СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ОБЪЕКТ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к области авиастроения и предназначена для испытания на стенде различных объектов авиационной техники.
При испытаниях объекта авиационной техники, например, ГЛА (гиперзвукового летательного аппарата) или его составных частей (фюзеляжа, крыльев, стабилизирующих поверхностей, двигателя, интегрированного в летательный аппарат), помимо продольных усилий необходимо определять и подъемную (вертикальную) силу, действующую на летательный аппарат или его составные части, которая возникает под воздействием пульсаций давления при обтекании потоком воздуха поверхностей корпуса и составных частей ГЛА и является важной характеристикой его аэродинамических свойств.
Потребность в определении вертикальных нагрузок может возникнуть и для других объектов авиационной техники, например, необходимо измерять компоненты силы тяги, в том числе и вертикальной силы, для ВРД с отклоняемом по направлению вектором тяги при прямой и реверсивной работе двигателя (патент RU №2276279).
Сложные структура распределения давления воздушного потока при обтекании ГЛА и его составных частей или распределения давления газового потока для ВРД с отклоняемым вектором тяги при прямой и реверсивной работе требуют экспериментального измерения на стенде вертикальных нагрузок воздействующих на объект испытаний.
Известен накладной струнный тензометр #1.01.01, входящий в автоматизированную систему мониторинга конструкций (АСМК) «СИТИС: Спрут» (http://sprut.sitis.ru). Устройство используется для мониторинга и измерения деформации и напряжения в сваях, подпорных стенках, распорках, балках, колоннах, двутаврах объектов различного функционального назначения (зданий, туннелей, мостов). Тензометр состоит из металлической трубки, в полость которой помещена высокопрочная стальная струна. Струна натянута между двумя концевыми блоками, которые предназначены для передачи нагрузок с наблюдаемой конструкции (блоки привариваются или прикрепляются к конструкции). Посредине корпуса датчика установлена электромагнитная катушка для возбуждения колебаний струны и считывания их частоты. В основу работы струнного тензометра положен принцип зависимости частоты колебаний струны от ее натяжения. При деформации конструкции, на которой установлен датчик, изменяется натяжение струны. Натяжение струны прямо пропорционально деформации, по величине которой и свойствам материала конструкции определяются возникающие в ней напряжения. Однако данное устройство обеспечивает измерение только продольных деформаций и не может быть использовано в конструкциях, которые подвергаются изгибу в поперечном направлении.
Известна силоизмерительная система (СИС) испытательного стенда авиационных двигателей. Для проведения испытаний авиационный двигатель устанавливается на подмоторной раме, жестко закрепленной на подвижной динамометрической платформе (ДМП), которая на четырех упругих лентах опирается на неподвижное основание, жестко связанное с корпусом стенда. Сила тяги авиационного двигателя прикладывается через подмоторную раму к ДМП, перемещающуюся на изгибающихся упругих лентах и уравновешивается направленной вдоль оси двигателя силой реакции датчика силы, корпус которого установлен на неподвижной раме. Система позволяет измерять тягу авиационного двигателя. Основным недостатком такой СИС является отсутствие возможности измерения усилий, действующих вдоль вертикальной оси (Методы измерения и обработки параметров физических процессов при испытаниях авиационных двигателей и энергетических установок. Учебное пособие. Под общей редакцией В.А.Скибина. Федеральное агентство по образованию. Государственное учреждение высшего профессионального образования. «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им.К.Э.Циолковского. Федеральное агентство по промышленности. Государственный научный центр Российской Федерации ФГУП «Центральный институт авиационного машиностроения им.П.И.Баранова» 2007., стр.72-84. ISBN 594049020-4).
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является стенд для измерения компонентов силы тяги реактивного двигателя с отклоняемым вектором тяги (патент RU №2276279, F02K 9/98, 26.10.2004).
X
y
Z
X
y
Z
X
y
Z
X
y
Z
X
y
Z
Стенд предназначен для испытания авиадвигателей с отклоняемым вектором тяги и измерением ее составляющих ±R, ±R, ±R, при прямой  и реверсивной работе двигателя. Это достигается тем, что все силоизмерительные датчики для измерения компонент сил тяги ±R, ±R, ±R снабжены дополнительными рычажными передачами и загружены перед проведением испытаний грузами расчетного веса, G, G, G обеспечивающими безлюфтовую работу силоизмерительных рычажных передач при определении значений компонент силы ±R, ±R, ±R при реверсивной работе испытываемого двигателя. Равенство передаточных отношений у двух пар, параллельно работающих силоприемных рычагов, воспринимающих нагрузку от динамометрической платформы, и двух пар силоизмерительных рычагов, взаимодействующих с силоизмерительными датчиками, обеспечивает уравновешивание сил на соединяющих их шарнирах от моментов относительно осей X, Y, Z, что исключает взаимовлияние сил на измеряемые компоненты сил тяги ±R, ±R, ±R. Однако, сложная конструкция стенда с наличием механических связей и многократной передачей усилий через рычаги снижает точность и надежность измерений компонентов тяги.
В основу полезной модели положено решение задачи повышения точности и надежности измерения вертикальной нагрузки воздействующей на объект авиационной техники.
Поставленная задача решается тем, что стенд для измерения вертикальных нагрузок, воздействующих на объект авиационной техники, содержит динамометрическую платформу с закрепленным на ней объектом. Платформа установлена на неподвижную опорную раму посредством гибких стоек с возможностью перемещения по трем ортогональным осям.
Собственная частота поперечных колебаний гибкой стойки (стержня) изменяется в зависимости от приложенной к нему осевой силы. При сжимающей силе частота увеличивается, а при растягивающей силе частота уменьшается. Расчетные зависимости частот собственных мод поперечных колебаний гибкой стойки с переменным поперечным сечением и с закрепленными концами от величины силы, которая действует на нее в вертикальном направлении (вдоль ее оси), могут быть получены численным решением дифференциального уравнения.
где x - продольная координата, направленная вдоль гибкой стойки;
y(x) - поперечное смещение сечения гибкой стойки;
z - боковая координата;
Е(x) - модуль упругости материала гибкой стойки (для стойки из однородного материала Е постоянная величина);
J(x) - момент инерции сечения гибкой стойки относительно оси ее поворота (z);
ρ(x) - плотность материала гибкой стойки (для стойки из однородного материала ρ постоянная величина);
S - осевая сила, действующая на гибкую стойку (положительная -сжимающая, отрицательная - растягивающая), (стр.362-365. С.П.Тимошенко. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967).
С учетом известного свойства изменения частоты поперечных колебаний гибкой стойки в зависимости от приложенной к ней осевой силы новым в полезной модели является то, что:
- объект закреплен на платформе при помощи пилона;
- гибкие стойки включают в средней части жесткие участки;
- на жестких участках стоек установлены трехкомпонентные пьезоэлектрические датчики виброускорений со встроенными усилителями напряжения;
- усилители напряжения через кабели подключены к источникам питания;
- одна из трех ортогональных измерительных осей каждого датчика направлена вдоль гибкой стойки;
- источники питания через кабели подсоединены к регистратору-анализатору сигналов напряжений.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач так как:
- жесткое закрепление объекта на платформе обеспечивается при помощи пилона;
- включение в среднюю часть гибких стоек жестких участков позволяет разместить на них датчики виброускорений, которые обеспечивают высокую точность и надежность измерения частоты виброускорений гибких стоек;
- использование трехкомпонентных датчиков виброускорений позволяет выполнять отдельные измерения по каждому из трех ортогональных направлений при пространственном перемещении динамометрической платформы и гибких стоек, в отличие от однокомпонентного датчика, который измеряет виброускорения только в одном направлении вдоль вектора пространственного перемещения динамометрической платформы и гибких стоек;
- направление одной из трех ортогональных измерительных осей каждого датчика вдоль гибкой стойки обеспечивает фиксированное пространственное положение датчика и регистрацию сигнала виброускорений ее поперечных колебаний относительно оси перпендикулярной оси гибкой стойки;
- выполнение датчиков виброускорений со встроенными усилителями напряжения, которые подключены кабелями к источникам питания, позволяет получить выходной сигнал виброускорений в единицах напряжения, что обеспечивает его помехоустойчивость при передаче по кабелям к регистратору-анализатору и повышает надежность результатов измерений.
Для частного случая измерения вертикальных нагрузок, воздействующих на объект при обтекании его воздушным потоком платформу с объектом и опорную раму необходимо устанавливать в барокамеру. Это позволяет имитировать высотные условия полета объекта.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача повышения точности и надежности измерения вертикальной нагрузки, воздействующей на объект авиационной техники при проведении испытаний на стенде.
Полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы стенда для измерения вертикальной нагрузки, представленной на чертеже.
Стенд для измерения вертикальной нагрузки, воздействующей на объект 1 авиационной техники, например ГЛА с интегрированным в него ВРД, содержит динамометрическую платформу 2 с закрепленной на ней объектом 1. Платформа 2 установлена посредством гибких стоек 3 на неподвижную опорную раму 4 с возможностью перемещения платформы 2 по трем ортогональным осям. Рама 4 жестко связана с корпусом барокамеры (не показано). Объект 1 закреплен на платформе 2 при помощи обтекаемого пилона 5. Гибкие стойки 3 включают в средней части жесткие участки 6. На жестких участках 6 стоек 3 установлены трехкомпонентные пьезоэлектрические датчики 7 виброускорений (модель 356А15, фирма PSB PIEZOTRONICS USA, каталог фирмы НОВАТЕСТ, www.novatest.ru) со встроенными усилителями напряжения (не показаны). Усилители подключены к источникам питания 8 (модель 482А22, фирма PSB PIEZOTRONICS USA, каталог фирмы ОКТАВА+, www.octava.ru) через кабели 9. Одна из трех ортогональных измерительных осей каждого датчика 7 направлена вдоль гибкой стойки 3. Источники питания 8 через кабели 10 подсоединены к регистратору-анализатору 11 сигналов напряжений (модель MIC-300M фирмы НПП «МЕРА», каталог, www.nppmera.ru).
Стенд с ГЛА 1 устанавливают в барокамеру (не показано). Стенд для измерения вертикальной нагрузки работает при высотных испытаниях ГЛА следующим образом. Колебания конструкции ГЛА 1, установленной на пилоне 5, обтекаемой потоком воздуха, имитирующим полетные условия, под воздействием пульсаций давления вызывают колебания динамометрической платформы 2 и жестко связанных с ней и неподвижной рамой 4 гибких стоек 3. Возникающие при этом виброускорения поперечных колебаний гибких стоек 3 регистрируются по измерительным каналам датчиками 7. Преобразованные в единицы напряжения выходные сигналы с датчиков 7 по кабелям 9 через источники питания 8, а затем по кабелям 10 передаются на регистратор-анализатор 11 сигналов напряжений. После проведения испытаний выполняется спектральный анализ на регистраторе-анализаторе 11 экспериментально зарегистрированных сигналов виброускорений поперечных колебаний, по осям перпендикулярных осям направленных вдоль гибких стоек 3.
До или после испытаний выполняется расчет собственных частот поперечных колебаний гибкой стойки 3 в зависимости от приложенной к ней вертикальной нагрузки (осевой силы) численным решением уравнения (1). При проведении расчета считаются заданными: механические свойства материала стойки, ее конструкция и геометрические размеры. Положительный (растягивающая) и отрицательный (сжимающая) диапазоны изменения вертикальной нагрузки (осевой силы) при расчете принимаются равными массе испытываемого объекта 1 авиационной техники (например, ГЛА). За начальное значение вертикальной нагрузки при расчете принимается суммарный вес объекта 1 авиационной техники, пилона 5 и динамометрической платформы 2. Для каждой из экспериментально зарегистрированных частот собственных поперечных колебаний гибкой стойки 3 по расчетным зависимостям для конкретной конструкции и материала определяются значения величин вертикальных нагрузок, действующих на гибкую стойку 3. Вычисляется среднеарифметическое значение этих величин, которое принимается за величину вертикальной нагрузки, действующую на гибкую стойку в вертикальном направлении (вдоль ее оси). Выполняется аналогичный алгоритм для всех других гибких стоек опоры динамометрической платформы силоизмерительной системы стенда. Проводится алгебраическое суммирование вертикальных нагрузок, действующих на каждую гибкую стойку. По алгебраической сумме определяется равнодействующая вертикальная нагрузка, действующая на объект авиационной техники.