ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕСЫ

Предложение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано в устройстве тензометрических весов (ТВ), применяемых для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов в потоке аэродинамической трубы.
Известны ТВ (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев, И.Н. Панченко «Становление и развитие тематики многокомпонентных тензометрических весов», Материалы конференции по измерительной технике и метрологии для экспериментальных исследований летательных аппаратов, Жуковский, ЦАГИ, 2014, стр. 23, 24, рис 4-6), содержащие силовводящий и силовыводящий элементы, используемые для крепления испытываемой модели и установки ТВ в рабочей части аэродинамической трубы, и размещенные между ними измерительные элементы составляющих векторов аэродинамической силы и момента: пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил (нормальной Y и боковой Z), изгибающих (рыскания My и тангажа Mz) и крутящего (крена Mx) моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензорезисторами, и измерительный элемент продольной силы X в виде упругих параллелограммов, состоящих каждый из продольных подвижной и неподвижной жестких балок, соединенных между собой посредством поперечно расположенных упругих балок и встроенных в упругие параллелограммы чувствительных элементов с установленными на них тензорезисторами.
Известны ТВ (см. патент РФ №2287783, 2005 г., МПК G01G 3/12, G01G 19/00, G01M 9/06), выбранные в качестве прототипа и содержащие силовводящий и силовыводящий элементы, используемые для крепления испытываемой модели и установки тензовесов в рабочей части аэродинамической трубы, и размещенные между ними измерительные элементы в виде основной продольной балки с установленными на ней тензорезисторами и упругих параллелограммов с поперечными упругими и продольными жесткими балками и встроенными чувствительными элементами с установленными на них тензорезисторами.
Недостатком этого технического решения является асимметричное относительно продольной оси ТВ расположение продольных жестких балок упругих параллелограммов измерительного элемента продольной силы и недостаточная их жесткость в поперечном направлении, являющиеся причиной повышенного влияния на показания измерительного элемента продольной силы других компонент нагрузки и снижения точности измерений, а также недостаточная жесткость чувствительных элементов, ограничивающая диапазон измерений продольной силы. Кроме того, для ряда задач (большие величины измеряемой продольной силы и малые величины момента крена Mx) применение известного технического решения, в котором измерительный элемент Mx расположен на основной продольной балке и подвергается сжатию под действием продольной силы, ограничено условием устойчивости упругой системы измерительного элемента Mx.
Задачей, на решение которой направлено данное предложение, является повышение точности ТВ и расширение диапазона измерений продольной силы. Дополнительной задачей является обеспечение измерения малых величин момента крена Mx при действии больших продольных сил X.
Технический результат, который обеспечивается данным предложением - повышенная точность ТВ и расширенный диапазон измерений продольной силы.
В качестве дополнительного технического результата обеспечивается возможность измерения малых величин момента крена Mx при действии больших продольных сил X.
Этот результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа и содержащем силовводящий и силовыводящий элементы, используемые для крепления испытываемой модели и установки тензометрических весов в рабочей части аэродинамической трубы, и размещенные между ними измерительные элементы в виде основной продольной балки с установленными на ней тензорезисторами и упругих параллелограммов с поперечными упругими и продольными жесткими балками и встроенными чувствительными элементами с установленными на них тензорезисторами, силовводящий элемент выполнен в виде оболочки, симметричной относительно продольной оси основной продольной балки и охватывающей ее переднюю часть, при этом поперечные упругие балки, продольные жесткие балки и встроенные чувствительные элементы упругих параллелограммов образованы в передней части в стенках указанной оболочки посредством двух поясов перемежающихся поперечных прорезей и расположенных между ними симметрично относительно продольной оси радиально ориентированных выемок.
Дополнительно этот результат обеспечивается также тем, что поперечные прорези переднего пояса в стенках оболочки выполнены шириной, обеспечивающей установку тензорезисторов на основной продольной балке, соединение оболочки с которой осуществлено посредством расположенных между указанными прорезями переднего пояса в стенках оболочки удлиненных продольных жестких балок упругих параллелограммов и фланца, выполненного на переднем торце основной балки.
Дополнительный результат достигается тем, что в стенках оболочки позади упругих параллелограммов посредством продольных вырезов дополнительно образована кольцевая система попарно сгруппированных и расположенных с равным шагом относительно продольной оси упругих пластин с радиально ориентированными цилиндрическими внутренними подрезами по краям, напротив которых установлены тензорезисторы.
Сущность предложения заключается в создании симметричной, компактной структуры измерительного элемента продольной силы повышенной жесткости (в т.ч. к действию перерезывающих сил, изгибающих и крутящего моментов) при размещении конструктивных частей измерительного элемента в стенках цилиндрической оболочки силовводящего элемента и обеспечении возможности его расположения вблизи точки приложения к испытываемой модели равнодействующей измеряемой силы, что обеспечивает расширение диапазона измерений силы X и повышение точности измерений за счет снижения влияния других компонент нагрузки.
Дополнительный результат обеспечивается созданием условий устойчивой работы (на растяжение) упругой системы измерительного элемента Mx при действии больших продольных сил X.
На фиг. 1 показан общий вид тензовесов; на фиг. 2 - продольный разрез ТВ; на фиг. 3 - сечения А-А, Б-Б, В-В и Г-Г и развертка поверхности Ж на фиг. 2 (с указанием расположения тензорезисторов); на фиг 4 - неразборный вариант исполнения ТВ; на фиг. 5 - дополнительный вариант исполнения ТВ; на фиг. 6 - продольный разрез варианта ТВ на фиг. 5; на фиг. 7 - сечения Д-Д, Е-Е и развертка поверхности К на фиг. 6 (с указанием расположения тензорезисторов, при этом обозначенные в скобках тензорезисторы расположены за указанными на фигуре); на фиг. 8-13 - электрические схемы соединения тензорезисторов ТВ на фиг. 1 и 4; на фиг. 14 - электрическая схема соединения тензорезисторов измерительного элемента X ТВ на фиг. 5; на фиг. 15 - электрическая схема соединения тензорезисторов измерительного элемента Mx ТВ на фиг. 5.
Тензометрические весы содержат корпус с цилиндрическим силовводящим элементом 1 для крепления испытываемой модели летательного аппарата, размещенным на переднем конце основной продольной балки 2 восьмигранного (как на фиг. 1 и 5) или четырехгранного (как на фиг. 5) сечения и зафиксированным на ней с помощью гайки 3 (болта - на фиг. 5). На заднем конце балки 2 размещен силовыводящий элемент 4 в виде хвостовика с коническим узлом сопряжения и резьбой (как на фиг. 1 и 4) или цилиндрического хвостовика (как на фиг. 5, 6) для установки ТВ в рабочей части аэродинамической трубы. В передней части в стенках оболочки силовводящего элемента 1 посредством двух поясов перемежающихся поперечных прорезей 5 и 6 (в каждом поясе по четыре, как на фиг. 1 и 5, или по три, как на фиг. 5-7) и расположенных между ними симметрично относительно продольной оси радиально ориентированных выемок 7 образованы восемь (или шесть) упругих параллелограммов с поперечными упругими балками 8 (переменного сечения на фиг. 1 и 4), продольными жесткими балками 9 и 10 и встроенными чувствительными элементами в виде донышек выемок 7 (в т.ч. - с отверстиями 11, выполненными вдоль и поперек продольной оси ТВ, как на фиг. 1 и 4, или без таких отверстий, как на фиг. 5-7).
На гранях балки 2 и на чувствительных элементах (между отверстиями 11 под 45° к продольной оси ТВ) установлены тензорезисторы R1…R36, соединенные в соответствии с фиг. 8…13 в мостовые измерительные схемы для выделения компонент силы X, Y, Z и момента Mx, My, Mz. На заднем конце балки 2 закреплен обтекатель 12 для предотвращения воздействия потока аэродинамической трубы на измерительные схемы, сформированные на балке 2.
В неразборном варианте ТВ, представленном на фиг. 4 (на которой структурные элементы обозначены так же, как и на фиг. 1), силовводящий элемент 1 жестко связан с основной балкой 2 посредством удлиненных продольных жестких балок 9 упругих параллелограммов и выполненного на переднем торце балки 2 фланца 13. При этом прорези переднего пояса 5 силовводящего элемента 1 за счет удлиненных продольных жестких балок 9 образуют окна, через которые обеспечивается установка тензорезисторов на передней части балки 2.
В дополнительном варианте выполнения ТВ, представленном на фиг. 5 (на которой структурные элементы обозначены так же, как и на фиг. 1), в стенках оболочки силовводящего элемента 1, снабженного дополнительным фланцем 14 для удобства крепления испытываемой модели, позади шести упругих параллелограммов (в радиальных выемках которых 7 установлены тензорезисторы R37…R48, соединенные в мостовую измерительную схему в соответствии с фиг. 14) посредством продольных вырезов 15 дополнительно образована кольцевая система упругих пластин 16, попарно сгруппированных и расположенных с равным шагом относительно продольной оси (всего - шесть пар) с радиально ориентированными цилиндрическими внутренними подрезами 17 по краям, напротив которых установлены тензорезисторы R49…R60, соединенные в мостовую измерительную схему (фиг. 15).
Работа тензометрических весов осуществляется следующим образом. Перед испытаниями ТВ с закрепленной на силовводящем элементе 1 испытываемой моделью летательного аппарата посредством силовыводящего элемента 4 устанавливают на державке в рабочей части аэродинамической трубы, а выводные концы измерительных схем подсоединяют к соответствующей аппаратуре. В процессе испытаний внешняя нагрузка от взаимодействия модели с потоком аэродинамической трубы прикладывается к силовводящему элементу 1. Компоненты этой нагрузки: продольная X и поперечные Y, Z силы, крутящий Mx и изгибающие My, Mz моменты вызывают деформацию основной продольной балки 2 и чувствительных элементов 7.
Продольная сила X вызывает изгиб и сдвиг поперечных упругих балок 8, относительное плоско-параллельное смещение продольных жестких балок 9 и 10, сдвиг донышек встроенных чувствительных элементов 7, сжатие-растяжение установленных на этих элементах тензопреобразователей R1…R16 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг. 8, пропорционального величине продольной силы X.
Сила Y и момент Mz вызывают изгиб основной балки 2 в вертикальной плоскости, соответствующее сжатие - растяжение тензорезисторов R17…R20, R33…R36 и появление электрических сигналов на выходе измерительных схем фиг. 9 и 13, пропорциональных величинам силы Y и момента Mz.
Аналогично, сила Z и момент My вызывают изгиб балки 2 в горизонтальной плоскости, соответствующее сжатие - растяжение тензорезисторов R21…R24, R29…R32 и появление электрических сигналов на выходе измерительных схем фиг. 10 и 12, пропорциональных величинам силы Z и момента My.
Момент Мх вызывает скручивание балки 2, соответствующее сжатие - растяжение тензорезисторов R25…R28 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг. 11, пропорционального величине момента Мх.
В дополнительном варианте выполнения ТВ продольная сила X вызывает изгиб и сдвиг поперечных упругих балок 8, относительное плоскопараллельное смещение продольных жестких балок 9 и 10, сдвиг донышек встроенных чувствительных элементов 7, сжатие - растяжение установленных на этих элементах тензопреобразователей R37…R48 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг. 14, пропорционального величине продольной силы X.
Момент Мх вызывает скручивание и косой изгиб упругих пластин 16, преимущественно в местах их подрезов 17, соответствующее сжатие - растяжение тензорезисторов R49…R60 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг. 15, пропорционального величине момента Mx.
Таким образом, обеспечивается определение всех составляющих (компонент) векторов аэродинамической силы и момента, действующих на испытываемую модель летательного аппарата в потоке аэродинамической трубы. При этом жесткая, симметричная структура корпуса измерительного элемента продольной силы обеспечивает снижение влияния других компонент нагрузки и повышение точности измерений продольной силы X, а его повышенная жесткость обеспечивает расширение диапазона измерений этой силы.
Более сложный в изготовлении неразборный вариант ТВ обладает более высокими метрологическими характеристиками за счет гарантированной относительной неподвижности мест сопряжения всех измерительных элементов ТВ.
В дополнительном варианте выполнения ТВ обеспечивается возможность измерения сравнительно малых величин момента крена Mx при действии больших продольных сил X.