CN106017768B - 一种螺旋桨推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺旋桨推力测量装置，包括底座、上部框架、两个丝杆系统、蜗轮蜗杆系统和测量系统。整个装置横跨于循环水槽上，装置的中心线与循环水槽中心线在同一铅垂面上；螺旋桨和天平固定完毕后，利用丝杆系统缓缓降下升降柱至合适深度，同时通过蜗轮蜗杆系统旋转升降柱调整螺旋桨轴线与循环水槽中心线重合；此时开启螺旋桨至某一转速，天平可以将无流速情况下螺旋桨推力值传输至水面数据采集仪中，通过开启循环水槽的造流装置，可以测得螺旋桨在有流速情况下的推力值。本发明结构简单，测量精确，实用价值高，可为水面、水下航行器的螺旋桨推力测量提供重要的参考数值，更精确地进行航行器的运动控制研究。

Description

一种螺旋桨推力测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种螺旋桨推力测量装置，应用于循环水槽中进行螺旋桨的推力测量，属于航行器螺旋桨推力测量领域。

背景技术

随着陆地资源的枯竭，人类将眼光转向了丰富的海洋资源，除了海面上航行的船舶之外，多种多样的海洋探测设备应运而生,例如HOV、ROV、UUV、AUV等，这些设备优缺点鲜明，存在很多的差别，但绝大多数海洋探测设备都采用螺旋桨作为推进设备。综上所述，精确测量螺旋桨的各种参数对航行器的总体设计、动力学分析乃至运动控制具有非常重要的意义。

根据船舶原理的知识，螺旋桨的敞水试验是分析螺旋桨水动力性能的重要方式，其目的和作用可以概括为四点：1.进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。2.根据系列试验的结果，可以系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响。3.校核和验证理论方法。4.配合自航试验进行同一螺旋桨敞水试验，以分析效率。

螺旋桨推力主要采用天平测量，然而现今的试验设备有几大缺点：

首先，设备过于笨重且不智能，将螺旋桨固定在试验设备上之后，需要大量的人工将试验设备搬运到循环水槽附近并倒扣在水槽中，有时还要启用吊车来起吊试验设备。

其次，对于同一螺旋桨，仅有正车方向的推力数据是不够的，所以做完螺旋桨正车试验后还要反转设备，上述试验过程不但费时费力，还可能造成试验人员的受伤。

最后，当今的试验设备和天平集成度不够，天平精密易受损，试验过程中，天平的数据传输线一直裸露在外，这些导线一般也都比较细，搬运试验设备的过程中很容易遭到破坏导致试验失败；另外数据传输线中的电流为毫安级，螺旋桨电机电流能达到安级，大电流对小电流有很强的干扰，两者之间的影响会引起试验测得的数据不准，更严重的会导致仪器受损。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种能调节深度和角度的螺旋桨推力测量装置。

本发明的目的是这样实现的：包括有底座和上部框架组成的架体，所述底座是有两个支架杆和两根轴组成的方形结构，每个轴的两个端部均设置有承重轮，所述上部框架由四根竖直杆、两根水平长杆和两根水平短杆拼接而成，每根水平短杆上安装有电机固定装置，每个电机固定装置上安装有一号电机，每个一号电机的输出端连接有丝杆，每个丝杆上安装有螺母，每个螺母上固连有水平撑杆，且每个水平撑杆的两端通过滑环安装在对应的竖直杆上，两个水平撑杆之间设置有两个纵向撑杆，两个纵向撑杆间安装有带盖的壳体，纵向撑杆上安装有二号电机，二号电机的输出轴与设置在壳体内的蜗杆连接，壳体内安装有升降柱，升降柱上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，升降柱的端部伸出至壳体外且其端部设置有与天平连接的接口，天平通过所述接口与升降柱连接，天平还与螺旋桨连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明用于循环水槽中进行螺旋桨的推力测量，得到螺旋桨在不同流速下正车倒车的推力后，为船舶或水下航行器控制方式提供参考信息。本发明的整个装置横跨于循环水槽上，装置的中心线与循环水槽中心线在同一铅垂面上；螺旋桨和天平固定完毕后，利用丝杆系统缓缓降下升降杆至合适深度，同时通过蜗轮蜗杆系统旋转升降杆调整螺旋桨轴线与循环水槽中心线重合；此时开启螺旋桨至某一转速，天平可以将无流速情况下螺旋桨推力值传输至水面数据采集仪中，通过开启循环水槽的造流装置，可以测得螺旋桨在有流速情况下的推力值。本发明结构简单，测量精确，实用价值高，可为水面、水下航行器的螺旋桨推力测量提供重要的参考数值，更精确地进行航行器的运动控制研究。本发明设置有承重轮可以自由移动，在测量时，不但能调节自身深度，还可以绕轴180度旋转，即不但能测得螺旋桨推力在不同深度条件下的数值，且能测得螺旋桨在不同迎流角度下的推力值；另外由于天平和测量装置的高度集成，也可以避免试验数据的失真。除了螺旋桨，本发明可以应用于其他水下设备的受力测量，例如舵翼，通过蜗轮蜗杆系统的旋转，可以改变舵翼的攻角，改变测力天平的安装位置，可以测得不同攻角下舵翼的升力以及阻力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的底座的结构示意图；

图3是本发明的承重轮部分的结构示意图；

图4是本发明的上部框架的结构示意图；

图5是本发明的丝杆系统的结构示意图；

图6是本发明的蜗轮蜗杆系统的结构示意图；

图7是本发明的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图7，本发明包括底座、上部框架、两个丝杆系统、蜗轮蜗杆系统和测量系统，上部框架刚固在底座上，丝杠系统上端刚固在上部框架，另有滑环在上部框架的竖直杆上滑动，涡轮蜗杆系统以及测量系统固定在丝杆系统上，以控制转动。

所述底座由两个支架杆1，两根轴2，锁紧装置3，四个承重轮4组成。构类似一辆四轮汽车的底盘部分，四个承重轮分为两组，分别与轴相连，两组对称布置，两根轴都穿过支架，可以在支架中自由转动，如图2所示。紧固装置如图3所示，由锁紧装置3，锁紧装置5和锁紧螺丝6组成。承重轮和支架起到支撑装置的作用，此外，承重轮还可以便于移动装置。锁紧装置在装置确定位置后起到作用，由两片四分之一圆形刹车片组成的锁紧装置贴在承重轮的上部，通过旋紧上部螺丝可以阻止承重轮的旋转，起到刹车的作用。也即在本发明推行到试验位置后，上紧紧固螺丝，两侧半圆形紧固装置即相互贴合，并摩擦承重轮，使其不能自由转动起到刹车的效果。

所述上部框架由四个接头7，两个水平短杆8，两个水平长杆9，四个竖直杆10组成；竖直杆和底座支架刚连接，在框架上部，水平长杆和水平短杆用接头连接。其中水平短杆用于固定电机，水平长杆为了保持装置结构的整体稳定。综合来说，上部框架主要起到结构稳定和悬挂设备的作用。接头的三个插孔分别连接水平短杆、水平长杆、竖直杆，水平短杆与电机固定装置12连接。

丝杆系统有两套，每套均由电机11，电机固定装置12，丝杆13，螺母14，水平撑杆15，纵向撑杆16，撑杆固定装置17和滑环18组成。电机固定装置直接与电机刚连接，丝杆上部连接电机的输出轴，电机可以带动丝杆旋转，电机通过电机固定装置与上部框架的水平短杆刚连接；丝杆中部布置了螺母，丝杆的旋转运动带动螺母的上下移动，螺母连接水平撑杆，水平撑杆的另一头通过滑环与上部框架的竖直杆相连，由于滑环的作用，水平撑杆可以沿竖直杆轴线方向自由上下滑动；丝杆下部与底座相连，可以自由转动。纵向撑杆是通过撑杆固定装置固定的，这样整个框架结构就可以通过两侧电机的同时转动而上下平移，也即丝杠机构用于使测量部分上升下降。其工作原理如下，当需要装置上升下降运动时，控制电机转动，带动丝杆旋转，套在丝杆上的螺母会沿丝杆轴线方向上下运动，由于螺母和水平撑杆是刚连接，水平撑杆的另一端可以自由滑动，从而水平撑杆就被螺母带动上下运动。丝杆系统负责测量部分的上升下降运动控制。

蜗轮蜗杆系统由壳体19，壳盖20，二号电机21，电机固定装置22，四个紧固螺丝23，蜗轮24，蜗杆25和升降柱26组成。壳体连接在丝杆系统两根纵向撑杆之间，壳体中一对蜗轮蜗杆相互啮合，蜗杆水平方向布置，与纵向撑杆平行，蜗杆一头伸出壳体，连接二号电机的输出端，蜗轮轴线竖直向下，与升降柱刚连接。二号电机转动带动蜗杆，蜗杆与蜗轮相啮合，从而带动蜗轮旋转，这样就可以控制升降柱旋转某一设定的角度。蜗轮蜗杆系统的功能是控制测量系统的自由旋转。也即负责调节螺旋桨朝向的是蜗轮蜗杆系统，主要由一对啮合的蜗轮蜗杆组成。蜗轮蜗杆用于使测量系统转动设定的角度；再利用蜗轮蜗杆机构的自锁特性，稳固螺旋桨升降杆接口与天平配套；且所述的升降杆中设有天平数据传输线的专用通道。其工作方式：二号电机通过电机紧固装置与纵向撑杆连接，并通过紧固螺丝固定，电机转动带动蜗杆，蜗杆通过齿轮的啮合带动蜗轮，蜗轮与升降柱是刚连接，所以升降柱会随着蜗轮旋转，并且其内部中空，供数据传输线通过。蜗轮蜗杆都被密封在壳体中，上方用壳盖封住。

测量系统结构如图7，由天平27，螺旋桨紧固装置28，紧固螺丝29，待测螺旋桨30组成。天平外形类似一个圆柱体，上部连接升降柱，用螺丝紧固，天平采集的数据通过导线传输至水面数据采集仪，为了防止与螺旋桨大电流导线相干扰，导线从升降柱内部通过直至水面；天平下部连接螺旋桨固定装置。螺旋桨紧固装置通过旋紧螺丝固定螺旋桨，同时上部还要夹紧天平，使用时为了防止过紧夹坏螺旋桨可以在紧固装置的弧形部分加入一层橡胶。

本发明设计目的是为了提供一种能智能自动测量螺旋桨推力的装置，结合图介绍了装置结构后，再将装置用法更仔细地介绍。

1.推行设备并将设备布置到合适位置，旋紧紧固螺丝，利用锁紧装置固定设备，紧固设备的圆弧状刹车片要紧贴承重轮。螺旋桨推力测量一般是在循环水槽进行，设备一般横跨于水槽上，使升降柱轴线位于循环水槽中心线上方，这是为了螺旋桨工作时，其流场不受水槽周围壁面影响。

2.旋紧紧固螺丝，用螺旋桨固定装置固定螺旋桨，天平完成标定后固定在升降柱上，数据传输导线则通过升降柱内部，注意避开大电流设备。

3.开启两侧丝杠系统电机，通过设定好的程序控制电机，使得升降柱下降至需要的深度，一般到达近水面扰流影响和水槽底面流体影响最小处最适合，若要测量螺旋桨在不同深度下的推力性能，可以调节多次深度，进行多次试验。在控制升降柱下降时，两侧电机的动作应该保持一致，否则会导致两侧下降高度不一致，损坏设备同时影响试验进程。

4.通过设定好的程序控制电机，调节蜗轮蜗杆系统，缓缓旋转升降柱，使得螺旋桨朝向预设的来流方向，若只进行静水推力试验，螺旋桨的朝向影响是小的，但是若之后还需测量不同流速情况下的推力性能，在开始试验时就将螺旋桨位置调正对实验结果的误差影响最小。

5.首先进行静水情况下螺旋桨的正车倒车推力测量试验，一组试验完成后，最好等水槽中水平静再进行下一组试验，这是由于天平是精密仪器，水未平静时天平仍有示数，误差比较大。静水试验完毕后，开启循环水槽的造流装置，通过改变流速值，可以测量螺旋桨在不同流速下前进正车的推力值，若操纵螺旋桨电机反转，可以测量螺旋桨在不同流速下前进倒车的推力值。

6.不同流速下前进方向的推力值测量完毕后，调节蜗轮蜗杆系统，让螺旋桨旋转180度，此时可以测量螺旋桨在不同流速下后退正车以及后退倒车的推力。

需要特别说明的是，根据不同螺旋桨的情况不同，但大多数螺旋桨在前进倒车以及后退正车时的性能都比另外两组差些，直接体现就是天平测得的推力在数据采集仪上显示非常不稳定，一般采取的解决方法是，测量比较长的一段时间的推力值，选择后边一部分数据，取其平均值。

Claims (1)

1.一种螺旋桨推力测量装置，其特征在于：包括由底座和上部框架组成的架体，所述底座是有两个支架杆和两根轴组成的方形结构，每个轴的两个端部均设置有承重轮，所述上部框架由四根竖直杆、两根水平长杆和两根水平短杆拼接而成，每根水平短杆上安装有电机固定装置，每个电机固定装置上安装有一号电机，每个一号电机的输出端连接有丝杆，每个丝杆上安装有螺母，每个螺母上固连有水平撑杆，且每个水平撑杆的两端通过滑环安装在对应的竖直杆上，两个水平撑杆之间设置有两个纵向撑杆，两个纵向撑杆间安装有带盖的壳体，纵向撑杆上安装有二号电机，二号电机的输出轴与设置在壳体内的蜗杆连接，壳体内安装有升降柱，升降柱上安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，升降柱的端部伸出至壳体外且其端部设置有与天平连接的接口，天平通过所述接口与升降柱连接，天平还与螺旋桨连接，天平上部连接升降柱并用螺丝紧固，天平采集的数据通过导线传输至水面数据采集仪，天平下部连接螺旋桨固定装置，螺旋桨紧固装置通过旋紧螺丝固定螺旋桨。