阅读说明：本技术 火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法 (Lateral force calibration tool and calibration method for rocket engine three-dimensional force measurement device ) 是由 唐斌运 陈雨 刘洋 郭玉凤 史雪梅 杨战伟 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法。该标定工装包括左框架、右框架、动架模拟梁、固定梁、力加载油缸、加载力传感器以及8个标定传感器；将4个待标定柔性联接件安装在左框架和动架模拟梁左端之间,将4个待标定柔性联接件安装在右框架和动架模拟梁右端之间,通过力加载油缸向动架模拟梁施加推力,从而标定出8个待标定柔性联接件的刚性比,并对8个待标定柔性联接件同一刚性比相差最小的原则进行搭配并重新装于标定工装内,按照三遍六档加载原则获取左框架以及右框架处的刚性比。通过本发明避免了在三向力测量装置上直接进行标定所带来的标定周期长,能耗大,成本高的问题。(The invention discloses a lateral force calibration tool and a calibration method for a rocket engine three-directional force measurement device. The calibration tool comprises a left frame, a right frame, a movable frame simulation beam, a fixed beam, a force loading oil cylinder, a loading force sensor and 8 calibration sensors; the method comprises the steps of installing 4 flexible connecting parts to be calibrated between a left frame and the left end of a movable frame simulation beam, installing 4 flexible connecting parts to be calibrated between a right frame and the right end of the movable frame simulation beam, applying thrust to the movable frame simulation beam through a force loading oil cylinder, calibrating rigidity ratios of 8 flexible connecting parts to be calibrated, matching the 8 flexible connecting parts to be calibrated according to the principle that the same rigidity ratio is the smallest in difference, reinstalling the matched flexible connecting parts into a calibration tool, and obtaining rigidity ratios of the left frame and the right frame according to the three-time six-gear loading principle. The invention avoids the problems of long calibration period, high energy consumption and high cost caused by directly calibrating on the three-way force measuring device.)

火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法

技术领域

本发明涉及大推力火箭发动机试验领域，涉及一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法。

背景技术

中国专利，申请号为：2018109953203，公开了一种大推力火箭发动机三向力测量装置及测量方法，该发明的主要目标是在发动机试验过程中完成轴向、切向、径向三个方向的推力测量，由于该项推力测量研究主要针对推力新一代液氧煤油发动机试验，该试验系统采用动、定架结构，在动、定架之间直接采用多个柔性联接件进行联接。其测量模型如下图1和2所示，三向力测量装置包括轴向力测量单元01、下层侧向推力测量单元02以及上层侧向推力测量单元03。

三向力测量装置中需要重点解决的一个问题是各方向的互扰问题，理想的弹性约束原件在自身承力方向表现为刚体，非承力方向表现为柔性联接件。柔性联接件如图3所示，柔性联接件为圆柱状，定义其轴线方向为Z轴，其上设有凹口组Ⅰ和凹口组Ⅱ，且凹口组Ⅰ和凹口组Ⅱ沿Z轴依次设置；其中，凹口组Ⅰ包括两个第一凹口，两个第一凹口分别朝向X轴的正向和负向，且两个第一凹口关于Z轴对称设置；凹口组Ⅱ包括两个第二凹口，两个第二凹口分别朝向Y轴的正向和负向，且两个第二凹口关于Z轴对称设置，其实际的柔性联接件虽然具有极高的各项刚性比，但无法具有理想的特性，因此如何将其核心的柔性联接件的各方向刚性标定出来，同时将多个柔性联接件已最优的方式组合使用，并且在使用前搞清此种组合下的系统组合刚性比及低频动态下的特性，以便为后期数据分析提供有效的修正数据变得非常重要。

试验针对的系统庞大，如果在线对三向力测量装置进行标定，则需在发动机点火产生推力的情况下进行，但是由于测量动架质量大、结构复杂，因此如果在发动机试验过程中进行三向力测量装置侧向力(即图2中所示的X、Y向)标定，则会导致标定周期长，能耗大，成本高。因此急需提供一种简单且标定精准的方式对三向力测量装置侧向力进行标定。

发明内容

为了解决现有三向力测量装置在线进行侧向力标定时，标定周期长，能耗大，成本高的问题，本发明提供了一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装，包括左框架、右框架、动架模拟梁、固定梁、力加载油缸、加载力传感器以及8个标定传感器7；

左框架包括两个平行设置的支腿、固定连接于支腿之间，且位于顶部的顶梁以及固定连接于支腿之间，且位于中部的中间梁；两个支腿、顶梁以及中间梁围成一个待标定柔性联接件安装区域；

右框架结构与左框架完全相同，且左框架、右框架平行设置；

左框架的顶梁与右框架顶梁之间固定连接有固定梁；

力加载油缸固定连接于固定梁中部，力加载油缸的活动端与所述动架模拟梁的中部连接；

待标定柔性联接件为8个，其中4个待标定柔性联接件位于左框架的待标定柔性联接件安装区域，并且4个待标定柔性联接件呈十字形排布，每个待标定柔性联接件的一端与动架模拟梁左端连接，另一端与左框架连接；

另外4个待标定柔性联接件位于左框架的待标定柔性联接件安装区域，并且4个待标定柔性联接件呈十字形排布，每个待标定柔性联接件的一端与动架模拟梁右端连接，另一端与右框架连接；

力加载油缸处安装加载力传感器，每个待标定柔性联接件上均安装标定传感器。

进一步地，上述工装还包括设置在每个待标定柔性联接件与动架模拟梁之间的细螺杆；细螺杆一端与待标定柔性联接件螺纹连接，另一端与动架模拟梁螺纹连接。

基于上述标定工装的结构描述，现对采用该工装进行三向力测量装置侧向力标定的方法进行介绍：

步骤1：建立工装坐标系XYZ和柔性联接件坐标系xyz；

工装坐标系XYZ中X向为力加载油缸加载推力的方向；Z向为动架模拟梁的轴向方向，Y向为同时垂直于X向和Y向的方向；

柔性联接件坐标系xyz的中z向为其自身中轴线方向，x向为凹口组Ⅰ中凹口的开口方向，y向为凹口组Ⅱ中凹口的开口方向；

步骤2：对待标定柔性联接件的进行编号；

将8个待标定柔性联接件分别标记为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号；

步骤3：第一次标定；

步骤3.1：将1号-4号待标定柔性联接件按照十字分布的形式安装于左框架的待标定柔性联接件安装区域内，其中，1号和2号待标定柔性联接件沿着工装坐标系的X向布置，3号和4号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的Y向安装；

将5号-8号待标定柔性联接件按照十字分布的形式安装于右框架的待标定柔性联接件安装区域内；其中，5号和6号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的X向安装，7号和8号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的Y向安装；

步骤3.2：使用力加载油缸开始向动架模拟梁加载推力，力加载传感器直接获得实际的加载力；

此时，通过1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件处的标定传感器可获取1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的受力大小，分别记为F_1-1z、F_2-1z、F_5-1z、F_6-1z；

步骤3.3：将1号、2号待标定柔性联接件调换安装位置，5号、6号待标定柔性联接件调换安装位置，再次使力加载油缸开始向动架模拟梁加载相同的推力，获得1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的受力大小，分别记为F_1-2z、F_2-2z、F_5-2z、F_6-2z；

步骤3.4：求解1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件在消除重力影响后沿坐标系z方向的实际受力，具体计算公式为：

步骤3.5：通过3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件处的标定传感器可获取3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系y方向的受力，分别记为F_3-y、F_4-y、F_7-y、F_8-y；

将F_3-y、F_4-y进行比对校验，若F_3-y、F_4-y大小相同或相似则记录，否则检查3号、4号待标定柔性联接件装配情况；

将F_7-y、F_8-y进行比对校验，若F_7-y、F_8-y大小相同或相似则记录，否则检查7号、8号待标定柔性联接件装配情况；

步骤3.6：在加载力大小不变的情况，将3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿自身轴向为中心旋转90°，再次获取3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系x方向的受力，分别记为F_3-x、F_4-x、F_7-x、F_8-x；

将F_3-x、F_4-x进行比对校验，若F_3-x、F_4-x大小相同或相似则记录，否则检查3号、4号待标定柔性联接件装配情况；

将F_7-x、F_8-x进行比对校验，若F_7-x、F_8-x大小相同或相似则记录，否则检查7号、8号待标定柔性联接件装配情况，并调整两个待标定柔性联接件的安装姿态，使得F_7-x、F_8-x大小相同或相似；

步骤4：第二次标定；

步骤4.1；将1号、2号待标定柔性联接件与3号、4号待标定柔性联接件调换安装位置；将5号、6号待标定柔性联接件与7号、8号待标定柔性联接件调换安装位置；

步骤4.2：按照步骤3.2至3.6相同方式，获得3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的实际受力，记为F_3-z、F_4-z、F_7-z、F_8-z以及1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系y方向和x方向的实际受力，记为F_1-y、F_2-y、F_5-y、F_6-y、F_1-x、F_2-x、F_5-x、F_6-x；

步骤5：根据步骤3和步骤4的标定结果，获得8个待标定柔性联接件的刚性比，记为W_i(x/y)，W_i(x/z)以及W_i(y/z)，其中i为待标定柔性联接件的标记；

步骤6：将8个待标定柔性联接件的刚性比进行对比，按照每两个待标定柔性联接件同一刚性比相差最小的原则进行搭配，从而将8个柔性联接件重新安装于标定工装内；

步骤7：通过力加载油缸进行静态力的分档加载，根据额定加载力，再依据三遍六档加载原则进行，通过读取每个柔性联接件处标定传感器数值，分别计算该标定工装中左框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比，以及右框架安装四个待标定柔性联接件后在不同加载力情况下的刚性比。

进一步地，上述左框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比以及右框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比计算公式为：

W_左＝＝(F₁+F₂)/(F₃+F₄)

W_右＝＝(F₅+F₆)/(F₇+F₈)

其中，W_左为左框架处的刚性比；W_右为右框架处的刚性比；

F₁至F₈为标定后每个待标定柔性联接对应的标定传感器的读数。

进一步地，上述三遍六档加载原则中：三遍表示每个实际输出的加载力进行加载的次数；六档表示以额定加载力为基础按照不同比例实际输出的加载力。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用了左框架、右框架、动架模拟梁、固定梁、力加载油缸、加载力传感器以及8个标定传感器构建了一个用于对火箭发动机三向力测量装置侧向力进行标定的工装，避免了在三向力测量装置上直接进行标定所带来的标定周期长，能耗大，成本高的问题。

2、本发明基于工装与实际使用力传递一致性的原则，对8个柔性联接件分别进行各个方向上的刚性比计算，通过优化柔性联接件的搭配组合方式，降低各向一致的偏差，为提高三分力测量的精度提供了有力的支撑。

附图说明

图1为现有火箭发动机三向力测量装置的结构模型图；

图2为图1的俯视图；

图3为柔性联接件的结构图；

图4为标定工装的结构图。

附图标记如下：

1-左框架、11-支腿、12-顶梁、13-中间梁、2-右框架、3-动架模拟梁、4-固定梁、5-力加载油缸、6-加载力传感器、7-标定传感器、8-待标定柔性联接件。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装及标定方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

如图4所示，本实施例提供了一种火箭发动机三向力测量装置侧向力标定工装的具体结构：包括左框架1、右框架2、动架模拟梁3、固定梁4、力加载油缸5、加载力传感器6以及8个标定传感器7；

左框架1包括两个平行设置的支腿11、固定连接于支腿11之间，且位于顶部的顶梁12以及固定连接于支腿11之间，且位于中部的中间梁13；两个支腿11、顶梁12以及中间梁13围成一个待标定柔性联接件安装区域；

右框架2结构与左框架完全相同，且左框架1、右框架2平行设置；

左框架1的顶梁与右框架2顶梁之间固定连接有固定梁4；

力加载油缸5固定连接于固定梁4中部，力加载油缸5的活动端与所述动架模拟梁3的中部连接；

待标定柔性联接件8为8个，其中4个待标定柔性联接件8(即图中1号-4号待标定柔性联接件)位于左框架1的待标定柔性联接件安装区域，并且4个待标定柔性联接件8呈十字形排布，每个待标定柔性联接件8的一端与动架模拟梁3左端连接，另一端与左框架1连接；

另外4个待标定柔性联接件8(即图中5号-8号待标定柔性联接件)位于右框架2的待标定柔性联接件安装区域，并且4个待标定柔性联接件呈十字形排布，每个待标定柔性联接件8的一端与动架模拟梁3右端连接，另一端与右框架2连接；

需要说明的是：力加载油缸5施加的加载力等效于三向力测量装置所受到的发动机所带来的侧向力；

本实施例中左框架、4个待标定柔性联接件(即图中1号-4号待标定柔性联接件)以及动架模拟梁左侧构成的结构可等效模拟实际三向力测量装置的上层侧向推力测量单元；右框架、4个待标定柔性联接件(即图中5号-8号待标定柔性联接件)以及动架模拟梁右侧构成的结构可等效模拟实际三向力测量装置的下层侧向推力测量单元，反之亦可；

本实施例中每个待标定柔性联接件8与动架模拟梁3、左框架1或右框架2的连接是通过一个细螺杆。

力加载油缸5处安装加载力传感器6，每个待标定柔性联接件8上均安装标定传感器7。

以上是对与标定工装结构的描述，根据以上所述的力加载油缸输出推力等效于实际过程三向力测量装置受到的发动机所提供的侧向力、左框架、4个待标定柔性联接件(即图中1号-4号待标定柔性联接件)以及动架模拟梁左侧构成的结构可等效模拟实际三向力测量装置的上层侧向推力测量单元以及右框架、4个待标定柔性联接件(即图中5号-8号待标定柔性联接件)以及动架模拟梁右侧构成的结构可等效模拟实际三向力测量装置的下层侧向推力测量单元的原理，现对采用该标定工装进行具体标定方法进行以下详述：

步骤1：建立工装坐标系XYZ和柔性联接件坐标系xyz；

工装坐标系XYZ中X向为力加载油缸加载推力的方向(即需要模拟的侧向力方向)；Z向为动架模拟梁的轴向方向(图1中左框架至右框架的方向)，Y向为同时垂直于X向和Y向的方向；

如图3所示，柔性联接件坐标系xyz的中z向为其自身中轴线方向，x向为凹口组Ⅰ中凹口的开口方向，y向为凹口组Ⅱ中凹口的开口方向；

步骤2：对待标定柔性联接件的进行编号；

将8个待标定柔性联接件分别标记为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号；

步骤3：第一次标定；

步骤3.1：将1号-4号待标定柔性联接件按照十字分布的形式安装于左框架的待标定柔性联接件安装区域内，其中，1号和2号待标定柔性联接件沿着工装坐标系的X向布置，3号和4号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的Y向安装；

将5号-8号待标定柔性联接件按照十字分布的形式安装于右框架的待标定柔性联接件安装区域内；其中，5号和6号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的X向安装，7号和8号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的Y向安装；

步骤3.2：使用力加载油缸开始向动架模拟梁加载推力，力加载传感器直接获得实际的加载力；

此时，通过1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件处的标定传感器可获取1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的受力大小，分别记为F_1-1z、F_2-1z、F_5-1z、F_6-1z；

步骤3.3：将1号、2号待标定柔性联接件调换安装位置，5号、6号待标定柔性联接件调换安装位置，再次使力加载油缸开始向动架模拟梁加载相同的推力，获得1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的受力大小，分别记为F_1-2z、F_2-2z、F_5-2z、F_6-2z；

步骤3.4：求解1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件在消除重力影响后沿坐标系z方向的实际受力，具体计算公式为：

步骤3.5：通过3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件处的标定传感器可获取3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系y方向的受力，分别记为F_3-y、F_4-y、F_7-y、F_8-y；

将F_3-y、F_4-y进行比对校验，若F_3-y、F_4-y大小相同或相似则记录，否则检查3号、4号待标定柔性联接件装配情况，并调整两个待标定柔性联接件的安装姿态，使得F_3-y、F_4-y大小相同或相似；

将F_7-y、F_8-y进行比对校验，若F_7-y、F_8-y大小相同或相似则记录，否则检查7号、8号待标定柔性联接件装配情况，并调整两个待标定柔性联接件的安装姿态，使得F_7-y、F_8-y大小相同或相似；

步骤3.6：在加载力大小不变的情况，将3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿自身轴向为中心旋转90°，再次获取3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系x方向的受力，分别记为F_3-x、F_4-x、F_7-x、F_8-x；

将F_3-x、F_4-x进行比对校验，若F_3-x、F_4-x大小相同或相似则记录，否则检查3号、4号待标定柔性联接件装配情况，并调整两个待标定柔性联接件的安装姿态，使得F_3-x、F_4-x大小相同或相似；

将F_7-x、F_8-x进行比对校验，若F_7-x、F_8-x大小相同或相似则记录，否则检查7号、8号待标定柔性联接件装配情况，并调整两个待标定柔性联接件的安装姿态，使得F_7-x、F_8-x大小相同或相似；

步骤4：第二次标定；

步骤4.1；将1号、2号待标定柔性联接件与3号、4号待标定柔性联接件调换安装位置；将5号、6号待标定柔性联接件与7号、8号待标定柔性联接件调换安装位置；

步骤4.2：按照步骤3.2至3.6相同方式，获得3号、4号、7号、8号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系z方向的实际受力，记为F_3-z、F_4-z、F_7-z、F_8-z以及1号、2号、5号、6号待标定柔性联接件沿柔性联接件坐标系y方向和x方向的实际受力，记为F_1-y、F_2-y、F_5-y、F_6-y、F_1-x、F_2-x、F_5-x、F_6-x；

步骤5：根据步骤3和步骤4的标定结果，获得8个待标定柔性联接件的刚性比，记为W_i(x/y)，W_i(x/z)以及W_i(y/z)，其中i为待标定柔性联接件的标记；

步骤6：将8个待标定柔性联接件的刚性比进行对比，按照每两个待标定柔性联接件同一刚性比相差最小的原则进行搭配，从而将8个柔性联接件重新安装于标定工装内；

例如：1号和8号待标定柔性联接件刚性比相差最小，2号和6号刚性比相差最小，3号和5号刚性比相差最小，4号和7号刚性比相差最小，则将1号、8号、2号和6号安装在左框架上，1号和8号沿着工装坐标系的X向布置，2号和6号待标定柔性联接件沿着沿着工装坐标系的Y向安装；将3号、5号、4号和7号安装在右框架上，3号和5号沿着工装坐标系的X向布置，4号和7号待标定柔性联接件沿着工装坐标系的Y向安装；

步骤7：通过力加载油缸进行静态力的分档加载，根据额定加载力，再依据三遍六档加载原则进行(所谓三遍六档加载原则中的三遍表示每个实际输出的加载力进行加载的次数；六档表示以额定加载力为基础按照不同比例实际输出的加载力，本实施例中六个不同比例分别为10％，20％，40％，60％，80％，100％)，通过读取每个柔性联接件处标定传感器数值，分别计算该标定工装中左框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比，以及右框架安装四个待标定柔性联接件后在不同加载力情况下的刚性比，从而等效得到上层侧向推力测量单元的标定结果以及下层侧向推力测量单元的标定结果。

具体地，左框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比(上层侧向推力测量单元的标定结果)以及右框架安装四个待标定柔性联接件后的刚性比(下层侧向推力测量单元)计算公式为：

W_左＝＝(F₁+F₂)/(F₃+F₄)

W_右＝＝(F₅+F₆)/(F₇+F₈)。

其中，W_左为左框架处的刚性比；W_右为右框架处的刚性比；

F₁至F₈为标定后每个待标定柔性联接对应的标定传感器的读数。