CN102183356B - 一种对流体摩擦阻力测试的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种对流体摩擦阻力测试的试验装置。包括电机、第一联轴器、第二联轴器、扭矩信号耦合器、负载。负载包括轴，端盖密封环节部分和试验样件环节部分。端盖密封环节部分包括大端盖、第一密封端盖、密封筒，大端盖为固定件，密封端盖为旋转件。试验样件环节部分包括试验样件支撑架、试验样件、试验样件端盖、轴端端盖，试验样件支撑架与轴一同旋转，轴端处通过轴端端盖对试验样件支撑架进行轴向固定，试验样件安装在试验样件支撑架上。本发明适用于对非光滑表面减阻效果测试，及对射流表面减阻效果测试。结构简单，操作容易，测试准确。

Description

一种对流体摩擦阻力测试的试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置。具体地说是一种能够测试流体对不同表面结构摩擦阻力的试验装置。尤其适用于对非光滑表面减阻效果测试，及对射流表面减阻效果测试。

背景技术

目前可应用于对流体摩擦阻力测试的试验装置主要有水洞(风洞)装置与水池装置。

试验方法作为研究流体减阻的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了非常重要的作用，很多重要的湍流现象都是首先在试验条件下得到的。随着减阻技术的快速发展，如何设计一个能够评估流体对不同表面结构摩擦阻力的试验装置显得尤为重要。在传统的流体动力学研究中主要采用水洞(风洞)和水槽等试验装置，但其造价高、耗资大、体积大、试验条件控制困难和试验模型复杂。现有的小型流体力学试验设备，如小型自循环实验装置，可以完成对管路局部损失试验、沿程损失试验、雷诺试验、伯努利方程试验、以及文丘里流量计标定等，但因其结构多采用封闭式圆管结构，大大限制了试验装置的测试应用领域，同时也不适合在管路中安放不同试验模型，及无法进行射流表面减阻试验。我国现有水池数量有限，建设设备齐全的水池费用昂贵，日常维护难度大，试验成本高。现有拖曳试验装置试验速度范围小，只局限于水池试验，受水池长度限制，试验费用昂贵。因此，如何用简单、可靠的试验装置，评估不同表面的减阻效果，为实际应用提供可靠的依据，仍然存在诸多问题。以上介绍试验装置对于实用教学或研究非光滑表面减阻结构较为适用，但由于成本高，限制因素多，无法广泛应用，且无法对射流表面减阻进行试验研究。因此，研究、制造一种先进的能够对流体摩擦阻力测试的试验装置是一项十分重要的任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，操作容易，测试准确的对流体摩擦阻力测试的试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括电机1、第一联轴器2、第二联轴器4、扭矩信号耦合器3、负载5，电机1通过第一联轴器2连接扭矩信号耦合器3，扭矩信号耦合器3通过第二联轴器4连接负载5；所述负载5主要包括与第二联轴器4连接的轴12，安装在轴12上的端盖密封环节部分II和试验样件环节部分III；所述端盖密封环节部分II主要由大端盖23、密封端盖24、密封筒28组成，大端盖23为固定件、安装在密封筒28上，密封端盖24为旋转件，与大端盖23端面相互接触；所述试验样件环节部分III主要由试验样件支撑架15、试验样件16、试验样件端盖18、轴端端盖21组成，试验样件支撑架15安装在轴12相应轴颈处与轴一同旋转，轴12端处通过轴端端盖21对试验样件支撑架15进行轴向固定，试验样件16安装在试验样件支撑架15上，试验样件端盖18安装在试验样件支撑架15的一侧。

本发明还可以包括：

1、还包括配水环节部分I，所述配水环节部分I由主要由连接筒7、密封端盖9、进水管连接架11、进水管路14组成，进水管连接架11安装在连接筒7内并与连接筒7连接，进水管连接架11与轴12之间留有间隙，在进水管连接架11两测各安装一个密封端盖9，进水管路14与进水管连接架11连接，所述轴12为空心轴，轴12的空心与进水管连接架11和试验样件支撑架15之间有联通孔。

2、在密封端盖24处设置第一螺管25。

3、在两个密封端盖9处设置第二螺管8。

4、在地儿螺管8与密封端盖9之间安装止动垫圈。

本发明即能够实现对非光滑表面结构减阻效果进行评估，还能够实现对射流表面结构减阻效果进行评估。该试验装置工作时，通过数据采集系统采集在不同试验样件情况下的扭矩信号值，进行数据比对，研究非光滑表面结构和射流表面结构的减阻特性。

本发明具有如下优点：数据采集系统结构简单，操作容易，测试准确；通过对不同试验样件试验过程所受摩擦扭矩的测试，进行对照分析、来量化不同表面结构的减阻效果；试验样件表面可根据需要加工出不同的非光滑表面结构(如V型、凹坑等)，或开有不同孔径、不同射流角度、不同数量、不同排布方式的射流口；本试验为对照试验，当某种情况试验样件试验完成后，只需更该试验样件即可，更换过程简单、操作容易、节约时间、降低使用成本；射流试验时，配水环节中的流体为常压状态，试验样件支撑架内腔体中流体靠自身在旋转过程中离心力的作用将配水环节中的流体吸入腔体内，由于内腔压强大于外腔体压强，内腔体中流体通过试验样件表面射流口向外喷射，达到射流目的，而不需要外界提供进水压力。

附图说明

图1：是试验装置结构图；

图2：是数据采集系统原理图；

图3：是负载部分结构图；

图4：是配水环节剖视图；

图5：是图4的A-A截面图；

图6：是图4的B-B截面图；

图7：是试验样件环节剖视图；

图8a：是开有射流孔的试验样件结构图；

图8b：是图8a的左视图；

图9a：是图8b的B-B截面图；

图9b：是图8b的C-C截面图；

图10a：是开有V型沟槽的试验样件结构图；

图10b：是图10a的左视图；

图11：是端盖密封环节处结构图；

图12：是射流装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1、2和3，本发明主要由电机1、联轴器24、扭矩信号耦合器3、负载5组成。电机1通过联轴器2带到扭矩信号耦合器3，扭矩信号耦合器3通过联轴器4带动负载5运行。负载5主要包括三个部分，配水环节部分I、端盖密封环节部分II、试验样件环节部分III。

通过数据采集系统对试验装置中数据进行采集存储。电机通过变频器进行速度调节。扭矩信号耦合器将信号依次通过变送器、采集卡、至计算机中，通过LabVIEW软件对数据进行读取并存储。在软件界面中可以读取系统中扭矩瞬时值及扭矩随时间变化曲线图，以及电机输入的转速变化瞬时值及转速随时间变化曲线图。

结合图4、5和6，配水环节部分I由主要由连接筒7、螺管8、密封端盖9、定位销10、进水管连接架11、轴12、密封垫片13、进水管路14组成。进水管连接架11安装在连接筒7内，通过连接筒7内腔对其进行径向定位，轴向通过定位销10进行定位。进水管连接架11在工作中为固定件，与轴12之间留有间隙，避免与轴12产生摩擦。由于二者之间存在间隙，在射流试验时，进水管连接架11内腔充满流体，流体势必通过间隙外泄，为避免流体泄露，在进水管连接架11两测各安装一个密封端盖9，密封端盖9内孔加工有螺纹，与轴12之间通过螺纹连接，其端面与进水管连接架11相互接触，由于密封端盖9在试验过程中为旋转件，因此密封端盖端面与进水管连接架端面应该保持接触，以便达到密封效果，考虑到此处对密封的要求及对摩擦的要求，在二者之间加注黄油，目的是一方面减小密封端盖9和进水管连接架11之间摩擦扭矩，另一方面提高了对内腔流体密封效果。通过密封端盖9可以调节与进水管连接架11之间接触紧密程度，既不能过紧，过紧对旋转过程摩擦扭矩影响较大；又不能过松，过松密封效果不理想；当调节好二者之间的紧密关系后，避免密封端盖9在高速旋转过程中发生松动而影响试验效果，根据电机旋转方向，将轴12轴颈最大处左侧螺纹加工成右旋，右侧螺纹加工成左旋，并且将配对安装的密封端盖加工成与轴相同旋向，目的是防止轴12高速旋转过程中，密封端盖9与进水管连接架11之间连接过紧，避免摩擦扭矩加大。同时在两端密封端盖外侧安装螺管8，防止高速旋转过程中密封端盖9与进水管连接架11之间产生松动。如在螺管8与密封端盖9之间安装止动垫圈，可以达到更好放松效果。配水环节主要针对进行射流试验情况下使用。

结合图11，端盖密封环节部分II主要由轴12、大端盖23、密封端盖24、螺管25、密封筒28组成。试验过程中，大端盖23为固定件，安装在密封筒28上，密封端盖24为旋转件，与大端盖23端面相互接触，在二者之间加注黄油润滑，目的是在旋转过程中降低大端盖23与密封端盖24之间动摩擦扭矩及对密封筒28内流体进行良好密封效果。

结合图7、8a、8b、9a、9b、10a和10b，试验样件环节部分III主要由试验样件支撑架15、试验样件16、试验样件端盖18、密封垫片20、轴端端盖21、轴12等组成。试验时，将试验样件支撑架15安装在轴12相应轴颈处，通过键17连接与轴一同旋转。轴端处，通过轴端端盖21对试验样件支撑架15进行轴向固定，为了防止射流过程中供水系统中流体泄露，在轴12与轴端盖21之间安放密封垫片20，轴端端盖21与轴12通过螺纹紧密连接。试验样件16安装在试验样件支撑架15上，与试验样件支撑架15一端紧密接触后，将试验样件端盖18安装在试验样件支撑架15的一侧，通过螺钉19连接，试验样件被紧固在试验样件支撑架15之上。当做不同表面结构试验时，只需将螺钉19拧下，取下试验样件端盖18，更换试验样件16，再通过螺钉连接使试验样件端盖压紧试验样件。在加工中，对于不同表面结构的试验样件16，其外形安装尺寸相同，内径为160mm，外径为150mm，宽度为60mm。

下面结合附图说明本发明的装配过程。

将电机1与扭矩信号耦合器3输入端通过联轴器2连接起来，扭矩信号耦合器3输出端与轴12输入端通过联轴器4连接，把整个轴上部分作为负载5，如图1所示。电机1通过变频器进行速度调节，调解方便，调速准确。变送器将扭矩信号耦合器3采集到的频率信号转化为电压信号，经过数据采集模块的模数转换变为能被计算机存储的数字信号，再通过由LabVIEW编写的数据采集软件，将采集到的信号进行存储。数据采集系统原理图如图2所示。

负载5部分具体结构如图3所示。安装时，首先安装配水环节部分I，将进水管连接架11套在轴12上开有四个孔径位置处，在进水管连接架11轴颈两测依次安装密封端盖9和螺管8，此时不需要对其松紧程度进行调节。在轴12的两侧安装深沟球轴承622，安装好后，将轴承6外侧较短轴一侧从连接筒7开口端放入，将轴承6外圈与连接筒内腔处安装配合好。旋转进水管连接架11，并在轴向进行调节，直至进水管连接架11顶端开孔与连接筒7顶端开孔对心时，通过销10对二构件进行连接，达到对进水管连接架11的定位，如图4、图5所示。当进水管连接架定位11后，在密封端盖9与进水管连接架11之间加注黄油，均匀涂抹后，调节二者之间松紧程度，当调节好松紧后，将两侧的螺管8拧紧，防止在高速旋转过程中密封端盖9与进水管连接架11之间产生松动，如图6所示。将安装好的配水环节部分I安装在大端盖23上，连接筒7与大端盖23通过螺栓紧密连接，在大端盖23另一侧，从轴12上旋入密封端盖24，并在密封端盖24与大端盖23接触处加注黄油，调节二者之间紧密程度后，旋入螺管25，与密封端盖24一侧紧密连接，防止旋转过程中产生松动，如图3、图11所示。将键17放入轴12右侧键槽，在轴12上安装试验样件支撑架15，在轴端处放上密封垫片20，将轴端端盖21拧紧，对试验样件支撑架15进行轴向定位。依次在试验样件支撑架15上面安装密封垫、试验样件16、密封垫，试验样件端盖18，最后通过沉头螺钉19将试验样件16紧固在试验样件支撑架15上，如图7所示。将大端盖23通过螺栓连接在密封筒28左侧端面上，将密封筒端盖29通过螺栓连接在密封筒28左侧位置，其中密封筒28顶端和底端开有进水孔，并在两处进水孔处分别连接胶管27，如图3所示。

当做非光滑表面结构试验时，将光滑表面结构试验样件和所需的几组非光滑表面结构的试验样件分别放置试验样件支撑架15上面进行对照试验。具体过程为：当把光滑表面结构试验样件安装在试验样件支撑架上15情况时，按照装配过程，将试验装置一次安装好，通过胶管27对密封筒28内注满流体，试验过程中通过调节变频器，调节电机在几组不同转速情况下，不同转速下对应扭矩信号耦合器3通过变送器将模拟信号输送给采集卡，并由采集卡输送至计算机，将相应数据存储于计算机中。当光滑表面结构情况完成后，通过胶管27将密封筒28内流体排空，取出光滑试验样件。当试验样件为非光滑表面结构时，如图10所示，按照以上相同步骤进行操作。试验过程中，依次调节变频器使电机1在以上几组转速的档次，将采集卡中数据采集出，依次存储计算机中。当几组试验样件情况依次完成后，对所有数据进行对照、分析、处理，得出结论。做非光滑表面结构试验时，配水环节不起作用，即可以将配水环节部分I中的进水管连接架11及两侧的密封端盖9和螺管8去掉。

当做射流试验时，将光滑表面结构试验样件和所需的几组射流表面结构的试验样件分别放置试验样件支撑架15上面进行对照试验。在射流试验过程中，进水管路14需要接上射流进水胶管26，射流进水胶管26另一端放入水槽中，在电机1启动前，先将配水环节部分I内腔，轴12空心部分，试验样件16与试验样件支撑架15内腔部分及密封筒28内充满流体。在电机1启动后，通过电机变频器调节电机达到所需转速，由于试验样件表面开有射流孔，如图8、图9所示，试验样件支撑架15内腔体中流体在离心力的作用下，流体从射流孔向密封筒28内射出，同时在离心力的作用下，试验样件支撑架15腔体内流体需不断的从外界补充，故此，外界流体需从进水管路14不断得到补充。而密封筒28中由于射流原因，筒内流体需要外溢，通过密封筒28上下胶管27将多余流体排出，保证密封筒28内始终充满流体，并且压力为常压状态。密封筒28上下开孔处接胶管27目的：一是在试验零部件装配好后向密封筒28内注入流体；二是在射流过程中保证密封筒28内为始终充满流体，并且为常压状态；三是在试验结束后将腔体内流体排空，以便拆卸。在整个射流过程中，将射流进水胶管26与密封筒上下连接的胶管27放置在同一水槽中，目的是使得在射流试验过程中流体循环利用，节约资源，射流装置原理图如图12所示。图12中标示的箭头方向为流体流动方向，流体从水槽中通过射流进水管进入射流装置系统，试验样件通过射流孔向密封筒内射流，密封筒内多余流体通过射流出水管流入水槽，水槽32中流体循环供给。依次调节变频器使电机1在所需要对照的几组转速的档次，将采集卡中数据采集出，依次存储计算机中。当几组试验样件情况依次完成后，对所有数据进行对照、分析、处理，得出结论。

射流试验过程中，在射流进出管路上面分别设置流量计31，通过出口管路流量计可以计算出射流表面孔径喷射速度，继而可以更加深入研究射流速度对射流表面减阻效果的影响。根据射流进水管路流量计测试流量结果及射流出水管路测试流量结果，可以计算出系统流体的泄漏量，对密封环节处及配水环节处密封有指导意义。

Claims (4)

1.一种对流体摩擦阻力测试的试验装置，包括电机(1)、第一联轴器(2)、第二联轴器(4)、扭矩信号耦合器(3)、负载(5)，其特征是：电机(1)通过第一联轴器(2)连接扭矩信号耦合器(3)，扭矩信号耦合器(3)通过第二联轴器(4)连接负载(5)；所述负载(5)主要包括与第二联轴器(4)连接的轴(12)，安装在轴(12)上的端盖密封环节部分(II)和试验样件环节部分(III)；所述端盖密封环节部分(II)包括大端盖(23)、第一密封端盖(24)、密封筒(28)，大端盖(23)为固定件、安装在密封筒(28)上，第一密封端盖(24)为旋转件，与大端盖(23)端面相互接触；所述试验样件环节部分(III)包括试验样件支撑架(15)、试验样件(16)、试验样件端盖(18)、轴端端盖(21)，试验样件支撑架(15)安装在轴(12)相应轴颈处与轴一同旋转，轴(12)端处通过轴端端盖(21)对试验样件支撑架(15)进行轴向固定，试验样件(16)安装在试验样件支撑架(15)上，试验样件端盖(18)安装在试验样件支撑架(15)的一侧；还包括配水环节部分(I)，所述配水环节部分(I)主要由连接筒(7)、第二密封端盖(9)、进水管连接架(11)、进水管路(14)组成，进水管连接架(11)安装在连接筒(7)内并与连接筒(7)连接，进水管连接架(11)与轴(12)之间留有间隙，在进水管连接架(11)两侧各安装一个第二密封端盖(9)，进水管路(14)与进水管连接架(11)连接，所述轴(12)为空心轴，轴(12)的空心与进水管连接架(11)和试验样件支撑架(15)之间有联通孔。

2.根据权利要求1所述的一种对流体摩擦阻力测试的试验装置，其特征是：在第一密封端盖(24)处设置第一螺管(25)。

3.根据权利要求2所述的一种对流体摩擦阻力测试的试验装置，其特征是：在两个第二密封端盖(9)处设置第二螺管(8)。

4.根据权利要求3所述的一种对流体摩擦阻力测试的试验装置，其特征是：在第二螺管(8)与第二密封端盖(9)之间安装止动垫圈。 

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