一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统
阅读说明：本技术 一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统 (Simulated weightlessness system based on air cylinder and air cushion ) 是由 谢毅 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统,包括底板、铰链安装机构、激振机构和气浮机构,铰链安装机构、气浮机构和激振机构沿一条直线依次安装在底板上；所述铰链安装机构用于固定被测铰链,所述铰链安装机构包括被测铰链、驱动转接板、铰链安装座、铰链安装座支撑块、轻质刚性杆和配重块,所述激振机构包括力传感器法兰、力传感器、激振杆、激振器、激振器安装座和激振器安装座支撑块,所述气浮机构包括气浮垫、气浮平台、活塞杆、活塞、气缸上端盖、气缸下端盖、气缸壁、限位杆和气浮机构底座,本发明使用气浮装置来模拟失重环境,减少了摩擦力的影响,使得测试结果更加准确。(The invention discloses a simulated weightlessness system based on an air cylinder and an air floating cushion, which comprises a bottom plate, a hinge mounting mechanism, an excitation mechanism and an air floating mechanism, wherein the hinge mounting mechanism, the air floating mechanism and the excitation mechanism are sequentially mounted on the bottom plate along a straight line; the hinge mounting mechanism is used for fixing a tested hinge, and comprises the tested hinge, a driving adapter plate, a hinge mounting seat supporting block, a light rigid rod and a balancing weight, the vibration excitation mechanism comprises a force sensor flange, a force sensor, a vibration excitation rod, a vibration exciter mounting seat and a vibration exciter mounting seat supporting block, and the air floatation mechanism comprises an air floatation cushion, an air floatation platform, a piston rod, a piston, an upper air cylinder end cover, a lower air cylinder end cover, an air cylinder wall, a limiting rod and an air floatation mechanism base.)
技术领域
本发明涉及一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统领域，更具体的说，尤其涉及一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统。
背景技术
太阳电池阵是绝大多数航天器在轨运行时唯一的能量来源，原理是通过光生伏特效应将太阳光的辐射能量转换成电能，以此保障航天器在轨运行时的用电需求。太阳电池阵主要由多块贴有太阳能电池的基板组成，各基板之间通过铰链进行连接，为获得太阳电池阵的工作时的参数和性能，需要在地面上进行模拟失重环境。在太阳电池阵的结构中，铰链是连接件，事实证明铰链的刚度会对太阳电池阵的建模和仿真产生影响，因此需要在地面上模拟失重环境下测试太空铰链的动刚度。测试动刚度的主要方法为使用激振器提供一定频率的激振力，该激振力作用在配重块上，配重块由于与铰链刚性连接因此具有相同的刚度，在配重块两侧放置位移传感器测量配重块的位移，不断改变激振力的频率，当激振力频率与配重块固有频率相近时会发生共振现象，此时配重块的位移突然增大，通过激振力等数据可以确定铰链的动刚度。当前模拟失重环境的方法主要有悬挂法和气浮法。悬挂法的原理是使用橡皮绳悬挂物体以达到补偿重力的目的，但在测试动刚度时，由于引进了橡皮绳的扰动，会使测试结果不准确；气浮法由于其精密性和稳定性，逐渐成为模拟失重环境的主要方法，但当前的气浮法无法提供一个恒力，该力可以确保铰链间的相互作用力为零，使得测试铰链动刚度的结果更加准确，此外由于需要给气浮垫单独供气，会存在气管扰动的情况，更不利于测试结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述当前气浮机构无法提供恒力及存在气管扰动的问题，提出了一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统，有效避免了由于无法提供确定值的恒力而造成铰链间相互作用力对测试结果造成影响，以及气管扰动对于测试的影响。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统，包括底板、铰链安装机构、激振机构和气浮机构，铰链安装机构、气浮机构和激振机构沿一条直线依次安装在底板上；
所述铰链安装机构用于固定被测铰链，所述铰链安装机构包括被测铰链、驱动转接板、铰链安装座、铰链安装座支撑块、轻质刚性杆和配重块，所述铰链安装座固定安装在铰链安装座支撑块上，铰链安装座支撑块固定在底板上；所述驱动转接板通过螺纹螺栓竖直安装在铰链安装座的一个侧面上，所述驱动转接板右侧安装有两个被测铰链，所述铰链右侧连接轻质刚性杆的一端，所述轻质刚性杆的另一端与配重块的一端进行刚性连接；
所述激振机构包括力传感器法兰、力传感器、激振杆、激振器、激振器安装座和激振器安装座支撑块，所述力传感器法兰安装在配重块的另一端，力传感器的一端连接力传感器安装法兰，力传感器的另一端连接激振杆的一端，所述激振杆的另一端连接激振器连接座，激振器连接座固定在激振器连接座支撑块，激振器连接座支撑块的底部固定在底板上；配重块安装时，铰链安装座、配重块和激振器安装座的中心在同一水平面上；
所述气浮机构包括气浮垫、气浮平台、活塞杆、活塞、气缸上端盖、气缸下端盖、气缸壁、限位杆和气浮机构底座，所述气浮机构底座安装在底板上，所述气浮机构底座安装有所述限位杆，限位杆设置有多根且的上部环绕配重块的边缘均匀设置；所述活塞杆、活塞、气缸上端盖、气缸下端盖和气缸壁组个一个提供恒力的恒力气缸，气缸上端盖和气缸下端盖分别固定在气缸壁的上端和下端，活塞设置在气缸壁内部，活塞杆的下端穿过气缸上端盖后连接活塞，活塞杆的上端连接气浮平台，气浮垫设置有至少三个且气浮垫均匀布置在气浮平台上；所述气缸壁内部的活塞下端为第一进气腔，气缸壁内部的活塞上端为泄气腔，气缸壁上设置有第一进气孔和第一泄压孔，第一进气孔与气缸壁内部的第一进气腔相连通，第一泄压孔与气缸壁内部的泄气腔相连通，所述第一进气孔通过进气管道连接大型储气罐，且进气管道上设置有气压传感器和调压阀，大型储气罐的气体从进气管道经过第一进气孔进入气缸壁内部的第一进气腔内；所述活塞杆中空设置且活塞杆上设置有第二进气孔和第二泄气孔，活塞内部设置有第二进气腔，第二进气腔通过节流孔与第一进气腔连通，第二进气孔和第二泄气孔、活塞杆上的中空腔连接，第二进气孔将中空腔和第二进气腔连通，所述第二泄气孔设置在活塞杆伸出气缸壁的部分，第二泄气孔将中空腔与外界大气连通；所述气浮平台底部设置有气浮进气腔，气浮进气腔与活塞杆的中空腔连通，同时气浮进气腔通过设置在气浮平台内部的管道连接气浮垫并为气浮平台上的气浮垫进行供气。
进一步的，所述铰链安装座、配重块和激振器安装座的中心在同一水平面上。
进一步的，所述驱动转接板右侧安装有两个被测铰链，安装时应保证被测铰链左右不受所述驱动转接板的支撑力，之后通过气缸提供的恒力使被测铰链不受所述驱动转接板上下面提供的支撑力，达到模拟失重环境的目的。
进一步的，所述被测铰链、轻质刚性杆与配重块的刚度相同。以此来保证被测铰链、轻质刚性杆与配重块的安装要求。
进一步的，所述激振机构提供不同频率的激振力，对配重块进行激振。所述力传感器可以测量所述激振器提供的激振力；所述力传感器右侧安装所述激振杆，激振杆起到连接激振器的作用。
所述气浮机构的作用是提供一个恒力，该力可以使铰链与轻质刚性杆之间的相互作用力为零，使铰链处于模拟失重环境的情况，其次该气浮机构会使配重块底面有一层微小的气膜，该气膜使配重块处于模拟失重环境下，由于不存在摩擦力的影响，利于动刚度的测试。
所述恒力气缸还为气浮垫供气，达到消除气管扰动的目的，所述气缸壁上有第一进气孔和第一泄压孔，泄压孔与外界相连，因此泄压腔内的气压为大气压，第一进气孔外与气压传感器、调压阀和一个大型储气罐连接，气体从第一进气孔进到气缸内，通过气压传感器可测量气压值，由于活塞面积一定，所以只要保证进气的压力保持恒定，即可通过计算公式保持输出的力恒定，调压阀可以调整进气的压力。但是活塞的移动可能导致容积变化从而导致气压瞬变，因此第一进气孔通过气管与大型储气罐连接，相当于增大了第一进气腔的容积，活塞运动造成的容积变化的影响可忽略不计。所述活塞底部和周围分布有节流孔，第一进气腔内的气体通过节流孔，在活塞与气缸壁之间形成一层气膜，减小了活塞运动时的摩擦力。所述活塞杆上有第二进气孔和第二泄气孔，第二进气孔通过气管与中空腔和进气腔进行连接，气体从活塞杆中通过，通过中空腔进入到所述气浮平台的气浮进气腔内，最后通过气浮平台的气浮进气腔内的出气孔进入到气浮垫，在所述气浮垫与所述配重块之间形成一层微小的气膜，补偿配重块的重力。
进一步的，所述气浮垫为扁圆柱形，气浮垫的底部设有进气口，所述进气口通过设置有调压阀的气管连接气浮进气腔，
本发明的有益效果在于：
1.传统的悬挂式模拟失重环境的方法，在测量动刚度的试验中会引入橡皮绳的扰动，造成测试结果的不准确，本发明使用气浮机构来模拟失重环境，减少了摩擦力的影响，使得测试结果更加准确。
2.本发明通过活塞杆上的第二进气孔通入气体，通过气浮平台的出气孔给气浮垫供气，减少了气管扰动带来的影响，气浮平台内出气孔路的设计，保证了气膜形成的稳定性。
3.通过加工的严格要求，可以保证气浮平台上表面和气浮垫上表面的水平，从而使配重块底部的气膜保持均匀，提供就均匀地支撑力。
4.气缸的设计与结构，可以提高恒力输出的精度，从而补偿配重块的重力，并且可以确保铰链与轻质刚性杆之间的作用力为零，利于动刚度测试。
附图说明
图1是本发明一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统的整体结构示意图。
图2是本发明气浮机构的主视图。
图3是本发明气浮机构的剖面图。
图中，1-底板、2-铰链安装座支撑块、3-铰链安装座、4-驱动转接板、5-被测铰链、6-轻质刚性杆、7-配重块、8-力传感器法兰、9-力传感器、10-激振杆、11-激振器、12-激振器连接座、13-激振器连接座支撑块、14-气浮机构底座、15-限位杆、16-气缸上端盖、17-活塞杆、18-气浮垫、19-气浮平台、20-气缸壁、21-气缸下端盖、22-活塞、23-第一进气孔、24-节流孔、25-第一泄压孔、26-第二进气孔、27-第二泄压孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～3所示，一种基于气缸和气浮垫的模拟失重系统，包括底板1、铰链安装机构、激振机构和气浮机构，铰链安装机构、气浮机构和激振机构沿一条直线依次安装在底板1上；
所述铰链安装机构用于固定被测铰链5，所述铰链安装机构包括被测铰链5、驱动转接板4、铰链安装座3、铰链安装座支撑块2、轻质刚性杆6和配重块7，所述铰链安装座3固定安装在铰链安装座支撑块2上，铰链安装座支撑块2固定在底板1上；所述驱动转接板4通过螺纹螺栓竖直安装在铰链安装座3的一个侧面上，所述驱动转接板4右侧安装有两个被测铰链5，所述铰链右侧连接轻质刚性杆6的一端，所述轻质刚性杆6的另一端与配重块7的一端进行刚性连接；在安装时应保证被测铰链5左右不受所述驱动转接板4的支撑力，之后通过气缸提供的恒力使铰链不受所述驱动转接板上下面提供的支撑力，达到模拟失重环境的目的；所述铰链5右侧安装轻质刚性杆6，所述轻质刚性杆6右侧与配重块7进行刚性连接。被测铰链5、轻质刚性杆6与配重块7三者由于安装的要求，其刚度应保持一致；
所述激振机构的作用是提供不同频率的激振力，对配重块7进行激振，所述激振机构包括力传感器法兰8、力传感器9、激振杆10、激振器11、激振器11安装座和激振器11安装座支撑块，所述力传感器法兰8安装在配重块7的另一端，力传感器9的一端连接力传感器9安装法兰，力传感器9的另一端连接激振杆10的一端，所述激振杆10的另一端连接激振器连接座12，激振器连接座12固定在激振器连接座支撑块13，激振器连接座支撑块13的底部固定在底板1上；配重块7安装时，铰链安装座3、配重块7和激振器11安装座的中心在同一水平面上；
所述气浮机构包括气浮垫18、气浮平台19、活塞杆17、活塞22、气缸上端盖16、气缸下端盖21、气缸壁20、限位杆15和气浮机构底座14，所述气浮机构底座14安装在底板1上，所述气浮机构底座14安装有所述限位杆15，限位杆15设置有多根且的上部环绕配重块7的边缘均匀设置；所述活塞杆17、活塞22、气缸上端盖16、气缸下端盖21和气缸壁20组个一个提供恒力的恒力气缸，气缸上端盖16和气缸下端盖21分别固定在气缸壁20的上端和下端，活塞22设置在气缸壁20内部，活塞杆17的下端穿过气缸上端盖16后连接活塞22，活塞杆17的上端连接气浮平台19，气浮垫18设置有至少三个且气浮垫18均匀布置在气浮平台19上；所述气缸壁20内部的活塞22下端为第一进气腔，气缸壁20内部的活塞22上端为泄气腔，气缸壁20上设置有第一进气孔23和第一泄压孔25，第一进气孔23与气缸壁20内部的第一进气腔相连通，第一泄压孔25与气缸壁20内部的泄气腔相连通，所述第一进气孔23通过进气管道连接大型储气罐，且进气管道上设置有气压传感器和调压阀，大型储气罐的气体从进气管道经过第一进气孔23进入气缸壁20内部的第一进气腔内；所述活塞杆17中空设置且活塞杆17上设置有第二进气孔26和第二泄压孔27，活塞22内部设置有第二进气腔，第二进气腔通过节流孔24与第一进气腔连通，第二进气孔26和第二泄压孔27、活塞杆17上的中空腔连接，第二进气孔26将中空腔和第二进气腔连通，所述第二泄压孔27设置在活塞杆17伸出气缸壁20的部分，第二泄压孔27将中空腔与外界大气连通；所述气浮平台19底部设置有气浮进气腔，气浮进气腔与活塞杆17的中空腔连通，同时气浮进气腔通过设置在气浮平台19内部的管道连接气浮垫18并为气浮平台19上的气浮垫18进行供气。
所述气浮机构的作用是提供一个恒力，该力可以使铰链与轻质刚性杆之间的相互作用力为零，使铰链处于模拟失重环境的情况，其次该气浮机构会使配重块底面有一层微小的气膜，该气膜使配重块处于模拟失重环境下，由于不存在摩擦力的影响，利于动刚度的测试。所述气浮机构底座安装有所述限位杆15，限位杆的作用是防止在激振过程中，配重块发生较大程度的位移而离开气浮平台；
所述驱动转接板4右侧安装有两个被测铰链5，安装时应保证被测铰链5左右不受所述驱动转接板4的支撑力，之后通过气缸提供的恒力使被测铰链5不受所述驱动转接板4上下面提供的支撑力，达到模拟失重环境的目的。
所述被测铰链5、轻质刚性杆6与配重块7的刚度相同。
所述激振机构提供不同频率的激振力，对配重块7进行激振。
所述活塞杆17、活塞22、气缸上下端盖、气缸壁20安装成一个提供恒力的气缸，同时该气缸还为气浮垫供气，达到消除气管扰动的目的，所述气缸壁上有第一进气孔23和第一泄压孔25，泄压孔与外界相连，因此泄压腔内的气压为大气压，第一进气孔外与气压传感器、调压阀和一个大型储气罐连接，气体从第一进气孔进到气缸内，通过气压传感器可测量气压值，由于活塞面积一定，所以只要保证进气的压力保持恒定，即可通过计算公式保持输出的力恒定，调压阀可以调整进气的压力。但是活塞的移动可能导致容积变化从而导致气压瞬变，因此第一进气孔通过气管与大型储气罐连接，相当于增大了第一进气腔的容积，活塞运动造成的容积变化的影响可忽略不计。所述活塞底部和周围分布有节流孔24，第一进气腔内的气体通过节流孔，在活塞与气缸壁之间形成一层气膜，减小了活塞运动时的摩擦力。所述活塞杆上有第二进气孔26和第二泄气孔27，第二进气孔26和第二泄压孔27、活塞杆17上的中空腔连接，第二进气孔26将中空腔和第二进气腔连通，所述第二泄压孔27设置在活塞杆17伸出气缸壁20的部分，第二泄压孔27将中空腔与外界大气连通，气体从活塞杆中通过，通过第二泄压孔进入到所述气浮平台的气腔内，最后通过气浮平台的气浮进气腔内的出气孔进入到气浮垫，在所述气浮垫与所述配重块之间形成一层微小的气膜，补偿配重块的重力。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
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