ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕСЫ
STRAIN-GAUGE BALANCE

Предложение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано в устройстве тензометрических весов (далее - ТВ), используемых для определения 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 для установки испытываемой модели и крепления ТВ в рабочей части аэродинамической трубы и измерительные элементы составляющих векторов аэродинамической силы и момента: пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил, изгибающих и крутящего моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензорезисторами, и измерительный элемент продольной силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных косым разрезом с уменьшением от корневого к периферийному размера поперечных сечений подвижного и неподвижного оснований, соединенных между собой пакетами поперечно расположенных упругих пластин и чувствительными элементами 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 для установки испытываемой модели и крепления ТВ в рабочей части аэродинамической трубы, пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил, изгибающих и крутящего моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензорезисторами, и измерительный элемент продольной силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных вертикальными пазами и косым разрезом с уменьшением от корневого к периферийному размера поперечных сечений подвижного и неподвижного оснований, соединенных между собой пакетами поперечно расположенных упругих шарниров и чувствительными элементами с установленными на них тензорезисторами.
Недостатком этого технического решения является асимметричное относительно продольной оси ТВ расположение подвижного и неподвижного оснований и недостаточная их жесткость в поперечном направлении, являющиеся причиной повышенного влияния на показания измерительного элемента продольной силы других компонент нагрузки и снижения точности измерений.
Задачей, на решение которой направлено данное предложение, является повышение точности измерений продольной силы.
Технический результат, который обеспечивается данным предложением, заключается в создании симметричной, повышенной жесткости структуры корпуса измерительного элемента продольной силы, что приводит к повышению точности измерений продольной силы X за счет снижения влияния других компонент нагрузки.
Этот результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа и содержащем силовводящий и силовыводящий элементы для установки испытываемой модели и крепления тензовесов в рабочей части аэродинамической трубы, пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил, изгибающих и крутящего моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензорезисторами, и измерительный элемент продольной силы, состоящий из подвижного и неподвижного оснований, разделенных вертикальными пазами и косым разрезом с уменьшением от корневого к периферийному размера поперечных сечений обеих оснований, соединенных между собой пакетами поперечно расположенных упругих шарниров и чувствительными элементами с установленными на них тензорезисторами, подвижное и неподвижное основания измерительного элемента продольной силы выполнены в виде вилок встречного направления, каждая из которых состоит из цилиндрического опорного элемента и двух или более продольных балок, симметричных относительно продольной оси, с поперечным сечением в виде секторов окружности, образованных в корпусе измерительного элемента цилиндрической формы посредством фигурных наклонных продольных вырезов и вертикальных поперечных пазов, причем пакеты упругих шарниров выполнены дугообразной формы и размещены в выемках, образованных в продольных балках оснований около их корневых сечений, а чувствительные элементы установлены в выточках, образованных по краям в средней части продольных балок подвижного и неподвижного оснований и выполнены в виде прямоугольных рамок с продольными упругими пластинами и жесткими перемычками по концам, прикрепленных в средней части к указанным продольным балкам посредством поперечного цилиндрического ребра, сформированного на поверхности выточек, при этом концы продольных балок каждой из вилок подвижного и неподвижного оснований соединены между собой кольцевыми перемычками.
Сущность предложения заключается в обеспечении симметрии конструктивных частей измерительного элемента продольной силы X относительно линии действия силы и максимально возможной их жесткости к действию перерезывающих сил, изгибающих и крутящего моментов. При этом все основные конструктивные части измерительного элемента продольной силы X (подвижное и неподвижное основания, пакеты упругих шарниров, чувствительные элементы в виде рамок) симметрично расположены относительно продольной оси, а в структуре подвижного и неподвижного оснований используется практически весь ресурс жесткости поперечного сечения его цилиндрического корпуса и созданы дополнительные жесткие связи концов вилок оснований.
На фиг. 1 показан общий вид корпуса тензометрических весов (без тензорезисторов); на фиг. 2 - вид корпуса ТВ сбоку; на фиг. 3, 4 - разрезы А-А и В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - вид центральной части корпуса ТВ по стрелке П на фиг. 3; на фиг. 6-11 - разрезы Н-Н, Д-Д, Е-Е, Ж-Ж, К-К на фиг. 5; на фиг. 12-17 - электрические схемы соединения тензорезисторов.
Тензометрические весы содержат цилиндрический корпус с силовводящим элементом 1 для установки испытываемой модели летательного аппарата и силовыводящим элементом 2 в виде хвостовика с коническим узлом сопряжения и резьбой для крепления ТВ в рабочей части аэродинамической трубы. На периферийных частях корпуса выполнены два пояса продольных упругих балок 3 пятикомпонентного измерительного элемента: поперечных сил - нормальной Y и боковой Z и моментов - крутящего Mx (крена) и изгибающих My (рыскания) и Mz (тангажа). Центральную часть корпуса ТВ занимает измерительный элемент продольной силы X, состоящий из жестких подвижного (со стороны испытываемой модели) и неподвижного (со стороны места крепления ТВ в рабочей части аэродинамической трубы) оснований, выполненных в виде вилок встречного направления, каждая из которых состоит из цилиндрического жесткого опорного элемента 4 (5) и двух или более (например, трех или четырех) жестких продольных балок 6 (7), симметричных относительно продольной оси, с поперечным сечением в виде секторов окружности (фиг. 7-11), образованных в цилиндрическом корпусе измерительного элемента X посредством четырех или более (в количестве удвоенного числа продольных балок оснований, например, шести или восьми) фигурных наклонных продольных вырезов 8 и вертикальных поперечных пазов 9 (фиг. 1, 5, 6). При этом размер поперечных сечений подвижного и неподвижного оснований выполнен с уменьшением по направлению от корневого к периферийному. Пары продольных балок 6 и 7 соединены между собой посредством размещенных по их концам восьми или более (по два на каждую из продольных балок оснований, например, двенадцати или шестнадцати) пакетов дугообразных упругих шарниров 10. В средней части по краям балок 6 и 7 выполнены выточки 11, в которых размещены дополнительно соединяющие эти балки чувствительные элементы в виде прямоугольных рамок с продольными упругими пластинами 12 и жесткими перемычками 13 (фиг. 1, 5).
Средняя часть пластин 12 каждой рамки соответственно соединена посредством поперечного жесткого ребра 14, образованного в середине выточек, одна - с балками 6, а другая - с балками 7. Концы каждой пары балок 6 и 7 соединены между собой кольцевыми перемычками 15, отделенными кольцевыми 16 и радиальными 17 проточками от смежных балок (фиг. 1, 6, 7). Ширина вырезов 8, пазов 9 и проточек 16, 17 выбрана превышающей величину деформации упругих шарниров 10 и пластин 12 чувствительных элементов при максимальной измеряемой нагрузке.
На гранях продольных упругих балок 3 и продольных упругих пластин 12 размещены тензорезисторы R1-R36. Места их расположения показаны на фиг. 2-5, 10, при этом в скобках указаны номера тензорезисторов, соответственно расположенных позади видимых на фигурах. Тензорезисторы соединены в мостовые измерительные схемы для выделения силовых и моментных компонент нагрузки X, Y, Z, Мx, My, Mz в соответствии с фиг. 12-17.
Работа тензометрических весов осуществляется следующим образом.
Перед испытаниями ТВ с закрепленной на силовводящем элементе 1 испытываемой моделью летательного аппарата посредством силовыводящего элемента 2 устанавливают на державке в рабочей части аэродинамической трубы.
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 Мx и изгибающие My, Mz моменты вызывают деформацию упругих продольных балок 3, шарниров 10, пластин 12 и смещение подвижных частей ТВ - силовводящего элемента 1, опорного элемента 4 и продольных балок 6 относительно неподвижных - силовыводящего элемента 2, опорного элемента 5 и продольных балок 7.
Сила X вызывает деформацию шарниров 10, плоскопараллельное смещение продольных балок 6 относительно балок 7, соответствующее смещение размещенных на этих балках частей поперечного ребра 14, изгиб связанных с указанными ребрами продольных пластин 12, сжатие-растяжение установленных на этих пластинах тензопреобразователей R1-R16 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг.12, пропорционального величине продольной силы X.
Сила Y и момент Mz вызывают изгиб балок 3 в вертикальной плоскости, соответствующее сжатие-растяжение тензорезисторов R17-R20, R33-R36 и появление электрических сигналов на выходе измерительных схем фиг. 13 и фиг. 17, пропорциональных величинам силы Y и момента Mz.
Аналогично, сила Z и момент My вызывают изгиб балок 3 в горизонтальной плоскости, соответствующее сжатие-растяжение тензорезисторов R21-R24, R29-R32 и появление электрических сигналов на выходе измерительных схем фиг. 14 и фиг. 16, пропорциональных величинам силы Z и момента My.
Момент Мх вызывает скручивание и косой изгиб балок 3, соответствующее сжатие-растяжение тензорезисторов R25-R28 и появление электрического сигнала на выходе измерительной схемы фиг. 15, пропорционального величине момента Мx.
Таким образом, обеспечивается определение всех составляющих (компонент) векторов аэродинамической силы и момента, действующих на испытываемую модель летательного аппарата в потоке аэродинамической трубы. При этом симметричная, повышенной жесткости структура корпуса измерительного элемента продольной силы обеспечивает снижение влияния других компонент нагрузки и повышение точности измерений продольной силы X.