыми вертикальными пазами, соединенных между собой четырьмя пакетами вертикально расположенных упругих шарниров с постоянным по длине поперечным сечением и двумя чувствительными элементами, расположенными посередине динамометрического элемента X.

Продольная составляющая Х действует на подвижное основание и через вертикальные упругие шарниры в определенной пропорции передается на чувствительные элементы.

Чувствительность ДЭХ к измеряемой силе тем выше, чем меньше жесткость вертикальных упругих шарниров в направлении продольной оси и, как следствие, меньше размеры их поперечного сечения при большей длине.

Вместе с тем вертикальные упругие шарниры должны без потери прочности держать все составляющие векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модель.

В результате, в определенных точках шарниров возникают большие напряжения.

Обычно расчет весов и, в частности, ДЭХ производится на ЭВМ методом конечного элемента - МКЭ. На рис.4 (стр.4) журнала "Датчики и системы", №3, 2004 г. приведен ДЭХ весов, на котором показано расположение опасных точек и численные значения напряжений в них.

Как следует из рисунка, опасные точки появляются в местах сопряжения пакетов плоских шарниров с подвижным и неподвижным основаниями. Причем максимальные напряжения имеют место в крайних наружных шарнирах пакета (60,7 кгс/мм²), а минимальные в крайних внутренних шарнирах (42,3 кгс/мм²).

Таким образом, наблюдается значительная неравномерность распределения напряжений в шарнирах пакета, характерная как для аналога, так и прототипа.

Величина максимально допустимых напряжений определяется материалом весов и коэффициентом запаса прочности. Последний в свою очередь зависит от режимов испытаний и условий запуска конкретной аэродинамической трубы.

При испытании современных самолетов с высокими несущими свойствами и улучшенными маневренными характеристиками напряжения в опасных точках существенно превосходят допустимые. Кроме того, в случае использования внешних весов возникают дополнительные моменты в результате удаления ДЭХ за пределы модели. Указанное обстоятельство также приводит к увеличению напряжения в опасных точках.

Для снижения напряжений приходится ограничивать максимальный диапазон измеряемых векторов нагрузок, что приводит к сужению диапазона моделирования условий полета, либо приходится существенно увеличивать сечения вертикальных упругих шарниров, что ведет к потере чувствительности ДЭХ, а следовательно, к снижению точности измерений составляющей Х аэродинамической силы.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение диапазона измерения векторов нагрузок и повышение точности измерений.

Техническим результатом является снижение максимальных суммарных напряжений в опасных точках вертикальных упругих шарниров до приемлемой (допустимой) величины при действии заданных максимальных векторов измеряемой нагрузки и обеспечения необходимого запаса прочности конструкции.

Снижение уровня напряжений в конструкции тензовесов позволяет расширить диапазон и повысить точность измерений.

Технический результат достигается тем, что тензометрические весы, содержащие динамометрический элемент измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных косым разрезом и двумя боковыми вертикальными пазами, соединенных между собой четырьмя пакетами вертикально расположенных упругих шарниров, двумя чувствительными элементами, и в боковые вертикальные пазы динамометрического элемента продольной силы Х введены два дополнительных горизонтально расположенных упругих шарнира, один конец каждого из которых соединен с подвижным, а другой с неподвижным основанием, причем поперечное сечение одного или нескольких вертикальных упругих шарниров в каждом пакете выполнено переменным по его длине таким образом, что отношение суженной к корневой части вертикального упругого шарнира находится в пределах 0,5÷1, а длина горизонтальных упругих шарниров выбирается большей, чем длина вертикальных упругих шарниров.

На фиг.1 и 2 приведена схема внешних шестикомпонентных тензометрических весов для испытания моделей самолетов с высокими несущими свойствами.

Тензовесы состоят из динамометрических элементов 1 и 2 для измерения составляющих Y, Z, М_Х, M_Y, M_Z векторов аэродинамической нагрузки, динамометрического элемента 3 для измерения продольной составляющей Х вектора силы (ДЭХ).

Посадочные конуса 4 и 5 служат для крепления к весам испытываемой модели и соединения их с державкой.

ДЭХ состоит из подвижного 6 и неподвижного 7 оснований, разделенных косым разрезом 8 и двумя боковыми вертикальными пазами 9. Оба основания соединены четырьмя пакетами вертикально расположенных упругих шарниров 10 по пять шарниров в каждом пакете, двумя чувствительными элементами 11 и двумя дополнительными горизонтально расположенными упругими шарнирами 12, находящимися в пазах 9. Один конец горизонтального упругого шарнира 12 соединен с подвижным основанием 6, другой конец с неподвижным основанием 7 ДЭХ.

Отличительной особенностью конструкции ДЭХ является переменное по длине сечение двух наружных упругих шарниров v и w в каждом пакете и наличие дополнительных упругих шарниров 12, расположенных горизонтально в боковых вертикальных пазах 9.

Устройство работает следующим образом.

При действии аэродинамической нагрузки продольная составляющая Х действует на подвижное основание ДЭХ и через упругие шарниры 10, 12 в определенной пропорции передается на чувствительные элементы 11.

Часть продольной составляющей Х воспринимается вертикальными 10 и горизонтальными 12 упругими шарнирами, вызывая в них S-образную деформацию, причем вертикальные упругие шарниры деформируются в плоскости YX, горизонтальные шарниры в плоскости ZX динамометрического элемента X.

Оставшаяся часть силы Х воздействует на два чувствительных элемента 11, вызывая их деформирование. На чувствительные элементы в зоне максимальных изгибных деформаций от действия силы Х наклеены тензорезисторы 13 (см. фиг.1).

Динамометрический элемент Х (ДЭХ) подвергается воздействию не только силы X, но и действию всех остальных составляющих векторов аэродинамической силы и момента (силы Y, Z, моменты M_Z, M_Y, М_Х), а также действию дополнительных моментов YL и ZL, вызванных тем, что ДЭХ расположен на плече L (см. фиг.1) от точки приложения аэродинамических нагрузок.

Моменты YL и M_Z действуют в плоскости YX ДЭХ и, как правило, момент YL превосходит момент M_Z по величине в несколько раз. Момент ZL действует в горизонтальной плоскости ZX ДЭХ одновременно с моментом М_Y и также достигает многократной величины М_Y.

Чувствительные элементы 11 действию неизмеряемых сил и моментов практически не подвергаются.

Наиболее нагруженными элементами ДЭХ являются вертикально расположенные упругие шарниры, собранные в 4 пакета, так как именно через них происходит перетекание силового потока с подвижного основания 6 ДЭХ (соединенного с аэродинамической моделью) на неподвижное основание 7 ДЭХ (соединенного с державкой, с "землей").

Действие всех вышеперечисленных нагрузок вызывает в вертикальных упругих шарнирах опасные суммарные напряжения, которые могут превышать допустимый уровень напряжений.

Действие силы Y и моментов M_Z, YL, М_Х вызывает растяжение-сжатие вертикальных упругих шарниров и напряжение, вызванное этой деформацией, относительно невелико.

Действие силы Z, моментов M_Y, ZL вызывает S-образную деформацию вертикальных упругих шарниров в плоскости YZ и напряжение, вызванное этой деформацией, достигает большой величины.

Для снижения напряжений в опасных точках вертикальных упругих шарниров, в том числе за счет выравнивания напряжений между упругими шарнирами одного пакета, предложены вышеупомянутые решения.

При введении горизонтальных упругих шарниров в пазы 9 ДЭХ происходит перераспределение нагрузок Z, M_Y, ZL между вертикальными и горизонтальными упругими шарнирами, тем самым уменьшается доля нагрузок, приходящая на вертикальные упругие шарниры, и, как следствие, уменьшение напряжений в них.

Горизонтальные упругие шарниры оттягивают на себя значительную часть силы Z, моментов M_Y, ZL, вызывая в них деформацию растяжения-сжатия.

Продемонстрируем на числовом примере, что дает применение упругих шарниров, расположенных в пазах 9 ДЭХ, и применение переменных по длине сечений двух наружных вертикальных упругих шарниров в каждом пакете.

В таблице 1 приведено распределение максимальных суммарных напряжений между упругими шарнирами одного пакета при условии выполнения всех упругих шарниров в виде призматических балок прямоугольной формы постоянного сечения по всей длине и отсутствия горизонтальных упругих шарниров в пазах 9 ДЭХ.

Таблица 1
Обозначение шарнира	h	j	s	v	w
	60,99	62,05	65,12	70,5	78,14

Из таблицы 1 видно, что по мере удаления от середины ДЭХ, напряжения в упругих шарнирах каждого пакета растут, достигают максимальной величины в крайних, наиболее удаленных от середины ДЭХ упругих шарнирах (v и w), причем напряжения во всех шарнирах превышают допустимый уровень.

При введении упругих шарниров в пазы ДЭХ, напряжения в вертикально расположенных упругих шарнирах каждого пакета уменьшились из-за восприятия горизонтальными упругими шарнирами силы Z и моментов M_Y, ZL.

Распределение напряжений в вертикальных упругих шарнирах каждого пакета при введении горизонтальных упругих шарниров показано в таблице 2, причем длина горизонтального упругого шарнира больше длины вертикального.

Таблица 2
Обозначение шарнира	h	j	s	v	w
	49,38	49,35	51,04	54,67	60,76

Как видно из сравнения таблиц 1 и 2, напряжения уменьшились во всех упругих шарнирах каждого пакета, причем в крайнем шарнире w напряжения уменьшились на 18 кгс/мм², в шарнире v на 16 кгс/мм², в шарнире s на 14 кгс/мм², в шарнире j на 12,5 кгс/мм², в шарнире h на 11,5 кгс/мм², но максимальные напряжения в шарнирах v и w превышают допустимый уровень напряжений.

Для перераспределения напряжения между упругими шарнирами одного пакета было предложено выполнить шарниры v и w каждого пакета в виде балок переменного по длине сечения, причем отношение суженной к корневой части вертикального упругого шарнира находится в пределах 0,5÷1. Упругие шарниры h, j и s оставлены призматическими балками постоянного сечения по всей длине.

В таблице 3 показано распределение суммарных максимальных напряжений в упругих шарнирах одного пакета от одновременного действия всех компонентов, имеющих вертикальные упругие шарниры в виде балок постоянного и переменного по длине сечений и при наличии горизонтальных упругих шарниров в пазах 9 ДЭХ.

Таблица 3
Обозначение шарнира	h	j	s	v	w
	51,1	51,34	53,4	53,2	51,1

Анализ таблицы 3 показывает, что в вертикальных упругих шарнирах одного пакета достигнут примерно одинаковый уровень величины максимального суммарного напряжения, не превышающий уровня допустимого напряжения для выбранного материала тензовесов.

Итак, применение новых технических решений при проектировании динамометрического элемента Х позволили обеспечить приемлемую величину максимальных суммарных напряжений и необходимый для решения данной задачи коэффициент запаса прочности в наиболее нагруженных элементах конструкции ДЭХ.

Снижение уровня напряжений в конструкции тензовесов позволяет расширить максимальный диапазон измеряемых векторов нагрузок и, следовательно, диапазон моделирования условий полета.

Применение переменных по длине поперечных сечений одного или нескольких вертикальных упругих шарниров 10 в каждом пакете позволяет снизить напряжения в них без снижения чувствительности ДЭХ, что приводит к увеличению точности измерений составляющей Х аэродинамической силы.

Тензометрические весы, содержащие динамометрический элемент измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных косым разрезом и двумя боковыми вертикальными пазами, соединенных между собой четырьмя пакетами вертикально расположенных упругих шарниров, двумя чувствительными элементами, отличающиеся тем, что в боковые вертикальные пазы динамометрического элемента продольной силы Х введены два дополнительных горизонтально расположенных упругих шарнира, один конец каждого из которых соединен с подвижным, а другой с неподвижным основанием, причем поперечное сечение одного или нескольких вертикальных упругих шарниров в каждом пакете выполнено переменным по его длине таким образом, что отношение суженной части к корневой части вертикального упругого шарнира находится в пределах 0,5÷1, а длина горизонтальных упругих шарниров выбирается большей, чем длина вертикальных упругих шарниров.