超低温六分量天平校准加载头及加载方法与流程

本发明涉及一种用于天平校准的加载头，特别涉及一种超低温六分量天平校准加载头及加载方法，其中在风洞测力试验中，该超低温六分量天平校准加载头用于对天平模型施压标准的六维力，并保证风洞试验的可靠性和准确度。

背景技术：

风洞天平是风洞测力试验的基础测量设备，用于测量风洞试验中作用在试验模型上的气动力的大小、方向和作用点。天平校准系统是天平计量设备，通过对天平按已知的坐标轴系精确地施加静态载荷，获取天平公式，即输出信号与载荷的关系矩阵，用来评估天平性能。

所研制的天平校准系统是一套全自动的六自由度体轴系天平校准系统，可实现天平体温度从常温到低温的精确控制和不同温度条件下的天平静态校准。

加载头是天平校准系统中的关键设备，必须具备足够高的刚度，并且能准确的确定加载点的位置，且随着试验条件范围越来越广，可能需要在超低温条件下进行试验，因此抵抗低温变形的能力也是评估加载头设计合理性的一大重要指标。传统的加载头刚度低、低温变形大，不能精确保证加载点的位置，因而所施加的“标准六维力”必定存在较大的误差，不能满足天平校准的要求。因此，本发明提供一种超低温六分量天平校准加载头及加载方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便并且可靠的超低温六分量天平校准加载头。

为了达到上述目的，本发明提供一种超低温六分量天平校准加载头，其中该超低温六分量天平校准加载头包括一个测量基准架、一个加载头外筒、一个定位键、一个锥套、一个装配螺母、一个压盖及一个力系监测头；该加载头外筒具有第一开口和一个第二开口，且中间为内空式；该测量基准架的测量部分位于低温箱外部，连接部分位于低温箱内部，且设置于加载头外筒的前端；该锥套设置于加载头外筒内部，并且该锥套具有一个容纳腔，以供容纳一个天平；该加载头外筒与该锥套除了锥面配合外，还用键进行定位；该装配螺母设置于该锥套的外部且设置于该加载头外筒内部，通过螺纹旋合使得锥套前后直线运动，以便产生合适的力使该锥套相对于该加载头外筒压紧；该压盖对该装配螺母进行限位，方便装配；该力系监测头设置于加载头力臂两端，且位于低温箱外部，便于监测。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该加载头外筒的该第一开口的内径小于该第二开口的内径，以使该加载头外筒的内壁的截面呈锥台形，该锥套的外壁呈锥台形，并且该加载头外筒的内壁和该锥套的外壁相互匹配。

为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该锥度采用莫氏锥度，方便锥套相对于加载头外筒自锁。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该加载头外筒具有一第一键槽，该第一键槽连通第一开口与加载头外筒内腔，该锥套具有一第二键槽，该第二键槽对应于该第一键槽，该超低温六分量天平校准加载头包括一个定位键，该定位键同时定位于该第一键槽和该第二键槽。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该第一键槽靠近该加载头外筒的该第一开口。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该定位键是一个滚转定位平键。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该锥套的一个端部具有外螺纹结构，该超低温六分量天平校准加载头包括一个装配螺母和压盖，该装配螺母具有内螺纹结构，其中该装配螺母的该内螺纹结构和该锥套的该外螺纹结构相互配合，该压盖用于对装配螺母一端进行限位，使得装配螺母一端面靠紧加载头外筒内腔的一台阶面，而另一端靠紧压盖，因而只能沿着轴线进行旋转，从而使得该锥套能够沿着轴线方向与加载头外筒进行装配，该装配螺母容纳与该第二开口处，该压盖法兰面上开有螺纹孔，通过螺钉与加载头外筒的第二开口进行连接。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该超低温六分量天平校准加载头包括多个测量架连接螺钉，各个该测量架连接螺钉同时连接于该测量基准架和该加载头外筒。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该测量基准架和该加载头外筒通过局部点焊的方式固定。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该超低温六分量天平校准加载头包括多个天平连接螺钉，各个该天平连接螺钉用于连接该天平和该锥套。

作为对本发明的该超低温六分量天平校准加载头的进一步优选的实施例，该天平与该超低温六分量天平校准加载头的接口为圆柱法兰式接口。

本发明的该超低温六分量天平校准加载头优势在于：

该发明提供一种超低温六分量天平校准加载头，其中该超低温六分量天平校准加载头包括一个测量基准架、一个加载头外筒、一个定位键、一个锥套、一个装配螺母、一个压盖及一个力系监测头；该加载头外筒具有第一开口和一个第二开口，且中间为内空式；测量基准架的测量部分位于低温箱外部，连接部分位于低温箱内部，且设置与加载头外筒的前端；该锥套设置与加载头外筒内部，并且该锥套具有一个容纳腔，以供容纳一个天平；该加载头外筒与该锥套除了锥面配合外，还用键进行定位；该装配螺母设置与该锥套的外部且设置与该加载头外筒内部，通过螺纹旋合使得锥套前后直线运动，以便产生合适的力压紧与该加载头外筒；压盖对螺母进行限位，方便装配；力系监测头设置于加载头力臂两端，且位于低温箱外部，便于监测。并且在该外筒和该测量基准架分别在制作后组装在一起，能够降低该超低温六分量天平校准加载头的制造难度和节约制造成本。

该超低温六分量天平校准加载头包括多个测量架连接螺钉，各个该测量架连接螺钉同时连接于该测量基准架和该外筒，该测量基准架和该外筒通过局部点焊的方式固定，这样在该测量基准架和该外筒在组装后就不需要再分离，可以避免每次拆卸而造成的基准变化以至于为测量引入误差，从而能够降低该超低温六分量天平校准加载头的误差，以提高所施加载荷的精准度。

该天平与该超低温六分量天平校准加载头的接口为圆柱法兰式接口，因此采用止口配合定位，精加工螺纹孔进行连接，拧紧螺钉时采用扭力扳手保证每个螺钉的扭力一致且大于某一数值，具体的数值应根据该天平承受最大扭矩进行计算，如此这样可以使得连接更为紧固。

该外筒的该第一开口的内径小于该第二开口的内径，以使该外筒内壁的截面呈锥台形，该锥套的外壁呈锥台形，并且该外筒的内壁和该锥套的外壁相互匹配，从而使该锥套和该外筒之间采用锥面配合和装配螺母压紧的方式，并且该锥套的锥度按照莫氏锥度进行设计，使该外筒和该锥套具有自锁功能。

该外筒具有一第一键槽，该第一键槽连通于该加载通道，该锥套具有一第二键槽，该第二键槽对应于该第一键槽，该超低温六分量天平校准加载头包括一个定位键，该定位键同时定位于该第一键槽和该第二键槽，以固定该外筒和该锥套，并且在使用该装配螺母将该锥套装配于该外筒的加载通道之后，通过该压盖和该外筒限制该装配螺母的轴向运动，因而使该装配螺母只有一个旋转自由度，从而使该锥套和该外筒锁紧。

该超低温六分量天平校准加载头的优势还包括：

1、全对称式圆柱面或圆锥面的结构设计，最大程度减小低温变形；

2、该外筒采用对通式结构，增加气体流的流动性，方便快速降温及保证温度的均匀性；

3、锥套为可更换式，对于不同尺寸的天平设计相应接口及尺寸的锥套；

4、该超低温六分量天平校准加载头采用14点布置形式，分散加载力，防止某方向变形过大，且降低了低温变形的影响；

5、使用短距离的力臂，避免变形对力值精度造成的影响；

6、在两臂加载点处也有辅助位置检测基面，双重检测，检测精度更高。

7、采用装配螺母的方式压紧锥套，使用扭力扳手控制预紧力，防止加载力过大使得锥套产生变形。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是该超低温六分量天平校准加载头的示意图。

图2是该超低温六分量天平校准加载头的力系加载点布局示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1和图2，依据本发明的发明精神提供一种超低温六分量天平校准加载头，其中该超低温六分量天平校准加载头包括一个力系监测头10、一个加载头外筒20、一个锥套30、一个测量基准架40以及一个压盖50，该力系监测头10设置于该加载头外筒20，该加载头外筒20为中空式，且该加载头外筒20一个第一开口22和一个第二开口23，也就是说，该加载头外筒20可以具有一个空间21，该空间21使得该加载头外筒20形成中空式结构。该锥套30设置于该加载通道21，并且该锥套30具有一个容纳腔31，以供容纳一个天平60，该测量基准架40设置于该加载头外筒20，该压盖50设置于该加载头外筒20，以用于使该锥套30保持在该加载头外筒20的内部。

优选地，该加载头外筒20的该第一开口22的内径小于该第二开口23的内径，以使该加载头外筒20的用于形成该加载通道21的内壁的截面呈锥台形，该锥套30的外壁呈锥台形，并且该加载头外筒20的内壁和该锥套30的外壁相互匹配，从而使该加载头外筒20和该锥套30之间具有自锁功能。

该锥套30的一个端部具有外螺纹结构，该超低温六分量天平校准加载头包括一个装配螺母70，该装配螺母70具有内螺纹结构，其中该装配螺母70的该内螺纹结构和该锥套30的该外螺纹结构相互配合，以使该锥套30安装于该加载头外筒20的内部，并且该装配螺母70在该加载头外筒的该第二开口23处容纳于该加载头外筒20的内部，以通过该装配螺母70压紧该锥套30的方式，使该锥套30的外表面和该加载头外筒20的内表面紧密地贴合在一起，从而使该锥套30和该加载头外筒20紧密地装配在一起。

该加载头外筒20具有一第一键槽24，该第一键槽24连通于该第一开口22和该加载头外筒20的内部，该锥套30具有一第二键槽32，该第二键槽32对应于该第一键槽24，该超低温六分量天平校准加载头包括一个定位键80，该定位键80同时定位于该第一键槽24和该第二键槽32，以防止该锥套30相对于该加载头外筒20的转动。优选地，该第一键槽24靠近该加载头外筒的该第一开口22。更优选地，该定位键80是一个滚转定位平键。

该超低温六分量天平校准加载头包括多个测量架连接螺钉90，各个该测量架连接螺钉90同时连接于该测量基准架40和该加载头外筒20，以使该测量基准架40和该加载头外筒20安装在一起。另外，该测量基准架40和该加载头外筒20通过局部点焊或定位销的方式固定，也就是说，一旦该测量基准架40和该加载头外筒20安装在一起之后就不能够再分离，这样，能够避免引多次拆卸和装配该测量基准架40和该加载头外筒20而产生的误差，以提高该超低温六分量天平校准加载头的可靠性和精确度。

该超低温六分量天平校准加载头包括多个天平连接螺钉100，各个该天平连接螺钉100用于连接该天平60和该锥套30。优选地，该天平60与该超低温六分量天平校准加载头的接口为圆柱法兰式接口。

该超低温六分量天平校准加载头的装配顺序是，先用该天平连接螺钉100连接该天平60和该锥套30，然后将该定位键80安装至该锥套30的该第二键槽32内，通过使该装配螺母70的内螺纹结构和该锥套30的外螺纹结构相互配合的方式，将该装配螺母70和该锥套30旋合，然后将该锥套30向该加载头外筒20的该加载通道21内推送至合适的距离后，上紧该压盖50，通过扳手进一步旋转该装配螺母70，以使该锥套30和该加载头外筒20的该第一开口22的内壁压紧。

该测量基准架40上设有开孔，以保证气流的流通，以便于更快地对核心区域降温和保证热均匀性。该超低温六分量天平校准加载头的中心区域处于低温箱内部，加载部位处于低温箱外部，这样可以减少开孔个数，降低低温箱的设计难度。

在超低温条件下进行天平校准试验，受力变形并不是该超低温六分量天平校准加载头的变形的唯一来源了，如果结构设计不合理，低温引起的变形可能比力变形更大。本发明中为了尽量大的减小低温变形，采用了全对称式结构，且所有处于低温箱部分都是圆形截面，这样可以尽可能大的抵消低温变形。

为了给该超低温六分量天平校准加载头施加三个力和三个力矩，本发明中加载头采用的是使用施力机构通过钢带将力传递至加载头上，本发明创新性的提出一种独特的十四点加载方式，其加载原理图如图2所示。

该超低温六分量天平校准加载头上14个加载点及该超低温六分量天平校准加载头的自重构成了系统的载荷集。载荷集在加载力系中组合成正交六分量载荷，其组合关系是：

x正向力由f1与f2共同产生，且f1＝f2，所以x负向力由f3与f4共同产生，同理，

y正向力由f5、f6产生，y负向力由f7、f8产生，由于f5、f6还要产生x向力矩，还要f7、f8产生z向力矩，因此可以列出(1)-(3)等式关系，且由此可以求出y向各力的表达式，如下(4)-(6)。

f5+f6-f7-f8＝fy(1)

若方程中令f8＝0，可得：

计算中，需保证f5、f6、f7、f8为非负数，否则设定f5或f6＝0，由(1)-(3)推导f7、f8计算公式。

z正向力由f9、f10共同产生，为了得到力的数值，还需要对该力施加约束关系，z负向力由f11、f12、f13、f14其同组成，根据力与力矩的关系可以得到如下(7)-(13)表达式。

f11＝f13(7)

f12＝f14(8)

f9＝f10(9)

2(f11+f12)-2f9＝fz(10)

由此可以解得：

选择合适的f9，便可以将各个力求解出来。

该加载方法通过各力的组合产生力与力矩，有效的减小了施加在该超低温六分量天平校准加载头上总力的大小；

增加了施力点的个数，使得所加力分散，避免某一处或者某一方向变形过大超出要求而导致设计不合要求；

用于产生mx，my，mz的力臂之间的距离较小，加载点受载后的位置变化相对较小，由此有效的增加了所施加力与力矩的精度。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。