一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统及方法

本发明涉及飞行器器件试验设备，具体为一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统及方法。

背景技术：

1、高速飞行器结构服役时面临严酷的气动热载荷，为准确掌握结构在高温环境下的使役性能，工程实际中需要在设计阶段开展相应的地面试验，其中地面加热系统用于模拟结构所承受的高温载荷。常见的加热系统有石英灯加热系统、石墨加热系统、电子束加热系统等，其中石英灯加热系统具有加热速率快、热惯性小、易于控制和组装成适应试件外形的各种形状的便利性等优点，在工程中得到了广泛应用。

2、航空航天结构试验件大多为复杂曲面形状，不同试验件曲面曲率不同，对于这些复杂构型的曲面结构，现有石英灯加热系统大多为固定构型，这种石英灯加热系统的适用对象有限，对于不同的试验件需要将石英灯管和灯架按照试验件的外形进行重新排布，针对不同的加热对象需要进行改造，消耗大量的人力物力，为此，我们提出一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统及方法，能够实现对结构的精准仿形加热，拓展对不同曲面试验件的适用性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统，包括支架，所述支架上安装有多个电动缸，所述电动缸的输出端安装有姿态调整推杆，所述姿态调整推杆的底端通过固连推杆铰链与加热单元的炉腔相连，所述固连推杆铰链安装在加热单元的炉腔的端面上，所述加热单元上连接有冷却单元；

3、所述支架的下方安装有升降平台，所述升降平台位于加热单元的正下方；

4、所述升降平台上安装有驱动模块，驱动模块作用于升降平台带动其实现升降移动。

5、进一步地，还包括控制单元，所述控制单元通过数据线与加热单元、冷却单元、驱动模块、电动缸和红外测距仪之间均电性连接；

6、所述控制单元包括控制柜，所述控制柜上设置有多个独立控制开关与总开关，且控制柜背面连接有多个控温热电偶，控温热电偶与加热单元数量相同，并通过排插安装在对应加热单元的正下方；

7、所述控制柜上还安装有显示屏。

8、进一步地，所述姿态调整推杆的数量为多个，且每个姿态调整推杆上均安装有红外测距仪。

9、进一步地，所述加热单元炉腔和安装在炉腔内部的石英灯管，且石英灯管的竖直高度与红外测距仪齐平。

10、进一步地，所述姿态调整推杆上连接有微调控制器，所述微调控制器作用于电动缸。

11、进一步地，所述冷却单元包括冷却水箱，所述冷却水箱的内部安装有流量泵，所述流量泵的输出端安装有冷却管道，所述冷却管道贯穿炉腔内部开设的与冷却管道相适配的通孔，且冷却管道的尾端设置有排水池；

12、所述冷却管道靠近冷却水箱的一端设置有温度传感器；

13、所述冷却水箱的侧壁上方安装有进水管。

14、进一步地，所述冷却单元工作状态分为三种，具体如下：

15、(1)当温度传感器监测到冷却水箱输出冷却剂温度高于设定范围时，此时冷却性能不足，通过控制单元启动流量泵提高供给压力，增大冷却剂流量，进而提高对石英灯管的冷却效果；

16、(2)当温度传感器监测到冷却水箱输出冷却剂温度低于设定范围时，冷却性能过剩，通过控制单元启动流量泵降低供给压力，减小冷却剂流量，进而降低对石英灯管的冷却效果；

17、(3)当温度传感器监测到冷却剂温度在设定范围之内时，冷却性能良好，流量泵保持当前流量运行。

18、进一步地，所述驱动模块包括伺服电机，所述伺服电机的输出端固定连接有蜗杆，所述蜗杆的外表面啮合连接有蜗轮，所述蜗轮的中部螺纹连接有升降丝杆，且蜗轮的中心位置开设有与升降丝杆相适配的螺纹孔，所述升降丝杆的顶端固定连接有法兰连接盘；

19、所述蜗杆的数量为四个，与蜗轮之间一一对应，且每两个蜗杆为一组配合使用，同一组的两个蜗杆之间通过同步传动杆传动连接；

20、所述蜗轮的外表面设置有壳体，壳体安装在支架上，蜗杆与壳体之间转动连接，伺服电机固定在壳体外表面。

21、根据本发明的一个方面，本发明提供一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热方法，使用所述的一种曲面异形结构自适应仿形石英灯加热系统，具体步骤如下：

22、(1)初始状态中，将升降平台设置在固定高度位置，然后将曲面试验件放置在升降平台上，此时姿态调整推杆水平整齐排列，石英灯管也在姿态调整推杆作用下处于初始位置水平整齐排列；

23、(2)通过控制单元设置姿态调整推杆的最终位置参数，从而控制石英灯管与试验件的距离；

24、(3)通过控制单元启动伺服电机，伺服电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，由于蜗轮上开设的螺纹孔与升降丝杆之间相互适配，因此升降丝杆转动时会带动升降丝杆向上移动，由于法兰连接盘与升降平台连接在一起，升降丝杆和法兰连接盘随着蜗轮的旋转而上升，从而实现升降平台向上移动，同步传动杆作用于两个蜗杆之间保证二者同步转动，一个伺服电机带动两个蜗轮与蜗杆转动，两个伺服电机具有相同转速保证升降平台四个角同步上升，当某个姿态调整推杆达到设定的距离时，关闭伺服电机，升降平台停止上升；

25、(4)此时曲面试验件最高点与某个姿态调整推杆的距离达到设定距离，该姿态调整推杆不动，剩余姿态调整推杆上的红外测距仪继续测量姿态调整推杆与曲面试验件之间的距离，并通过数据线将距离数据传输至控制单元进行记录；

26、(5)通过控制单元启动剩余姿态调整推杆对应的电动缸，使其伸长带动对应的姿态调整推杆向下移动，直至所有姿态调整推杆都到达设定值，此时所有石英灯管在姿态调整推杆作用下也到达期望位置；

27、(6)微调控制器能够通过控制电动缸实现带动姿态调整推杆的上下移动，从而对石英灯管进行微调，使其更贴合与曲面试验件表面。

28、进一步地，还包括非均匀温度场加载方式，具体操作步骤如下：

29、(1)通过控制单元中的显示屏选择功率或温度加载方式；

30、(2)对各个加热模块独立输入加载曲线；

31、(3)通过控温热电偶检测对应石英灯管正下方各测点处的电势，并传输至控制单元，控制单元将电势值转换成温度或热流值；

32、(4)将上述温度值或热流值与曲线上设定值进行比较，当数值高于设定值时减小石英灯管工作功率，当数值低于设定值时增加石英灯管工作功率，当数值等于设定值时维持石英灯管工作功率不变。

33、本发明至少具备以下有益效果：

34、1、本发明采用石英灯管作为加热源，系统具备整体调节及单独调节石英灯管的加热位置的功能，能够自动捕捉不同曲面异形结构的几何外形，实现对结构的精准仿形加热，拓展了对加热系统的适用性。

35、2、本发明通过设置的炉腔、石英灯管和固连推杆铰链的设计，减小了加热模块之间的缝隙区域的面积，增强了加热模块之间的缝隙区域的辐射强度，降低了“冷区”效应的影响，提升了温度的加载精度。

36、3、本发明能够单独设置各个石英灯管的加热功率或温度加载曲线，通过分区域控制实现对试验件的非均匀温度场加载，并通过控温热电偶实现闭环控制，满足了工程实际中对非均匀加热的需求。

37、4、本发明通过设置的流量泵、温度控制器、冷却管道及控制单元之间的相互配合，能够实现对冷却剂流量的闭环控制，提升了对加热单元的冷却效果。

38、5.本发明通过模块化设计使得系统整体更具有灵活性和普适性，能够对各单元实现独立或综合控制。

39、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。