ПЯТИКОМПОНЕНТНЫЕ ТЕНЗОВЕСЫ
FIVE-COMPONENT STRAIN-GAGE WEIGHER

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.
Для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели с различными углами установок органов управления (элеронов, интерцепторов, воздушных тормозов и других элементов моделей летательных аппаратов, в потоке аэродинамической трубы применяются 1- либо 3-компонентные тензовесы. Данная технология выполнения эксперимента описана в Руководстве для конструкторов (РДК-43). Том 1., Аэродинамика. Гидромеханика. Прочность. Издательство Бюро новой техники, 1943 г. Одно- и трехкомпонентные тензовесы для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели в целом, описаны в целом ряде изобретений: а.с. SU №142159 Аэродинамические весы МПК G01M 9/06 опубликовано 01.01.1961 г.; а.с. SU №147823 Однокомпонентные аэродинамические весы МПК G01G 21/10 опубликовано 01.01.1962 г.; а.с. SU №152744 Тензодинамометрический прибор МПК G01M 9/06 G0L 5/16 опубликовано 01.01.1963 г.
Основной недостаток представленных тензовесов состоит в том, что данные изделия из-за их конструктивных особенностей невозможно разместить внутри модели (габариты не позволяют).
Современные типы 1- и 3-компонентных тензовесов приведены на фигуре 1 и фигуре 2.
При использовании 3-компонентных тензовесов (фигура 1), выполненных в форме фиксатора, головка 7 тензовесов 3 закреплена на отклоняемом органе управления 2, а хвостовик 8 на крыле 1.
Основной недостаток 3-компонентных тензовесов, выполненных в форме фиксатора, состоит в том, что необходимо изготовить такие тензовесы на все исследуемые углы отклонения органа управления (6-12 штук).
Прототипом являются однокомпонентные внутримодельные тензовесы (см. рис. 7 стр. 17, статья А.В. Левицкого, С.Я. Севостьянова «Система дистанционного управления отклоняемыми поверхностями аэродинамической модели самолета для трубных испытаний», «Труды ЦАГИ», выпуск 2719, Издательский отдел ЦАГИ, Москва, 2013 г. ). На фигуре 2 показаны однокомпонентные тензовесы 3, закрепленные на оси вращения 4 отклоняемого органа управления 2. Хвостовик 8 закреплен на консоли крыла, измерительная головка 7 закреплена на оси вращения 4 отклоняемого органа управления, ось вращения 4 отклоняемого органа управления установлена в блок подшипников 5, закрепленный в платформе 6, платформа закреплена на крыле 1. Установку на требуемый угол отклонения производят ослаблением винтов головки 7 тензовесов 3 и поворотом отклоняемого органа управления 2 совместно с жестко прикрепленной к нему осью вращения 4 отклоняемого органа управления. Усилия, действующие на орган управления 2, передаются через ось 4, закрепленную в головке 7 тензовесов, на элемент упругой балки 9 с наклеенными тензорезисторами (не показаны), преобразующими деформацию упругой балки в электрические сигналы.
Основной недостаток однокомпонентных тензовесов состоит в том, что они измеряют только шарнирный момент (Мх).
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка и изготовление компактных пятикомпонентных тензовесов, обладающих высокой жесткостью, с сохранением необходимого уровня чувствительности каналов измерения, имеющих пренебрежимо малые значения нелинейных взаимных влияний компонентов, что дает возможность повысить точность измерения компонентов.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что пятикомпонентные тензовесы, связанные с органом управления и состоящие из измерительной головки, хвостовика, упругих балок и тензорезисторов, построены по 3-балочной схеме, длина балок L определена исходя из требований прочности и жесткости относительно высоты Н центральной балки в соотношение L/H≤3, измерительная головка тензовесов консольно прикреплена к органу управления, а хвостовик закреплен в цанговом зажиме, установленном на крыле, измерение векторов аэродинамической силы и момента (Х, Y, Мх, My, Mz) полной аэродинамической силы, действующих в центре давления элерона, осуществляется относительно центра давления тензовесов, находящегося в середине упругих балок, при помощи тензорезисторов:
при этом для измерения компонента X 4 тензорезистора расположены на внешних поверхностях боковых балок;
для измерения компонентов Y и Мх соответственно по 4 тензорезистора расположены на боковых поверхностях центральной балки;
для измерения компонентов My и Mz по 4 тензорезистора расположены на горизонтальных поверхностях боковых балок.
На фигуре 1 показаны трехкомпонентные тензовесы - фиксатор.
На фигуре 2 показаны однокомпонентные тензовесы, закрепленные на оси вращения отклоняемого органа управления.
На фигуре 3 показано расположение центра давления элерона относительно центра давления тензовесов.
На фигуре 4 показаны пятикомпонентные компактные тензовесы с электрическими тензорезисторами, наклеенными на поверхность упругочувствительных балок тензовесов, с приложенными силами и моментами сил, действующими на элерон.
На фигуре 5 показаны пятикомпонентные компактные тензовесы, установленные для измерения полной аэродинамической силы, действующей на орган управления (элерон) крупномасштабной модели.
На фигуре 6 показана схема сечений балок тензовесов под наклейку тензорезисторов.
На фигурах 7-10 показана схема рамещения тензорезисторов, расположенных на упругих балках тензовесов.
Предлагаемые пятикомпонентные компактные тензовесы 3 (см. фиг. 5) с тензорезисторами 10 (фиг. 6), наклеенными на поверхность упругочувствительных балок 9 тензовесов 3, преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы, являются осью вращения органа управления. В конструкции пятикомпонентных компактных тензовесов отсутствует платформа 6 с блоком подшипников 5 и ось вращения органа управления (элерона) (см. фиг. 2), а измерительная головка 7 тензовесов 3 консольно прикреплена к органу управления 2, а хвостовик 8 закреплен в цанговом зажим 11, который закреплен на крыле 1 модели (фиг. 5).
Пятикомпонентные компактные тензовесы выполнены по трехбалочной схеме, обладают более высокой жесткостью с сохранением необходимого уровня чувствительности каналов измерения. Увеличение жесткости и, следовательно, повышение частоты собственных колебаний тензовесов достигается, в основном, за счет уменьшения длины трех упругих балок 9. Длина балок L соотносится с высотой центральной балки Н в соотношение L/H≤3 (см. фиг. 6, 9), определенном исходя из требований прочности и жесткости. Центр давления (ЦД) органа управления (элерона) 2 смещен относительно центра давления (ЦД) тензовесов 3 на фиксированные величины L1, L2, определяемые конструкцией модели (фиг. 3).
Полная аэродинамическая сила, действующая в центре давления на орган управления (элерон) крупномасштабной модели, передается на тензовесы, полная аэродинамическая сила раскладывается на несколько составляющих: две растягивающие силы - вдоль осей X и Y, а так е три момента Мх, My, Mz (см. фиг 4). Чувствительность тензовесов 3, определяемая максимальными электрическими напряжениями разбаланса измерительных мостов, определяемыми тензорезисторами 10 (R1-R20), наклеенными на поверхность упругочувствительных балок 9 тензовесов 3, (см. фиг. 4, 7-10), преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы, должна колебаться в пределах диапазона чувствительности регистрирующей аппаратуры. Монотонное отклонение органа управления 2 на различные установочные углы производится после ослабления затяжки цангового зажима 11, который закреплен на крыле 1 модели.
Принцип действия пятикомпонентных компактных тензовесов иллюстрируется фигурами 4-10. Под действием нагрузок, действующих на элерон 2, упруго-чувствительные балки 9 тензовесов 3 деформируются. Тензорезисторы 10 (R1-R20), деформируясь вместе с упругими элементами, изменяют свое сопротивление (увеличиваются при растяжении и уменьшаются при сжатии). На фигурах 6, 7-10 показана схема наклейки тензорезисторов 10 на балки 9 тензовесов 3.
Измерение векторов аэродинамической силы и момента (компонентов) (X, Y, Мх, My, Mz) полной аэродинамической силы, действующей в центре давления элерона, осуществляется относительно центра давления тензовесов, расположенного в середине упругих балок, при помощи тензорезисторов 10:
- R1, R2, R3, R4 (фиг. 7, 8), расположенных на внешних поверхностях боковых балок 9, - для измерения компонента X;
- R5, R6, R7, R8 (фиг. 7, 8) и R9, R10, R11, R12 (фиг. 7, 8), расположенных на боковых поверхностях центральной балки 9, - для измерения компонентов Y и Мх соответственно;
- R13, R14, R15, R16 (фиг. 10), и R17, R18, R19, R20 (фиг. 9, 10), расположенных на горизонтальных поверхностях боковых балок 9, - для измерения компонентов My и Mz.
Все компоненты полной аэродинамической силы воспринимаются одновременно всеми балками упругой системы.
Измерительная аппаратура по изменению сопротивления тензорезисторов позволяет определить деформации упругих элементов, а зная величину деформаций, можно определить нагрузки, действующие на орган управления (элерон) 2. Экспериментально установлено, что нагрузки, действующие на орган управления (элерон) и измеренные пятикомпонентными компактными тензовесами, составляют:
X=6,4 кгс;
Y=11,2 кгс;
Мх=0,8 кгс·м;
My=0,4 кгс·м;
Mz=0,2 кгс·м.
Экспериментальные исследования показали, что пятикомпонентные компактные тензовесы для измерения полной аэродинамической силы, действующей на орган управления (элерон) крупномасштабной модели, обладают необходимой жесткостью, чувствительностью и прочностью. Кроме того компактные тензометрические весы имеют пренебрежимо малые значения нелинейных взаимных влияний компонентов, что дает возможность применения принципа суперпозиции (принцип независимости приложения внешних нагрузок) при проведении калибровочных работ. Это, в свою очередь, дает возможность повысить точность измерения компонентов и ряд других преимуществ (повышение низкочастотного спектра собственных колебаний всей экспериментальной установки, виброустойчивость, повышение эксплуатационной безопасности тензовесов по прочности и т.д.).
Полученные результаты будут использованы при проектировании перспективных тензометрических весов компактной конструкции, обеспечивающих измерение сил и моментов на отклоняемых поверхностях аэродинамических моделей при непрерывном управлении отклонением в аэродинамическом эксперименте.