結冰風洞試驗段上壁面自動頂蓋裝置設計與應用

熊建軍，梁 鑒，郭 龍，趙 照，冉 林

(中國空氣動力研究與發展中心 結冰與防除冰重點實驗室，四川 綿陽 621000)

0 引言

風洞是進行空氣動力試驗最常用、最有效的工具之一，一般包括低速風洞、高速風洞、超高速風洞等多種類型，低速風洞通常指試驗段風速馬赫數小于0.4左右的風洞，試驗段是低速風洞的核心部件，各種試驗模型安裝在此處進行試驗。試驗段一般有開口或閉口兩種形式。型號試驗用低速風洞，試驗段尺寸一般在4米量級左右，開口試驗段雖然安裝模型比較方便，但開口試驗段能量損失較大，因此現代很多大型低速風洞都不采用開口的型式，一般采用閉口試驗段。由于試驗模型重量較大，如何方便試驗模型進出安裝和拆卸是閉口試驗段必須解決的技術問題。國內外通常做法是在閉口試驗段的上壁面中心開孔，設計可吊裝的蓋板，試驗期間使蓋板嵌入試驗段的上壁面中；安裝模型期間，用試驗大廳行車將試驗段上壁面的蓋板吊開，將蓋板放置到固定位置，再將模型從上壁面開口吊裝到試驗段中心安裝，待試驗模型安裝就位后，再將蓋板吊裝到上壁面回位，通過多顆螺釘緊固在上壁面[1-3]。整個過程通過手動操作行車吊裝完成，對操作人員要求較高，自動化程度低，安裝精度低。

結冰風洞是一種性能復雜的大型特種風洞，2013年我國首座大型結冰風洞—3米×2米結冰風洞建成，填補了國內空白。結冰風洞試驗段安裝在駐室內，受駐室空間限制，無法在駐室頂部安裝行車吊車模型。試驗段更換模型時，先用氣浮系統將試驗段移到試驗大廳平臺，將模型從試驗段入口或出口進入，待模型安裝就位后再將試驗段移動到駐室定位。國外同規模結冰風洞的模型安裝方法類似，沒有設計移動頂蓋[4]。結冰風洞試驗模型通常為1∶1的截斷模型或實物，外形尺寸和重量都較大。如果模型安裝和拆卸采用傳統的吊裝上壁板蓋板方法，自動化程度低，安裝調試效率低。本文以結冰風洞次試驗段為基礎，設計了一種試驗段移動頂蓋自動開閉裝置，解決了大尺度、重載荷、高精度移動頂蓋結構設計難題，實現了移動頂蓋自動升降、平移，提高了試驗模型更換效率，具有載荷大、定位精度準、自動化程度高、操作效率高等特點[5]。

1 設計技術要求

根據結冰風洞現場特點和試驗需求，移動頂蓋自動開閉裝置設計技術要求如下：

1)風洞試驗段上壁面移動頂蓋實現一鍵自動提升、平移到指定位置；

2)移動頂蓋外形長4 m、寬3 m量級，重量近5 t；

3)移動頂蓋提升機構行程745 mm，平移機構行程4 750 mm，定位精度1 mm；

4)移動頂蓋從關閉狀態到提升、平移就位，操作時間不超過6 min；

5)移動頂蓋關閉和提升并移開后，上壁面框架最大形變量小于1 mm；

6)移動頂蓋提升、平移均具備手動點動/自動功能，自動化程度高。

2 移動頂蓋設計

結冰風洞試驗段包括試驗段和過渡擴散段兩部分，采用框架支撐的壁板結構。試驗段框架采用兩邊為箱形縱梁主承力梁，其余為工字鋼梁結構，框架通過螺栓連接、定位銷定位并承受剪切力。試驗段壁板采用槽鋼焊接成井字梁結構組成整體框架，主要由壁板框架、不銹鋼窗框、觀察窗玻璃和連接螺栓等組成；各壁板框架通過支架連接固定在整體框架上，安裝玻璃觀察窗的不銹鋼窗框通過螺釘固定在壁板框架上。為便于模型進出試驗段，充分利用試驗大廳行車吊裝模型，移動頂蓋基于試驗段上壁面設計，頂蓋中心與試驗段下壁面轉盤中心在一條軸線。試驗段上壁面包括上壁板和上框架兩部分，根據上壁板和上框架的結構強度，以及試驗段進出模型常用尺寸，確定試驗段上壁面開孔尺寸為長4 m、寬2.7 m、厚0.3 m。由于開孔尺寸較大，結構上必須保證上壁面的連接強度，保證移動頂蓋關閉和打開前后上壁面力學性能和安全性不變；移動頂蓋關閉時試驗段上壁面內部的平整性和密封性；移動頂蓋打開時，頂蓋與試驗段無任何機械干涉。移動頂蓋外形尺寸為長3.85 m、寬2.68 m，與上壁板開孔基本一致，頂蓋四周焊接一圈鋼板，便于頂蓋關閉時的密封性；頂蓋頂部焊接一圈臺階面，頂蓋關閉到位后依靠頂部臺階面懸掛在上壁板框架上。上壁板與頂蓋的接觸面設計有導引錐度，便于頂蓋關閉操作時的精確定位。通過力學分析，頂蓋打開后提升到位、提升后平移到位、關閉到位三種狀態，主要受力點最大應力遠遠小于材料的屈服強度，最大形變量0.15 mm，其中頂蓋關閉到位后最大應力和形變最小。試驗段上壁面開孔和移動頂蓋如圖1所示，移動頂蓋三種狀態主要受力點最大應力和形變的米塞斯等效應力云圖如2所示。

圖1 試驗段上壁面開口和移動頂蓋

圖2 移動頂蓋三種狀態等效應力云圖

3 移動機構設計

頂蓋移動機構用于實現頂蓋關閉/打開，包括兩個動作：一是頂蓋提升，在無機械干涉條件下，提升機構將頂蓋打開后垂直提升到固定高度，從試驗段上壁面開孔處移出，避開試驗段上壁面機械干涉，便于頂蓋平移；二是頂蓋平移，平移機構將頂蓋從試驗段上壁面中心水平平移到過渡擴散段頂部，將試驗段上壁面開孔作為模型進出吊裝口?？紤]頂蓋負荷較大，為保證機構的穩定性和平整度，在試驗段上壁面左右兩側設計了雙支撐軌梁的龍門結構，支撐軌梁上安裝線性直線滑軌，移動頂蓋通過4根絲杠懸掛在提升機構。提升機構可以使移動頂蓋垂直升降，打開或關閉試驗段上壁面吊裝口；提升機構支撐在平移機構上，通過平移機構的作用，使移頂蓋垂直提升到一定高度后再平移到過渡擴散段頂部，或者從過渡擴散段頂部移動到風洞上壁面吊裝口[5-6]。頂蓋移動機構組成如圖3所示。

1.上框架;2.上壁板;3.支撐軌梁;4.直線滑軌;5.平移電機;6.提升電機;7.主梁;8.副梁;9.提示絲杠;10.齒輪齒條;11.換響器;12.倒錐圓臺;13.移動頂蓋;14.螺旋升級機同步軸。

3.1 提升機構設計

移動頂蓋外形尺寸大，重量超過3 t。提升機構包括提升電機、錐齒輪減速機、水平長軸、T型1:1直角齒輪箱、兩側長軸、螺旋升降機、倒錐圓臺等。因為頂蓋跨度較大，考慮到穩定性和長期工作在低溫高濕度環境，機構采用四臺不銹鋼螺旋升降機同步提升，機械傳動部件全部采用316不銹鋼材質。提升電機通過錐齒輪減速機實現換向減速增扭，錐齒輪兩側輸出軸與水平長軸連接，通過T型直角齒輪箱實現換向傳動，再通過兩側長軸，機械同步驅動四軸螺旋升降機同步轉動，從而實現頂蓋垂直升降，使移動頂蓋按照設定位移、設定速度沿垂直方向移動。螺旋升降機帶自鎖功能, 保證斷電后頂蓋不會自動墜落。提升機構原理如圖4所示。

圖4 提升機構原理圖

為解決四軸同步提升時絲杠間相互別勁問題，在螺旋升降機四根絲杠下端設計了圓臺結構的倒錐，安裝到頂蓋連接塊的圓臺空腔內。倒錐圓臺外形尺寸略小于連接塊內的圓臺空腔。裝配時，先將帶有圓臺空腔的4個連接塊通過螺釘固定到螺旋升降機四根絲杠軸向對應頂蓋的位置，再將倒錐圓臺放入連接塊的圓臺空腔內，依次將螺旋升降機四根絲杠末端從頂蓋的連接塊上方插入倒錐圓臺中心螺絲孔，在倒錐圓臺正下方設計一扳手著力部件，絲杠末端絲桿帶一螺母，通過扳手上下對擰，將絲杠和倒錐圓臺擰緊，確保絲杠與倒錐圓臺間不松動。倒錐圓臺結構原理與樣件如圖5所示。

1.圓臺空腔;2.升降平臺;3.連接塊;4.絲杠末端;5.提升絲杠;6.倒錐圓臺;7.圓臺螺紋孔;8.著力部件;9.鎖緊螺母。

螺旋升降機帶動頂蓋提升時，伺服電機驅動多臺螺旋升降機機械同步旋轉，絲杠和倒錐圓臺帶動頂蓋垂直升降。由于倒錐圓臺與連接塊內圓臺空腔有一定間隙，各絲杠垂直度有一定的調整量。頂蓋關閉時，在自身重力和圓臺空腔導向下準確定位，頂蓋依靠四周的導引錐度下沉到上壁面開孔框架內。頂蓋關閉到位后依靠頂部臺階面懸掛在上壁面框架上，絲杠末端連接的倒錐圓臺從圓臺空腔間隙內移開，不再額外受力，從而延長螺旋升降機壽命；同時在頂蓋與上壁面框架間設置密封圈，保證頂蓋關閉后試驗段上壁面平整性和密封性。

3.2 平移機構設計

平移機構采用雙驅雙軌直線導軌結構，包括主梁、副梁、平移驅動機構等。主梁和副梁平行布置，與試驗段上框架龍門結構的雙軌梁支撐垂直，增加平移機構的受力面積和平穩性。兩側支撐軌梁上設計了線性直線滑軌，支撐軌梁內側下端安裝有齒條。平移機構帶動提升機構和移動頂蓋通過多個滑塊壓在滑軌上，可以在直線滑軌上移動。主梁和副梁分別穿過兩根提升機構的絲杠，將頂蓋懸掛在平移機構正下方。平移驅動機構包括伺服電機、錐齒輪、長軸、齒輪等，伺服電機通過錐齒輪實現換向減速增扭，錐齒輪兩側輸出軸分別與長軸連接，長軸兩端齒輪與支撐軌梁內側下端齒條嚙合，保證平移機構在支撐軌梁兩側的直線滑軌同步移動。平移機構結構如圖6所示。

圖6 平移機構結構

當頂蓋提升到固定位置后，平移電機驅動提升機構帶動移動頂蓋沿直線滑軌水平移動，使移動頂蓋從風洞上壁面中心移動到過渡擴散段頂部，為模型吊裝留出足夠空間；待模型安裝完畢，再將移動頂蓋能從過渡擴散段頂部移動到風洞轉盤中心關閉。

4 頂蓋控制系統設計

頂蓋提升和平移分別采用獨立的驅動系統，由伺服驅動器控制永磁同步交流伺服電機，分別組成頂蓋提升和平移兩個速度閉環控制系統[6-7]。控制系統以S7-1200PLC為控制核心，完成外部控制信號接入、程序存儲、運動控制等功能。伺服驅動器選用MDX61B系列，選配DFE32B通用型現場總線接口，通過以太網與PLC控制器和觸摸屏通訊。伺服驅動器安裝在控制柜內，完成兩臺伺服電機轉速閉環控制；觸摸屏安裝在控制柜面，用于現場人機交互操作；伺服電機安裝在試驗段上壁面移動頂蓋，工作在低溫、潮濕環境，最低環境溫度-20 ℃。提升機構選用SEW錐齒輪伺服減速電機，型號為K47 CMP71L/PK/RH1M/SM1/OS1,減速比4.64∶1,額定輸出扭矩300 Nm，電機額定轉速3 000 rpm，250 Hz，額定電流9.4A，電機額定工作電壓400 V，電機額定功率4.1 kW,配置旋轉變壓器速度反饋；平移機構選用SEW錐齒輪伺服減速電機，型號為K77 CM90M/TF/RH3M/SM50/2WE/OS1,減速比97.05∶1,額定輸出扭矩1 550 Nm，電機額定轉速2 000 rpm，100 Hz，額定電流6.9 A，額定轉矩14.5 Nm，額定工作電壓400 V，額定功率3 kW,配置旋轉變壓器速度反饋。

控制系統組成如圖7所示，系統監控界面如圖8所示。

圖7 移動頂蓋控制系統組成

圖8 移動頂蓋監控界面

5 系統調試與應用

先后解決上壁面框架組裝、頂蓋兩側支撐導軌水平調試、限位開關安裝、線纜布置、機械找零、高精度位移控制等技術難題，上壁面頂蓋實現按鈕點動、觸摸屏手動/觸摸屏自動三種控制模式。系統運行前，完成運行檢查，待移動頂蓋具備運行條件后，通過控制柜面按鈕和觸摸屏監控界面操作，完成控制系統按鈕點動、觸摸屏手動、觸摸屏自動三種控制模式設置。按鈕點動模式用于移動頂蓋升降、平移任意位置點動控制，該模式不需要找機械零位；觸摸屏手動模式用于移動頂蓋升降、平移機構已經找到機械零位后，移動頂蓋升降、平移機構按照設定位移任意連續移動；觸摸屏自動模式用于移動頂蓋升降、平移機構已經找到機械零位后，系統自動完成“移動頂蓋打開運行”、“移動頂蓋關閉運行”全過程。

通過調試，上壁面頂蓋從關閉到完全打開用時6 min，一鍵操作，全程實現自動找零、升降和平移，升降位移745 mm，平移位移4 750 mm，頂蓋運行平穩，定位準確，操作方便。頂蓋關閉和打開過程如圖9所示。

圖9 移動頂蓋關閉/打開過程

6 結束語

為了便于模型安裝，提出在試驗段上頂面設計開孔和移動頂蓋，利用行車吊裝模型的方法，研制了大尺度、重載荷、高精度移動頂蓋自動開閉裝置，包括上框架、上壁板、移動頂蓋、平移機構、提升機構和兩軸伺服控制系統。上壁板位于上框架的下方，上框架用于支撐和固定所述上壁板；移動頂蓋安裝在上壁板開口處，安裝在提升機構的下端，通過提升機構使移動頂蓋垂直升降，用于打開或關閉上壁板開口；平移機構用于使移動頂蓋從風洞上壁面中心移動到過渡擴散段頂部，為模型吊裝留出足夠空間；控制系統用于系統運行操作，提高系統自動化水平。系統調試運行表明：風洞試驗段上壁面自動頂蓋裝置達到設計目的，實現了大尺度、重載荷移動頂蓋高精度自動升降和平移控制，運行穩定，操作簡單，提高了試驗模型更換效率。