CN103541328A - 一种水洞实验用振荡水翼驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水洞实验用新型振荡水翼驱动系统，主要包括支架系统、动力装置、流体机械模型以及连接动力装置与流体机械模型的传动机构和密封系统。本发明通过定量精确地控制流体机械模型振荡速度和角度，为流体机械结构的设计提供理论依据，为探索动态流动机理和流固耦合机理提供可靠的分析实验数据。本发明结构简单、紧凑，节省空间，易于移动和拆卸，造价低，适于水洞实验等小型实验研究，且能有效解决传动装置的密封问题，避免因驱动系统零部件触水而导致系统失效以及水洞实验段渗水而导致水洞实验性能降低。

Description

一种水洞实验用振荡水翼驱动系统

技术领域

本发明，涉及一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，属于水利水电工程、海洋船舶工程技术领域。

背景技术

在航空航天领域，为了避免动力失速、结构上颤振和共振，振荡翼型的动态特性受到越来越多的重视。在水力机械研究中，旋转产生的附加作用力以及动静部件的扰动对湍流过程、边界层的发展、流动结构的时空分布有着重要的影响，非转动/转动部件的流场相互干扰的物理机制一直是研究的重点和难点。在螺旋桨、涡轮泵、水轮机启停机、飞逸、增减负荷等瞬态过程中，暂态过程瞬变流动会使升力面的有效攻角发生改变，其内部流动复杂多变，呈现出强烈的不稳定性。因此，了解物体在动态变化下非稳态水动力载荷和振动的变化，对了解水力机械瞬态过程非定常流动机理及动力特性，优化水力机械的设计，提高水力性能有着重要的意义。

翼型是水力机械结构的基本单元。目前，对绕水翼流动的研究工作大多是基于静态物体下进行，对振荡水翼的流场结构及动力特性的研究相对较少。现阶段，国内外已初步形成的动态实验研究大多是在风洞中进行，由于风洞与水洞实验介质的不同，风洞中的动态实验技术无法满足水洞实验对驱动系统、密封装置等的使用要求，无法应用于水洞实验。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的驱动系统无法满足水洞实验的要求，提供一种可用于水洞实验的振荡水翼驱动系统。可实现水翼定量精确振荡旋转运动，并可实现水翼的振荡旋转速度的改变。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，包括支架系统、动力装置和传动机构；

所述支架系统由托板和支杆组成；

所述动力装置包括步进电机和减速器；

所述传动机构包括内杆、套筒螺母、套筒、内杆轴承以及内杆薄片；

所述内杆为圆柱形直杆，其圆柱直径沿轴向分三级成阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为内杆第一级、内杆第二级和内杆第三级；内杆第三级中心开有一孔，孔的形状与减速器输出轴形状一致，从而实现动力传递效果；

在实际操作中，将内杆第三级中心孔的形状加工成与减速器输出轴形状难度较大，精确度也受到影响，因此先加工成圆柱形孔，然后在截面3/4圆处插入内杆薄片，并在孔壁开有两槽将内杆薄片卡住；

所述内杆薄片表面有条形纹路，以增大孔与减速器7输出轴的摩擦系数；所述内杆薄片采用钢制材料制得；

所述套筒为中截面“凸”字形的圆环柱体；

所述套筒螺母在水洞实验段内侧与套筒伸出部分连接；

连接关系：电机与减速器固定连接；减速器固定在托板一侧，减速器输出轴穿过托板伸入内杆第三级中心孔；内杆伸入套筒中，内杆第一级从套筒小端伸出在外，与实验对象连接；内杆第二级、内杆第三级在套筒内部，内杆第二级与套筒接触的位置通过密封圈密封，内杆第三级通过内杆轴承与套筒内壁相连，内杆轴承在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用；套筒大端固定在托板另一侧，小端穿过水洞实验段后面板伸至水洞实验段内部；支杆从托板固定套筒一侧穿过托板并与之固定相连，同时支杆另一端固定在水洞实验段后面板外侧，实现整套驱动系统的支撑和固定；套筒螺母在水洞实验段后面板内侧与套筒小端连接；套筒肩部与水洞实验段后面板外侧通过密封圈密封。

工作过程：接通电源后，根据电机与减速机转速比对实验所需振荡角度、振荡频率、振荡时间、启停机振荡加速度等参数进行换算，基于换算后的参数通过控制器对电机工作状态进行设置，确认无误后启动电机。此时，实验流体机械模型将根据设置好的工况进行振荡运动，待水洞实验段内流动稳定后即可开始实验观测和数据测量等工作。

有益效果

1、本发明的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，实验装置结构简单、紧凑，易于拆卸和移动，保证高效、快捷地完成实验并获取实验数据；同时通过密封圈的合理应用和布置，能有效解决传动装置的密封问题，避免因驱动系统零部件触水而导致系统失效以及水洞实验段渗水而导致水洞实验性能降低，因此满足水洞实验要求；

2、本发明的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，节省空间，造价低廉，节约能源，适于水洞实验等小型实验研究；

3、本发明的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，通过步进电机驱动流体机械结构振荡运动，从而可以定量精确地控制水翼的转速和振荡角度；

4、本发明的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，可以灵活更换不同流体机械模型，该实验装置能够为流体机械结构的设计提供理论依据，为深入研究动态流动特性和流固耦合机理提供可靠的分析实验数据。

附图说明

图1是本发明振荡水翼驱动系统组装立体示意图；

图2是本发明传动机构装配图；

图3是本发明支架系统托板正视图与左视图；

图4是本发明传动机构内杆右视图；

图5是本发明传动机构套筒螺母左视图。

其中，1—内杆，2—套筒螺母，3—水洞实验段后面板，4—套筒，5—托板，6—支杆，7—减速器，8—电机，9—内杆轴承，10—内杆薄片。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，包括支架系统、动力装置和传动机构，如图1所示；

所述支架系统由托板5和支杆6组成；

所述动力装置包括步进电机8和减速器7；

所述传动机构包括内杆1、套筒螺母2、套筒4、内杆轴承9以及薄片10，如图2所示；

所述内杆1为圆柱形直杆，其圆柱直径沿轴向分三级成阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为内杆第一级、第二级和第三级；内杆第三级中心开有一孔，孔的形状与减速器7输出轴一致，从而实现动力传递效果；由于在实际操作中，直接加工该形状的孔难度较大，精确度也受到影响，因此先加工成圆柱形孔，然后在截面3/4圆处插入钢制内杆薄片10，并在孔壁开有两槽将内杆薄片10卡住，如图4所示；内杆薄片10表面有条形纹路，以增大孔与减速器7输出轴的摩擦系数；

所述套筒4为中截面“凸”字形的圆环柱体；

所述套筒螺母2在水洞实验段内侧与套筒4伸出部分连接；

连接关系：电源、电机8与控制器用导线连成控制回路；电源、控制器置于实验平台，位置可根据需要进行调整；电机8连接控制器，控制器连接电源，电源用于给电机和控制器供电，电机用于驱动水翼的运动，控制器用于控制电机的输出功率及转速，其中电机8型号为LINIX57BYGHD451-03A，控制器型号为JJ01电机控制器；电机8通过螺钉与减速器7固定连接，用来降低转速和增大转矩，减速器7型号为LINIX60JB20，通过螺钉固定在托板5一侧，减速器7输出轴穿过托板5伸入内杆1第三级与插有薄片10的孔配合，驱动内杆1转动，从而驱动流体机械模型的振荡运动；内杆1伸入套筒4中，第一级从套筒4小端伸出在外，通过螺纹与流体机械模型连接；第二、三级在套筒4内部，内杆1第二级与套筒4接触的位置通过两个O形密封圈密封，O形密封圈型号参照GB1232-76选取，能有效防止水从内杆与套筒间隙处泄露；内杆1第三级通过内杆轴承9与套筒4内壁配合，内杆轴承9为深沟球轴承，型号6202RZ，在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的作用；托板材质为钢制长方形板材；套筒4大端通过沉头螺钉垂直固定在托板5另一侧，小端穿过水洞实验段后面板3；支杆6从托板5固定套筒4一侧穿过托板5，在托板5两侧通过螺栓固定支杆6与托板5，螺栓参照GB/T5782-2000，根据支杆6直径选取，其中托板5与支杆6连接孔加工成圆角矩形，以便适用于不同支杆间距的情况，如图3所示；同时支杆6另一端通过焊接的方式固定在水洞实验段后面板外侧，实现整套驱动系统的支撑和固定；套筒螺母2在水洞实验段后面板内侧与套筒4连接，受水洞实验段内部宽度的限制，套筒螺母2厚度较小，沿螺母环面一周均匀布置有4个通孔，如图5所示，主要用于套筒螺母2的安装和固定；套筒4肩部与水洞实验段后面板3外侧通过硅胶平垫矩形密封圈密封，由安装时施加的接触压力，使其在径向和轴向产生初始的密封性能，从而有效防止水从套筒4与水洞实验段后面板3外侧接触间隙流出。

工作过程：一般情况下，振荡速度

振荡频率f和振荡角度α_max之间的换算关系如下：

$\stackrel{.}{\mathrm{\α}}=f\·{2\mathrm{\α}}_{\max }$

根据电机8与减速机7转速比n可知电机所需输入转动频率值为：

工作时，首先接通电源，然后基于换算后的参数通过控制器对电机8工作状态进行设置，必要时需要根据经验定义电机启停机加速度，确认无误后启动电机8。此时，实验流体机械模型将根据设置好的工况进行振荡运动，待水洞实验段内流动稳定后即可开始实验观测和数据测量等工作。此外，在进行不同流体机械模型实验时，为了更换模型的方便以及提高实验间对比的准确性和可比性，只需在水洞实验段内部更换与内杆1连接的流体机械模型即可。

本发明的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其整体大小约为240mm×200mm×80mm，成本约为2000元人民币，适于水洞实验等小型实验研究。

最后需要说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：包括支架系统、动力装置和传动机构；所述支架系统由托板（5）和支杆（6）组成；所述动力装置包括步进电机（8）和减速器（7）；所述传动机构包括内杆（1）、套筒螺母（2）、套筒（4）、内杆轴承（9）以及内杆薄片（10）；所述内杆（1）为圆柱形直杆，其圆柱直径沿轴向分三级成阶梯变化，依直径从小到大的顺序依次定义为内杆第一级、内杆第二级和内杆第三级；内杆第三级中心开有一孔；所述套筒（4）为中截面“凸”字形的圆环柱体；

电机（8）与减速器（7）固定连接；减速器（7）固定在托板一侧，减速器（7）输出轴穿过托板（5）伸入内杆（1）第三级中心孔；内杆（1）伸入套筒（4）中，内杆第一级从套筒（4）小端伸出在外，与实验对象连接；内杆第二级、内杆第三级均在套筒（4）内部，内杆第三级通过内杆轴承（9）与套筒（4）内壁相连；套筒（4）大端固定在托板（5）另一侧，小端穿过水洞实验段后面板（3）伸至水洞实验段内部；支杆（6）从托板（5）固定套筒（4）一侧穿过托板（5）并与之固定相连，同时支杆（6）另一端固定在水洞实验段后面板外侧；套筒螺母（2）在水洞实验段后面板内侧与套筒（4）小端连接。

2.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：所述内杆第三级中心孔的形状与减速器（7）输出轴形状一致。

3.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：所述内杆第三级中心孔的形状为圆柱形孔，在截面3/4圆处插入内杆薄片（10），并在孔壁开设凹槽用于固定内杆薄片（10）。

4.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：所述内杆薄片（10）表面有条形纹路。

5.如权利要求1或3或4所述的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：所述内杆薄片（10）的材料为钢。

6.如权利要求1所述的一种水洞实验用振荡水翼驱动系统，其特征在于：所述内杆第二级与套筒（4）接触的位置通过密封圈密封；所述套筒（4）肩部与水洞实验段后面板（3）外侧通过密封圈密封。

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