CN106482926B - 基于水下的多功能仿生减阻测试装置 - Google Patents

Abstract

基于水下的多功能仿生减阻测试装置，包括试验平台支架、试验测试组件、动力输入组件、扭矩信号采集组件、配水组件和移动组件，所述的试验测试组件包括第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件以及密封筒组件，所述的第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件均置于所述的密封腔组件内部，所述的第一试验样件测试组件同轴设置在第二试验样件测试组件内腔；所述的扭矩信号采集组件包括扭矩信号耦合器、信号采集模块、应变片以及扭矩输出轴；所述的动力输入组件包括电机、电机支撑座、皮带轮、皮带和动力输入轴。本发明的有益效果是：小型、造价低廉，具备多种试验功能，使用起来安装拆卸都比较方便，并且能够适应不同流体试验。

Description

基于水下的多功能仿生减阻测试装置

技术领域

本发明涉及一种表面阻力测试装置，具体的说是一种基于水下的多功能仿生表面减阻测试装置。

背景技术

当前，海洋战略是各个国家重点发展的国家战略，海洋中有许多资源，对于发展国家经济也大有裨益，因此提高发展海洋安全也是每个国家不可缺少的战略。关于海洋安全和经济，海洋中的航行工具，比如船舶、鱼类、舰艇，都在海洋的经济发展中和国防安全中也发挥着巨大的影响力。如今能源需求越来越大，能源储量也日益减少，因此如何让海洋中的船只舰艇更高效的航行成为了一个亟待解决的问题，既要提高能源利用效率，又要提高船舶的航行速度，那么如何减少在航行时遇到的阻力成了研究的关键，这个问题目前也是科技界研究的热点。

海洋中航行体在运行过程中一般需要克服三种阻力。其中的摩擦阻力占到50％，更有甚者，例如潜艇、鱼雷等，该比例可达到70％，可见摩擦阻力对船体运行速度和能源消耗有着重大的影响，在航行过程中，减少摩擦阻力显得特别重要。不仅仅在水中，通过不同领域的实验可以发现，在空气中的飞行工具也会遇到同样的问题，比如日常出行的飞机，空气对它的阻力接近一半，又如那些飞行速度更高的战斗机，摩擦阻力也高达50％。管道运输中，80％以上的能量用来消耗克服表面摩擦阻力。更有一些实验研究表明，在进行流体实验时，如采用湍流，雷诺数将达到10⁵，相比层流而言，流体的粘性力也会提升十倍，所以通过这些实验可以发现，航行体表面流体剪切应力增大，损耗也将上升。

为了减小船舶航行时的阻力，仿生减阻是目前非常热门的一个研究方向。例如海豚、鲨鱼，通过对这些在海洋中游泳健将的模仿，研究海洋生物快速游动的特性。通过仿生领域科学家对这些相关生物的分析观察，通过从外形到表皮、器官的研究发现，在其表皮上，有着不一样的构造，在高倍的显微镜下，有着特殊的微结构特性。并且鲨鱼鳃部的射流结构能够有助于减小游动时的阻力。科学家将具有这些特征的表面投入实验，在对比中发现就是这些特殊表面能够有效地改善表面流体的湍流特征，使其在游动中具有更快更高的速度。

仿生非光滑表面减阻技术和仿生射流减阻技术在流体减阻领域中一直是研究的热点。人们在采用各种新颖减阻技术的时候，为了更准确的掌握其机理，记录其准确的减阻效果，需要借助一些高端的设备加以实验，一般进行流体阻力测试实验大都采用水洞装置，水洞装置由于其成本高昂，机构十分复杂，占地面积广，实验中的流场难以模拟，并且实验周期很长，这样一来使得水洞装置在现实试验中具有很大的局限性。即使是如今已经研制出来的小型的流体力学测试装置，都是传统结构的，故为了需要解决实现试验试样的多样性，基于方便安装拆卸，能在多种条件下进行实验的要求。设计研发一台小型的、造价低廉，具备多种试验功能，使用起来安装拆卸都比较方便，并且能够适应不同流体试验的装置显得格外关键，对减阻研究具有重大意义。

发明内容

为了解决目前的流体力学测试装置机构十分复杂，占地面积广，实验中的流场难以模拟，并且实验周期很长的问题，本发明提出了一种小型的、造价低廉，具备多种试验功能，使用起来安装拆卸都比较方便，并且能够适应不同流体试验的基于水下的多功能仿生表面减阻测试装置。

本发明所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，包括试验平台支架、试验测试组件、动力输入组件、扭矩信号采集组件、配水组件和移动组件，所述的动力输入组件、试验测试组件、移动组件和所述的配水组件安装在所述的试验平台支架上，所述的移动组件与所述的试验平台支架固接；所述动力输入组件通过皮带轮与所述的试验测试组件的动力输入端相连接，所述的第二试验测试组件的动力输出端与所述的扭矩信号采集组件连接；所述的扭矩信号采集组件安装在所述的移动组件上；所述配水组件的进水管与所述的密封腔的入水口管道连接，所述配水组件的出水管与所述密封腔的出水口管道连接，其特征在于：所述的试验测试组件包括第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件以及密封腔组件，所述的第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件均置于所述的密封腔组件内部，所述的第一试验样件测试组件同轴设置在第二试验样件测试组件内腔；所述第一试验样件测试组件包括第一试验样件、第一试验样件承载架、第一试验样件挡圈和轴端挡圈，所述第一试验样件承载架靠在动力输入轴的轴肩处，并通过动力输入轴轴肩和动力输入轴上的键实现轴向及周向定位，所述第一试验样件同轴套装在第一试验样件承载架外部，第一试验样件挡盖安装在第一试验样件承载架的端面上，实现对第一试验样件挡盖的轴向固定；

所述的第二试验样件组件包括第二试验样件、第二试验样件左端盖、第二试验样件右端盖和轴端挡圈，所述的第二试验样件左端盖和第二试验样件右端盖分别密封安装在第二试验样件两端；第二试验样件右端盖同轴套接在扭矩输出轴伸入密封腔组件内腔的端部，并通过扭矩输出轴的轴肩实现轴向固定；所述的轴端挡圈固连在扭矩输出轴上，同时压紧第二试验样件右端盖，通过压紧力实现对第二试验样件右端盖的周向固定；

所述的扭矩信号采集组件包括扭矩信号耦合器、用于采集第二试验样件扭矩的信号采集模块、用于传递第二试验样件扭矩的扭矩输出轴、用于采集第一试验样件扭矩的应变片以及用于输入动力的动力输入轴，所述的矩信号耦合器安装在所述的扭矩信号耦合器支座上；所述的扭矩输出轴的一端伸入所述的密封腔组件内部后安装第二试验样件；所述的扭矩输出轴与所述的密封腔组件之间密封连接；

所述的动力输入组件包括电机、电机支撑座、皮带轮、皮带和动力输入轴，电机轴伸与动力输入轴上各安装有皮带轮，两个皮带轮之间用皮带紧绷连接；所述的电机的轴伸通过皮带轮与所述的动力输入轴相连，电机安装在电机支撑座上保持与动力输入轴具有相同的中心高度；所述动力输入轴上键内配有用于测量动力输入轴上扭矩的应变片，所述的应变片与外部信号处理器电连。

所述配水组件包括水槽、离心泵、进水管、出水管、排水管、涡轮流量计和球阀，所述离心泵的进水口通过管路引入所述的水槽中，所述的离心泵的出水口与所述的进水管的进水端相连，所述的进水管的出水端与所述的密封腔的进水口相连，所述的出水管的进水端与密封腔左端盖的试验出水管口相连，出水端引入所述的水槽内，所述排水管的进水端与密封腔体上的排水管口相连，出水端引入所述的水槽内，所述的试验出水管和排水管均由试验平台支架上的通孔支撑，整个试验过程实现测试用水的循环利用；所述的进水管路上设置有涡轮流量计，在进水管与出书管路上均设有球阀用来调节流量，整个进水管路由进水管支撑架支撑；配水组件的离心泵从水槽中抽取水通过进水管输送至密封腔体内，并通过进水管路上安装的球阀、涡轮流量计控制进水流量，进而控制第二试验样件上射流流速的大小。

所述的信号采集模块包括扭矩输出轴、梅花型联轴器、扭矩耦合器、键槽板、扭矩信号耦合器支座、动力输入轴及其输入轴上的键和应变片(应变片是用来测量动力输入轴上的扭矩的，进而可以求出第一试验样件上的扭矩，也是信号采集模块里的一种)，扭矩输出轴左端连接第二试验样件组件，右端连接梅花型联轴器；所述扭矩信号耦合器安装在扭矩信号耦合器支座上，扭矩信号耦合器支座安装在移动组件上，扭矩信号耦合器支座上安装有键槽板，扭矩信号耦合器一端安装在所述的键槽板上，键槽板对其一端实现周向固定，另一端与梅花型联轴器连接；在试验过程中第二试验样件受到的扭矩通过扭矩输出轴传递，被扭矩信号耦合器所测得，并传递至外部的信号处理器上，应变片扭矩信号采集是测量动力输入轴上键的扭矩。所述动力输入轴是空心旋转轴，动力输入轴与第一试验样件承载架之间通过键连接，键上安装有应变片。在试验过程中，动力输入轴带动第一试验样件组件旋转，在键上产生扭矩被应变片所测得，应变片上所测得的扭矩通过导线输出到外部的信号处理器上，导线安装在空心旋转轴的空腔内。

所述的密封腔组件包括密封腔体、密封腔左端盖和密封腔右端盖，所述的密封腔左端盖、密封腔右端盖分别密封安装在所述的密封腔体的两端面，形成用于容纳试验测试组件的密封腔；所述的密封腔左端盖设有用于安装在动力输出轴轴承上的中心孔；所述的密封腔右端盖设有用于安装在扭矩信号采集组件的扭矩输出轴上的中心孔；所述的密封腔体的侧壁设有进水口和用于与密封腔连通的排水总口，所述的密封腔左端盖设有用于与第二试验样件组件内腔连通的试验出水管口，所述的密封腔体的进水口与所述的配水装置的进水管连通，所述的排水总口、所述的试验出水管口分别通过排水管、出水管与所述的水槽连通。

所述的密封腔组件两端分别通过相应的磁流体密封组件与动力输出轴密封相连和扭矩信号采集组件的扭矩输出轴密封相连，所述的磁流体密封组件包括用于套接在动力输入轴或者扭矩输出轴上的轴套、磁流体密封元件以及同轴安放在轴套内部的轴承套，两个所述的轴套通过螺钉固连在密封腔左、右端盖上，所述的磁流体密封元件包括圆环形永久磁铁和极靴，每块极靴内壁上均设置有齿槽，与旋转件间隙间构成磁性回路，所述的旋转件为动力输入轴或者扭矩输出轴；所述的轴套内从外向内依次装入调整垫片、极靴、圆环形永久磁铁、极靴和调整垫片，所述的轴承套通过螺钉固连在轴套上，并通过轴承套端部的轴肩实现对磁流体密封元件的轴向固定；动力输入轴轴套与扭矩输出轴轴套均采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极靴均为过渡配合；磁流体由圆环形永久磁铁(N-S)，极靴和旋转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个“O”形环，将缝隙通道堵死达到密封的目的。磁流体密封因为是液体形成的密封，只要是在允许的压差范围内，可以实现零泄漏，并且是非接触式密封，不会在密封元件与旋转轴之间产生摩擦，因此可以提高扭矩测量的精确度，对系统测试结果无明显干扰。

所述的密封腔体侧壁设有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔上配有相应的密封螺栓。所述的密封腔左端盖内表面上设置有轴向圆台结构，在所述的第二试验样件左端盖和所述的密封腔左端盖圆台之间配有一套磁流体密封组件，其中第二试验样件左端盖的内孔与相应的磁流体密封组件的两块极靴过渡配合，两块极靴、圆台以及极靴与圆台之间的间隙形成磁性回路，形成密封在圆台上的磁性密封件；所述动力输入轴轴套与密封腔左端盖间采用O型密封圈密封，所述扭矩输出轴轴套与密封腔右端盖间也采用O型密封圈密封。

所述的动力输入轴是空心旋转轴，动力输入轴与第一试验样件承载架之间通过键连接，键上安装有的应变片；所述的应变片上所测得的扭矩通过导线输出到外部的信号处理器上，导线安装在空心旋转轴的空腔内。

所述移动组件包括移动支架、限位挡板、圆柱直齿轮、齿条固定板和齿条，所述扭矩耦合器支架与移动支架固连，所述密封腔右端盖与移动支架之间焊接有肋板固定，所述移动支架底部安装有圆柱直齿轮与所述齿条进行啮合；所述齿条焊在齿条固定板上，齿条固定板左右两端焊有限位挡板。采用齿轮齿条的传动结构，有利于传动时的平稳性，不损伤到腔壁，不破坏腔体重合后的密封性。所述齿条焊在齿条固定板上，齿条固定板左右两端焊有限位挡板，使整个移动组件在一定的范围内移动。每次做完试验后，如需更换试验样件，则先排出密封腔体内存留的水，待水排干净后拧开密封腔右端盖上的螺钉，将移动组件和焊在移动组件上的零件一起往外移，移到合适位置时，根据需要可灵活更换第一试验样件和第二试验样件，更换好试验样件后，将整个装置一起往前移动，固定好后，连接螺钉，开始下一次的试验。

所述第一试验样件为仿生非光滑表面结构，其中第一试验样件的仿生非光滑表面结构可以加工成规则的V型沟槽、矩形沟槽、椭圆型沟槽或者圆型沟槽等；所述第二试验样件设有射流孔形成仿生射流结构，其中所述的射流孔均匀布在试验样件表面，射流孔为具有相同直径的圆型通孔。

本试验装置可以同时进行基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试和基于水下的仿生射流表面减阻测试试验。本次试验装置采用的流体介质为水，环保无污染。为了使整个装置可以高效地运行，在密封腔体上端开设了用于可观察流体是否注满密封腔的螺纹孔。试验过程前，拧开进水管路上的球阀，拧开密封腔体上的密封螺栓，拧紧出水管路和排水管路上的球阀，同时电机处于关闭状态。试验过程中，离心泵将水抽送到密封腔体内，密封腔体内空气通过密封腔体上的螺纹孔排出，所述第二试验样件上设置有规则射流孔，通过一定的压强水经过射流孔压入射流内腔内，在第二试验样件内壁面上形成射流，当水注满密封腔内时，在密封腔体上拧上密封螺栓同时打开出水管路上的球阀，并且启动电机。电机带动第一试验样件旋转，第一试验样件处于高速旋转状态时，其内部流体将随之一同转动，并经过一段时间后，二者将以等速率绕其中心轴线旋转；内部运动的流体将与保持静止的第二试验样件之间发生相对运动，由于流体具有黏性，在运动时会产生一定的摩擦阻力，此阻力作用于第一试验样件外壁面和第二试验样件内壁面，第一试验样件上所受的扭矩的经由应变片测得，由导线传递至信号处理器上，第二试验样件内壁面上所受到的扭矩通过扭矩信号耦合器传递至信号处理器上。在射流试验过程中，进水管流量可以通过安装在管路中的球阀来调节，进水流量可由进水管路上的涡轮流量计读取，根据第二试验样件上总射流孔的面积来求得射流速度的大小，改变球阀开关程度可以改变射流速度的大小，为装置试验过程中的以不同射流速度射流并对比分析减阻性能的过程提供了可靠的依据。试验完成时拧开排水管道上的球阀可以排除密封腔体内多余的水，使其回流到水槽中，完成试验流体介质的重复利用。

本试验数据采集系统的信号处理器的测控软件件由LabVIEW编写。在做仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试实验时，电机通过皮带轮带动动力输入轴旋转，动力输入轴上的第一试验样件以相同的角速度旋转，第一试验样件受到流体的摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩被应变片所测得。试验过程中，第二试验样件内表面上受到流体的摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩通过扭矩输出轴被扭矩信号耦合器所测得。扭矩信号耦合器采集到的模拟信号经过变送器的转换、放大和滤波的处理，将传感器采集到的信号转换为能与数据采集模块连接的模拟信号，模拟信号经过数据采集模块进行A/D转换，转变为能被信号处理器储存的数字信号，储存在信号处理器中。

本发明的有益效果是：一次试验过程可以同时进行基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试和基于水下的仿生射流表面减阻测试试验。可以大大提高测试的效率。在做基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试试验时，试验样件可以加工成不同形状的表面结构，如凹坑结构，矩型结构，圆型凸起结构；或在试验表面涂覆图层。通过比较不同表面结构下的扭矩信号值得到不同表面结构的减阻效果。在做基于水下的仿生射流表面减阻测试试验时，第二试验样件可以加工成不同孔径大小、不同孔径排布、不同孔径形状的仿生结构试验板，通过比较不同工况下的扭矩信号值得到不同射流工况下的摩擦阻力大小，为得到最优的减阻射流表面提供有力的依据。同时可以改变射流流速的大小比较不同射流流速下扭矩值得到具有最优减阻效果的仿生射流减阻表面。并且第一试验样件上所测得的扭矩除了可以研究非光滑表面的摩擦阻力大小之外，将第一试验样件外表面和第二试验样件内表面加工成相同的表面结构，则试验结果可作为第二试验样件射流减阻的对比试验组，研究不同非光滑表面结构下射流表面的减阻效果。本发明数据采集系统使用方便，结构简单，且采用了磁流体密封元件，使得测量时的精确度可以大大提高。当试验结束时可以通过移动组件进行样件的更换，方便快捷，此过程可以大大提高测量效率，节约时间，降低使用成本。本试验采用的测试流体介质为水，整个过程中水都得以循环利用，环保无污染。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明的试验样件测试部件；

图3是动力输入轴端剖视图；

图4是本发明的第一试验样件测试组件；

图5是本发明的第二试验样件测试组件；

图6是本发明的磁流体密封组件；

图7是表面为椭圆型非光滑表面的第一试验样件；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，包括试验平台支架、试验测试组件、动力输入组件、扭矩信号采集组件、配水组件和移动组件，所述的动力输入组件、试验测试组件、移动组件和所述的配水组件安装在所述的试验平台支架上，所述的移动组件与所述的试验平台支架固接；所述动力输入组件通过皮带轮与所述的试验测试组件的动力输入端相连接，所述的第二试验测试组件的动力输出端与所述的扭矩信号采集组件连接；所述的扭矩信号采集组件安装在所述的移动组件上；所述配水组件的进水管与所述的密封腔的入水口管道连接，所述配水组件的出水管与所述密封腔的出水口管道连接，其特征在于：所述的试验测试组件包括第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件以及密封腔组件，所述的第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件均置于所述的密封腔组件内部，所述的第一试验样件测试组件同轴设置在第二试验样件测试组件内腔；所述第一试验样件测试组件包括第一试验样件、第一试验样件承载架、第一试验样件挡圈和轴端挡圈，所述第一试验样件承载架靠在动力输入轴的轴肩处，并通过动力输入轴轴肩和动力输入轴上的键实现轴向及周向定位，所述第一试验样件同轴套装在第一试验样件承载架外部，第一试验样件挡盖安装在第一试验样件承载架的端面上，实现对第一试验样件挡盖的轴向固定；

具体的，如图1所示，所述第一试验样件为仿生非光滑表面结构，所述第二试验样件为仿生射流结构。所述动力输入组件通过皮带轮与第一试验样件测试部件相连，所述第二试验样件测试部件与所述扭矩信号耦合器相连。如图2所示,所述第一试验样件测试组件和第二试验样件测试组件均安装在密封腔体内。所述的密封腔、所述的第二试验样件组件和所述的第一试验样件组件依次从外向内同轴排布形成三层的套筒式结构。所述第二试验样件上布置有规则的射流孔，试验过程中水可以通过射流孔进入射流内腔内，使第二试验样件表面充满水，一次即可实现基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试和基于水下的仿生射流表面减阻测试试验。

所述扭矩信号耦合器安装在移动组件上，所述配水组件的进水管与所述的密封腔的入水口管道连接，所述配水组件的出水管与所述密封腔的出水口管道连接，所述密封腔上有两个出水口管道，一个用于试验出水管口，一个用于更换试验样件用的排水管口，所述的第一试验样件测试部件、第二试验样件测试部件均采用磁流体进行密封，密封腔体采用密封垫片和O型密封圈密封进行密封。所述所有组件均安放在试验平台支架上。

所述的动力输入组件包括电机1、电机支撑座2、皮带轮3、皮带4、动力输入轴5。如图3所示，电机上的皮带轮3通过皮带轮定位螺钉将其在电机轴伸上定位，动力输入轴上的皮带轮3通过定位螺钉将其在动力输入轴上定位。将皮带4套在两个皮带轮上紧绷连接。电机1通过电机轴伸的旋转带动电机轴伸上的皮带轮3旋转进而将动力由皮带4传递至动力输入轴5上。电机1安装在电机支撑座2上保持与动力输入轴5具有相同的中心高度。

所述配水组件包括水槽58、离心泵57、进水管和出水管、涡轮流量计49，球阀。50所述离心泵57的进水口通过通过管路引入所述的水槽58中，所述的离心泵57的出水口与所述的进水管的进水端相连，所述的进水管的出水端与所述的密封腔的入水孔相连，所述的试验出水管的进水端与密封腔左端盖17的试验出水管口相连，出水端引入所述的水槽58内，所述排水管的进水端与密封腔体23上的排水管口相连，出水端引入所述的水槽58内，所述的试验出水管和排水管均由试验平台支架59上的通孔支撑，整个试验过程实现测试用水的循环利用。所述的进水管路上设置有涡轮流量计49，在进水管与出书管路上均设有球阀用来调节流量，整个进水管路由进水管支撑架34支撑。配水组件的离心泵57从水槽58中抽取水通过进水管输送至密封腔体内，并通过进水管路上安装的球阀50、涡轮流量计49控制进水流量，进而控制第二试验样件22上射流流速的大小。

如图3所示，所述第一试验样件测试组件包括第一试验样件28、第一试验样件承载架27、第一试验样件挡盖29、轴端挡圈30。所述第一试验样件承载架27套装在动力输入轴5右端通过轴肩进行轴向定位，通过键24进行周向定位，所述第一试验样件28套装在第一试验样件承载架27上，将第一试验样件挡盖29贴合在第一试验样件承载架27的右边通过螺钉将轴端挡圈30固定在第一试验样件挡盖29右端实现对第一试验样件挡盖29的轴向固定，进而实现对第一试验样件28的轴向固定。所述动力输入轴5为空心旋转轴，在键24上安装有应变片25，应变片25上连接有可以输出扭矩信号的导线，导线通过空心旋转轴5连出，可以将测试时产生的扭矩通过信号导线输入到外部信号处理器上。

如图4所示，第二试验样件组件包括第二试验样件22、第二试验样件左端盖21、第二试验样件右端盖32、轴端挡圈31。所述的第二试验样件左端盖21和第二试验样件右端盖32分别安装在第二试验样件22两端，通过螺钉固连在第二试验样件22两端，并且在第二试验样件22两端分别安放有密封垫片，起到密封的作用。所述的第二试验样件左端盖21外侧配有磁流体密封组件起到密封作用。第二试验样件右端盖32套接在扭矩输出轴45上，通过扭矩输出轴45的轴肩实现轴向固定，螺钉将轴端挡圈31固连在扭矩输出轴上，同时压紧第二试验样件右端盖32，通过压紧力实现对第二试验样件右端盖32的周向固定。

扭矩信号耦合器47实现对试验过程中第二试验样件22扭矩的采集，包括扭矩输出轴45、梅花型联轴器46、扭矩信号耦合器47、键槽板48、扭矩信号耦合器支座51。扭矩输出轴45左端连接第二试验样件组件，右端连接梅花型联轴器46。所述扭矩信号耦合器47安装在扭矩信号耦合器支座51上，扭矩信号耦合器支座51安装在移动组件上，扭矩信号耦合器支座51上安装有键槽板48，扭矩信号耦合器47一端安装在所述的键槽板48上，键槽板48对其一端实现周向固定，另一端与梅花型联轴器46连接。在试验过程中第二试验样件22受到的扭矩通过扭矩输出轴45传递，被扭矩信号耦合器47所测得，并传递至外部的信号处理器上。

应变片25扭矩信号采集是测量动力输入轴5上键24的扭矩。所述动力输入轴5是空心旋转轴，动力输入轴5与第一试验样件承载架27之间通过键24连接，键24上安装有应变片25。在试验过程中，动力输入轴5带动第一试验样件组件旋转，在键24上产生扭矩被应变片25所测得，应变片25上所测得的扭矩通过导线输出到外部的信号处理器上，导线安装在空心旋转轴5的空腔内。

由于试验过程中动力输入轴5和扭矩输出轴45作为扭矩信号的载体，要求在扭矩信号传递时尽可能地减少外部摩擦阻力对扭矩采集的影响。在动力输入轴5、扭矩输出轴45、第二试验样件左端盖21上采用磁流体密封，如图5所示。在密封腔体23上采用密封垫片密封。在密封腔体23与动力输入轴轴套10和扭矩输出轴轴套40间采用O型密封圈14密封。

磁流体密封元件由圆环形永久磁铁13、极靴12组成。每块极靴12内壁上均设置有齿槽，与旋转件间隙间构成磁性回路。磁流体由圆环形永久磁铁13(N-S)，极靴12和旋转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在动力输入轴5与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个“O”形环，将缝隙通道堵死达到密封的目的。磁流体密封因为是液体形成的密封，只要是在允许的压差范围内，可以实现零泄漏，并且是非接触式密封，不会在密封元件与旋转轴之间产生摩擦，因此可以提高扭矩测量的精确度，对系统测试结果无明显干扰。

动力输入轴5上的磁流体密封组件由安放磁流体密封元件的动力输入轴轴套10、磁流体密封元件、轴承套8组成。动力输入轴轴套10通过螺钉固连在密封腔左端盖17上，然后在动力输入轴轴套10内依次装入调整垫片11、极靴12、圆环形永久磁铁13、极靴12、调整垫片11，最后通过螺钉将轴承套8固连在动力输入轴轴套10上，实现对密封元件的轴向固定。

同理扭矩输出轴上磁流体密封组件也由扭矩输出轴轴套40、磁流体密封元件、轴承套41组成。扭矩输出轴轴套40通过螺钉固连在密封腔右端盖33上，然后在扭矩输出轴轴套40内依次装入调整垫片37、极靴38、圆环形永久磁铁39、极靴38、调整垫片37，最后通过螺钉将轴承套41固连在扭矩输出轴轴套40上，实现对密封元件的轴向固定。其中动力输入轴轴套10与扭矩输出轴轴套40均采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极靴均为过渡配合。

第二试验样件左端盖21上也设置有磁流体密封组件，在密封腔左端盖17内表面上设置有轴向圆台结构，在所述的第二试验样件左端盖21和所述的密封腔左端盖17圆台之间配有一套磁流体密封组件，其中第二试验样件左端盖21的内孔与相应的磁流体密封组件的两块极靴过渡配合，两块极靴19、圆台以及极靴19与圆台之间的间隙形成磁性回路，形成密封在圆台上的磁性密封件。

密封腔体23上采用密封垫片密封。所述密封腔包括带有入水孔的的密封腔体23、密封腔左端盖17、密封腔右端盖33。所述密封腔左端盖17、密封腔右端盖33分别密封安装在密封腔体23两端。所述密封腔体23上有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔上配有相应的密封螺栓26。所述密封腔左端盖17上设有轴向圆台，所述密封腔左端盖17的圆台和第二试验样件左端盖21配有一套磁流体密封组件。所述动力输入轴轴套10与密封腔左端盖17间采用O型密封圈14密封，所述扭矩输出轴轴套40与密封腔右端盖33间也采用O型密封圈密封。

所述移动组件包括移动支架53、限位挡板56、圆柱直齿轮52、齿条固定板54、齿条55。所述扭矩信号耦合器支座51与移动支架53固连，所述密封腔右端盖33与移动支架53之间焊接有肋板固定，所述移动支架53底部安装有圆柱直齿轮52与所述齿条55进行啮合，采用齿轮齿条的传动结构，有利于传动时的平稳性，不损伤到腔壁，不破坏腔体重合后的密封性。所述齿条55焊在齿条固定板54上，齿条固定板54左右两端焊有限位挡板56，使整个移动组件在一定的范围内移动。每次做完试验后，如需更换试验样件，则先排出密封腔体23内存留的水，待水排干净后拧开密封腔右端盖33上的螺钉，将移动组件和焊在移动组件上的零件一起往外移，移到合适位置时，根据需要可灵活更换第一试验样件28和第二试验样件22，更换好试验样件后，将整个装置一起往前移动，固定好后，连接螺钉，开始下一次的试验。

本试验装置可以同时进行基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试和基于水下的仿生射流表面减阻测试试验。本次试验装置采用的流体介质为水，环保无污染。为了使整个装置可以高效地运行，在密封腔体23上端开设了用于可观察流体是否注满密封腔的螺纹孔。试验过程前，拧开进水管路上的球阀，拧开密封腔体上的密封螺栓26，拧紧出水管路和排水管路上的球阀，同时电机1处于关闭状态。试验过程中，离心泵57将水抽送到密封腔体23内，密封腔体23内空气通过密封腔体上的螺纹孔排出，所述第二试验样件22上设置有规则射流孔，通过一定的压强水经过射流孔压入射流内腔内，在第二试验样件22内壁面上形成射流，当水注满密封腔内时，在密封腔体23上拧上密封螺栓26同时打开出水管路上的球阀，并且启动电机1。电机1带动第一试验样件28旋转，第一试验样件28处于高速旋转状态时，其内部流体将随之一同转动，并经过一段时间后，二者将以等速率绕其中心轴线旋转；内部运动的流体将与保持静止的第二试验样件22之间发生相对运动，由于流体具有黏性，在运动时会产生一定的摩擦阻力，此阻力作用于第一试验样件28外壁面和第二试验样件22内壁面，第一试验样件28上所受的扭矩的经由应变片25测得，由导线传递至信号处理器上，第二试验样件22内壁面上所受到的扭矩通过扭矩信号耦合器47传递至信号处理器上。在射流试验过程中，进水管流量可以通过安装在管路中的球阀来调节，进水流量可由进水管路上的涡轮流量计49读取，根据第二试验样件22上总射流孔的面积来求得射流速度的大小，改变球阀开关程度可以改变射流速度的大小，为装置试验过程中的以不同射流速度射流并对比分析减阻性能的过程提供了可靠的依据。试验完成时拧开排水管道上的球阀可以排除密封腔体23内多余的水，使其回流到水槽58中，完成试验流体介质的重复利用。

本试验数据采集系统的信号处理器的测控软件件由LabVIEW编写。在做仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试实验时，电机1通过皮带轮3带动动力输入轴5旋转，动力输入轴5上的第一试验样件28以相同的角速度旋转，第一试验样件28受到流体的摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩被应变片25所测得。试验过程中，第二试验样件22内表面上受到流体的摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩通过扭矩输出轴45被扭矩信号耦合器47所测得。扭矩信号耦合器47采集到的模拟信号经过变送器的转换、放大和滤波的处理，将传感器采集到的信号转换为能与数据采集模块连接的模拟信号，模拟信号经过数据采集模块进行A/D转换，转变为能被信号处理器储存的数字信号，储存在信号处理器中。

安装过程：第一试验样件组件的安装：首先在动力输入轴上安装好键，键上贴合应变片，应变片上导线由动力输入轴内的空心内腔引出。再在动力输入轴上套装第一试验样件承载架，在第一试验样件承载架上套装第一试验样件，然后在第一试验样件右端贴合第一试验样件挡盖，将轴端挡圈通过螺钉固连在动力输入轴上，利用螺钉的预紧力对第一试验样件挡盖实现紧固进而实现第一试验样件的紧固。

在试验平台支架上相应位置安装密封腔体，密封腔体通过肋板焊在试验平台支架上。通过螺钉将密封腔左端盖固连在密封腔体上，密封腔体与密封腔左端盖间存在密封垫片起密封作用，在密封腔左端盖相应位置安装深沟球轴承，利用螺钉将深沟球轴承端盖固连在密封腔左端盖上，实现对深沟球轴承的轴向定位。将之前连接好的第一试验样件组件从密封腔左端盖上的通孔从右往左装入，直到轴肩顶住深沟球轴承内圈。通过螺钉将动力输入轴轴套固连密封腔左端盖相应位置处，依次装入调整垫片、极靴、圆环形永久磁铁、极靴、调整垫片，最后通过螺钉将轴承套固连在动力输入轴轴套上，实现对密封元件的轴向固定。再在轴承套内装入两个深沟球轴承，动力输入轴轴肩对两个深沟球轴承的一端起到轴向固定，通过螺钉将轴承端盖固连在轴承套上，对深沟球轴承的另一端起到轴向固定。为了减轻密封腔左端盖上零配件对密封腔体的压力，通过肋板将密封腔左端盖焊接在试验平台支架上。

在试验品台支架相应位置处焊接电机支撑座，在电机支撑座上固接电机，在电机轴伸上通过螺钉固接皮带轮。在动力输出轴动力输入端通过螺钉固连皮带轮，在电机轴伸上的皮带轮与动力输入轴上的皮带轮之间连接有用于传送动力的皮带。

通过螺钉将第二试验样件左端盖与第二试验右端盖固连在第二试验样件的左右两端，在第二试验样件左右两端均存在密封垫片起密封作用。第二试验样件左端盖处安装一套磁流体密封组件，利用孔用弹性挡圈对磁流体密封元件起到轴向固定作用。将第二试验样件组件一起套装在扭矩输出轴上，通过螺钉将轴端挡圈固连在扭矩输出轴上，利用螺钉的预紧力压紧轴端挡圈同时对第二试验样件组件实现轴向固定和周向固定。

通过螺钉将扭矩输出轴轴套固连在密封腔右端盖上，密封腔右端盖与扭矩输出轴轴套间存在O型密封圈密封。依次在扭矩输出轴轴套内装入调整垫片、极靴、圆环形永久磁铁、极靴、调整垫片，通过螺钉将轴承套固连在扭矩输出轴轴套上，再装入深沟球轴承，通过螺钉将轴承端盖固连在轴承套上，且深沟球轴承右端的轴上存在轴用弹性挡圈对深沟球起着轴向固定作用。在密封腔右端盖相应位置上装入防水轴承，然后把已经装配好的第二试验样件组件从右往左装入密封腔右端盖通孔处。利用螺钉将这一部件固连在密封腔体上。

在试验平台支架上合适位置焊接齿条固定板，在齿条焊在齿条固定板上同时在齿条固定板前后两端焊接限位挡板。将圆柱直齿轮放置在齿条上，圆柱直齿轮与齿条进行啮合，采用齿轮齿条的传动结构移动，在圆柱直齿轮上安装有移动支架。移动支架上面安装有扭矩信号耦合器支架，通过螺钉将扭矩信号耦合器固连在扭矩信号耦合器支架上同时将键槽板固连在扭矩信号耦合器支架上，键槽板上开有通孔实现对扭矩信号耦合器一端的周向固定。移动移动组件到合适位置，在扭矩信号耦合器和扭矩输出轴两端连接梅花型联轴器。为了方便试验样件的更换，使第二试验样件组件顺利移除同时减轻第二试验样件对密封腔体的压力，利用肋板将密封腔右端盖焊在移动支架上。

在试验平台支架相应位置处安装有离心泵，通过进水管连接密封腔入水口和离心泵出水口，进水管上安装有涡轮流量计和球阀，进水管由进水管支撑架支撑。在离心泵和水槽之间安装有一根输水管。在密封腔体上安装有用于排水的排水管，排水管上安装有球阀。在密封腔左端盖上安装有用于试验排水的试验出水管，试验出水管上安装有球阀。试验出水管和排水管均引入水槽中，且试验出水管和排水管均由试验平台支架上相应位置的通孔支撑。

试验过程：本发明装置一次可同时进行基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试和基于水下的仿生射流表面减阻测试试验。试验过程前，拧开进水管路上的球阀，拧开密封腔体上的密封螺栓，拧紧出水管路和排水管路上的球阀，同时电机处于关闭状态。试验过程中，离心泵将水抽送到密封腔体内，密封腔体内空气通过密封腔体上的螺纹孔排出，所述第二试验样件上设置有规则射流孔，通过一定的压强水经过射流孔压入射流内腔内，在第二试验样件内壁面上形成射流，当水注满密封腔内时，在密封腔体上拧上密封螺栓同时打开出水管路上的球阀，并且启动电机。电机带动第一试验样件旋转，第一试验样件处于高速旋转状态时，其内部流体将随之一同转动，并经过一段时间后，二者将以等速率绕其中心轴线旋转；内部运动的流体将与保持静止的第二试验样件之间发生相对运动，由于流体具有黏性，在运动时会产生一定的摩擦阻力，此阻力作用于第一试验样件外壁面和第二试验样件内壁面，第一试验样件上所受的扭矩的经由应变片测得，由导线传递至信号处理器上，第二试验样件内壁面上所受到的扭矩通过扭矩信号耦合器传递至信号处理器上。在射流试验过程中，进水管流量可以通过安装在管路中的球阀来调节，进水流量可由进水管路上的涡轮流量计读取，根据第二试验样件上总射流孔的面积来求得射流速度的大小，改变球阀开关程度可以改变射流速度的大小，为装置试验过程中的以不同射流速度射流并对比分析减阻性能的过程提供了可靠的依据。试验完成时拧开排水管道上的球阀可以排除密封腔体内多余的水，使其回流到水槽中，完成试验流体介质的重复利用。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，得出最后结论。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.基于水下的多功能仿生减阻测试装置，包括试验平台支架、试验测试组件、动力输入组件、扭矩信号采集组件、配水组件和移动组件，其特征在于：所述的动力输入组件、试验测试组件、移动组件和所述的配水组件安装在所述的试验平台支架上，所述的移动组件与所述的试验平台支架固接；所述动力输入组件通过皮带轮与所述的试验测试组件的动力输入端相连接，所述的扭矩信号采集组件安装在所述的移动组件上；所述配水组件的进水管与密封腔的入水口管道连接，所述配水组件的出水管与密封腔的出水口管道连接，所述的试验测试组件包括第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件以及密封腔组件，所述的第一试验样件测试组件、第二试验样件测试组件均置于所述的密封腔组件内部，所述的第一试验样件测试组件同轴设置在第二试验样件测试组件内腔；所述第一试验样件测试组件包括第一试验样件、第一试验样件承载架、第一试验样件挡圈和轴端挡圈，所述第一试验样件承载架靠在动力输入轴的轴肩处，并通过动力输入轴轴肩和动力输入轴上的键实现轴向及周向定位，所述第一试验样件同轴套装在第一试验样件承载架外部，将第一试验样件挡盖贴合在第一试验样件承载架的右边通过螺钉将轴端挡圈固定在第一试验样件挡盖右端实现对第一试验样件挡盖的轴向固定，进而实现对第一试验样件的轴向固定；

所述的第二试验样件测试组件的动力输出端与所述的扭矩信号采集组件连接；所述的第二试验样件组件包括第二试验样件、第二试验样件左端盖、第二试验样件右端盖和轴端挡圈，所述的第二试验样件左端盖和第二试验样件右端盖分别密封安装在第二试验样件两端；第二试验样件右端盖同轴套接在扭矩输出轴伸入密封腔组件内腔的端部，并通过扭矩输出轴的轴肩实现轴向固定；螺钉将轴端挡圈固连在扭矩输出轴上，同时压紧第二试验样件右端盖，通过压紧力实现对第二试验样件右端盖的周向固定；

所述的扭矩信号采集组件包括扭矩信号耦合器、用于采集第二试验样件扭矩的信号采集模块、用于传递第二试验样件扭矩的扭矩输出轴以及用于采集第一试验样件扭矩的应变片，所述的扭矩信号耦合器安装在扭矩信号耦合器支座上；所述的扭矩输出轴的一端伸入所述的密封腔组件内部后安装第二试验样件；所述的扭矩输出轴与所述的密封腔组件之间密封连接；

所述的动力输入组件包括电机、电机支撑座、皮带轮、皮带和动力输入轴，电机轴伸与动力输入轴上各安装有皮带轮，两个皮带轮之间用皮带紧绷连接；所述的电机的轴伸通过皮带轮与所述的动力输入轴相连，电机安装在电机支撑座上保持与动力输入轴具有相同的中心高度；所述动力输入轴上键内配有用于测量动力输入轴上扭矩的应变片，所述的应变片与外部信号处理器电连。

2.如权利要求1所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述的密封腔组件包括密封腔体、密封腔左端盖和密封腔右端盖，所述的密封腔左端盖、密封腔右端盖分别密封安装在所述的密封腔体的两端面，形成用于容纳试验测试组件的密封腔；所述的密封腔左端盖设有用于安装在动力输出轴轴承上的中心孔；所述的密封腔右端盖设有用于安装在扭矩信号采集组件的扭矩输出轴上的中心孔；所述的密封腔体的侧壁设有进水口和用于与密封腔连通的排水总口，所述的密封腔左端盖设有用于与第二试验样件组件内腔连通的试验出水管口，所述的密封腔体的进水口与配水装置的进水管连通，排水总口、试验出水管口分别通过排水管、出水管与水槽连通。

3.如权利要求1所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述配水组件包括水槽、离心泵、进水管、出水管、排水管、涡轮流量计和球阀，所述离心泵的进水口通过管路引入所述的水槽中，所述的离心泵的出水口与所述的进水管的进水端相连，所述的进水管的出水端与密封腔的进水口相连，所述的出水管的进水端与密封腔左端盖的试验出水管口相连，出水端引入所述的水槽内，所述排水管的进水端与密封腔体上的排水管口相连，出水端引入所述的水槽内，所述的试验出水管和排水管均由试验平台支架上的通孔支撑，整个试验过程实现测试用水的循环利用；所述的进水管路上设置有涡轮流量计，在进水管与出水管路上均设有球阀用来调节流量，整个进水管路由进水管支撑架支撑；配水组件的离心泵从水槽中抽取水通过进水管输送至密封腔体内，并通过进水管路上安装的球阀、涡轮流量计控制进水流量，进而控制第二试验样件上射流流速的大小。

4.如权利要求1所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述的信号采集模块包括梅花型联轴器、键槽板、扭矩信号耦合器支座，扭矩输出轴左端连接第二试验样件组件，右端连接梅花型联轴器；扭矩信号耦合器支座安装在移动组件上，扭矩信号耦合器支座上安装有键槽板，扭矩信号耦合器一端安装在所述的键槽板上，键槽板对其一端实现周向固定，另一端与梅花型联轴器连接；在试验过程中第二试验样件受到的扭矩通过扭矩输出轴传递，被扭矩信号耦合器所测得，并传递至外部的信号处理器上。

5.如权利要求2所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述的密封腔组件两端分别通过相应的磁流体密封组件与动力输出轴、扭矩信号采集组件的扭矩输出轴密封相连，所述的磁流体密封组件包括用于套接在动力输入轴或者扭矩输出轴上的轴套、磁流体密封元件以及同轴安放在轴套内部的轴承套，两个所述的轴套通过螺钉固连在密封腔左、右端盖上，所述的磁流体密封元件包括圆环形永久磁铁和极靴，每块极靴内壁上均设置有齿槽，与旋转件间隙间构成磁性回路，所述的旋转件为动力输出轴或者扭矩输出轴；所述的轴套内从外向内依次装入调整垫片、极靴、圆环形永久磁铁、极靴和调整垫片，所述的轴承套通过螺钉固连在轴套上，并通过轴承套端部的轴肩实现对磁流体密封元件的轴向固定；动力输入轴轴套与扭矩输出轴轴套均采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极靴均为过渡配合。

6.如权利要求4所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述的密封腔体侧壁设有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔上配有相应的密封螺栓；所述的密封腔左端盖内表面上设置有轴向圆台结构，在所述的第二试验样件左端盖和所述的密封腔左端盖圆台结构之间配有一套磁流体密封组件，其中第二试验样件左端盖的内孔与相应的磁流体密封组件的两块极靴过渡配合，两块极靴、圆台结构以及极靴与圆台结构之间的间隙形成磁性回路，形成密封在圆台结构上的磁性密封件；所述动力输入轴的轴套与密封腔左端盖间采用O型密封圈密封，所述扭矩输出轴的轴套与密封腔右端盖间也采用O型密封圈密封。

7.如权利要求6所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述的动力输入轴是空心旋转轴，动力输入轴与第一试验样件承载架之间通过键连接，键上安装有应变片；所述的应变片上所测得的扭矩通过导线输出到外部的信号处理器上，导线安装在空心旋转轴的空腔内。

8.如权利要求1所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述移动组件包括移动支架、限位挡板、圆柱直齿轮、齿条固定板和齿条，所述扭矩耦合器支架与移动支架固连，密封腔右端盖与移动支架之间焊接有肋板固定，所述移动支架底部安装有圆柱直齿轮与所述齿条进行啮合；所述齿条焊在齿条固定板上，齿条固定板左右两端焊有限位挡板。

9.如权利要求1所述的基于水下的多功能仿生减阻测试装置，其特征在于：所述第一试验样件为仿生非光滑表面结构，其中第一试验样件的仿生非光滑表面结构加工成规则的V型沟槽、矩形沟槽、椭圆型沟槽或者圆型沟槽；所述第二试验样件设有射流孔形成仿生射流结构，其中所述的射流孔均匀布在试验样件表面，射流孔为具有相同直径的圆型通孔。