CN106525307B - 基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，包括试验平台支架、带密封腔的旋转测试部件、动力输入组件、配水组件、移动组件和信号处理组件，旋转测试部件包括旋转轴、旋转轴上的密封组件、密封腔组件以及试验样件测试组件，旋转轴安装在密封腔左端盖上的通孔上，落在密封腔组件的外部的旋转轴外端装有密封组件，落在密封腔组件内部的旋转轴内端安装有试验样件测试组件；旋转测试部件与动力输入组件、信号处理组件和移动组件具有相同的安装中心高度。本发明有益的效果是：实现对仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试试验以及基于在不同压力下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试试验，操作容易、节约时间、降低使用成本，精确度。

Description

基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置

技术领域

本发明涉及一种基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置。

背景技术

摩擦是能量损失的主要方式之一，物体在水下运动，阻力的70%~80%都是表面摩擦阻力。在高速运动时，摩擦阻力约占总阻力的40%左右。如何减少摩擦损失，节约能源是当今研究的热门项目。当前国内外的减阻方法包括以下几个方面：添加剂减阻、涂层减阻、微气泡减阻、沟槽减阻、联合减阻，此外，减阻方法还有壁面振动减阻、随行波减阻、形体减阻、磁减阻、泥沙减阻等。经过几十年的研究学者的努力，特别是湍流理论方面的发展，使得减阻技术的进一步研究和应用取得了突破性的进展。自然界的生物经历了近亿年的进化过程，具备了适应环境的非光滑表面结构，大部分结构具备降低其表面摩擦阻力系数的能力，所以可以通过对生物表面的研究，设计生产减阻效果更好的结构。

目前仿生非光滑表面减阻的研究已经日益成熟，如在生活中，瑞典设计师基于荷叶的原理，设计出自洁式盘子，无需手洗。基于鲨鱼皮表面设计出来的泳衣，大大提高了比赛时游泳的速度。在能源生产中，仿生非光滑表面减阻在油气管道和泵叶片中的应用，很大程度的减少了运输过程中的阻力，提高了运送管道中的压力和速度。德国科学家仿鲨鱼皮表面涂层，使得叶片的升阻比提高超过了30%。在农业中，仿土壤动物的推土机能够有效的降粘减阻，减少能量消耗，提高生产效率。军事上，已经用于潜艇，飞机以及航空科技等表面，能够更加有效的提升飞行以及航行速度。因此仿生减阻技术总的发展趋势是：仿生非光滑表面拥有更佳的减阻效果，以便于在日常生活中减少磨损，提高能源的使用效率。因而一套精准高效的测试平台对非光滑表面减阻的研究显得越来越重要。

目前减阻测试装置可以分为三类，这三类分别是：水洞试验装置、风洞试验装置、水槽（水池）试验装置。基于水下的仿生非光滑表面减阻的研究，大多是通过结合减阻试验的研究成果再将其投入到实际的工程运用中，基于以上背景，一套准确并有效的试验平台在理论研究工作中就显得颇为重要。假如采用传统的试验装置在生产线上进行试验，则所需的试验费用非常高，周期长，风险大且数据离散不精确。而小型的基于水下的仿生非光滑表面摩擦减阻测试装置具有可控性强，数据可靠，试验简单方便的特点。

发明内容

为了解决目前的减阻测试装置试验费用非常高，周期长，风险大且数据离散不精确的问题，本发明提出了一种可控性强，数据可靠，试验简单方便的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置。

本发明所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，包括试验平台支架、带密封腔的旋转测试部件、动力输入组件、配水组件、移动组件和信号处理组件，所述的旋转测试部件、动力输入组件以及配水组件都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第一联轴器与所述的信号处理组件的动力输入端连接，所述信号处理组件的动力输出端通过第二联轴器与所述旋转测试部件的旋转轴一端相连接，旋转测试部件另一端安装移动组件；所述配水组件的进水管与所述旋转测试部件的入水孔管道连接，所述配水组件的出水管与所述的旋转测试部件的出水孔管道相连接，其特征在于：所述的旋转测试部件包括旋转轴、旋转轴上的密封组件、密封腔组件以及置于密封腔组件内部的试验样件测试组件，所述旋转轴安装在密封腔左端盖上的通孔上，落在密封腔组件的外部的旋转轴外端装有密封组件，落在密封腔组件内部的旋转轴内端安装有试验样件测试组件；所述的旋转测试部件与动力输入组件、信号处理组件和移动组件具有相同的安装中心高度；

所述密封组件为磁流体密封，包括圆环形永久磁铁、两块与永久磁铁相配合并相同的极靴，每块极靴内壁上有齿槽；两块极靴、形成相对运动的旋转件以及极靴与旋转件之间的间隙构成磁性回路，形成在旋转件上的磁性密封；整个密封组件安放在轴套内，所述轴套通过螺钉固连在密封腔左端盖上；密封组件左右两端分别放置有调整垫片，所述密封组件左端放置有轴承套对密封组件起到轴向固定的作用，所述轴承套通过螺钉固连在轴套上的相应位置；所述轴承端盖通过螺钉固连在轴承套上相应位置对旋转轴上的角接触球轴承起到轴向定位作用，所述轴承端盖上开有阶梯型凹槽密封结构；

所述密封腔组件包括带有入水孔和出水孔的密封腔、密封腔左端盖和密封腔右端盖，所述密封腔上开有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔配有相应的密封螺栓；密封腔左端盖、密封腔右端盖分别与密封腔两端面密封固接；所述密封腔左端盖的内端面通孔外圈设有用于安放推力球轴承的环形圆台结构，推力球轴承端盖安装在圆台形结构端面；所述的密封腔右端盖上设有用于安装施压支架的光孔；整个密封腔组件安装在试验平台支架上的相应部位；

所述试验样件测试组件包括试样承载架、试样挡盖、轴端挡圈、第一试验样件、第二试验样件和用于按压在第二试验样件表面的施压支架，所述试验样件测试组件除了施压支架外均安装在旋转轴内端部；所述试样承载架套装在旋转轴内端外壁并通过轴肩和连接键固接；所述第一试验样件套在试样承载架外壁并与之固接，所述的试样挡盖通过轴端挡圈与旋转轴内端面固接，实现第一试验样件的轴向定位；所述第二试验样件与试样挡盖固接；所述的施压支架与所述的密封腔右端盖密封滑动连接并且所述的施压支架外端的施力端面上设有压力传感器。

所述移动组件包括螺杆支撑座、螺杆、手柄、移动支架、圆柱直齿轮、用于与圆柱直齿轮啮合的齿条和齿条固定板，所述螺杆支撑座通过螺栓固连在密封腔右端盖外壁，所述的螺杆与所述的螺杆支撑座螺接，并且所述的螺杆内端与压力传感器位置对应，螺杆右端固连手柄；所述的移动支架上部通过螺栓与所述的螺杆支撑座固连，所述移动支架底部安装有圆柱直齿轮；所述齿条焊在预固定在试验平台支架相应位置的齿条固定板上，齿条固定板左右两端焊有限位挡板。

所述动力输入组件包括电机、第一联轴器和电机支撑架，电机通过螺栓固连在电机支撑架上，电机支撑架安装在试验平台支架上的相应位置；电机的输出轴通过第一联轴器与所述的信号处理组件连接。

所述信号处理组件包括扭矩信号耦合器、扭矩信号耦合器支架和第二联轴器，所述扭矩信号耦合器通过螺钉固连在扭矩信号耦合器支架上，扭矩信号耦合器支架通过螺钉固连在电机支撑架上的相应位置；扭矩信号耦合器左接第一联轴器，右接第二联轴器。

所述的配水组件包括水槽、离心泵、进水管和出水管，所述的离心泵的进水口通过管路引入所述的水槽内，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入水孔相连，所述的出水管的进水端与密封腔的出水孔连通，所述的出水管的出水端引入所述的水槽内，实现测试用水的循环；所述的出水管上设有球阀；所述密封腔进水管路利用钢管支撑架支撑。

所述的施压支架包括用于按压在第二试验样件端面上的按压面、至少一根用于与密封腔右端盖滑动连接的压杆以及用于与移动组件的施力部接触的受力面，所述的压杆贯穿密封腔右端盖上的光孔，并且所述的按压面与压杆内端固接，受力面与压杆外端固接，使得所述的按压面始终位于所述的密封腔内腔，受力面位于所述的密封腔外部，实现试验支架与密封腔右端盖密封滑动连接。

所述轴套采用非导磁材料的铝合金制成。

所述的第一联轴器和第二联轴器均为弹性柱销联轴器。

所述第一试验样件和第二试验样件均为聚四氟乙烯材料。

本发明中的密封组件为磁流体密封，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，使其形成一个的“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，可以提高扭矩耦合器测量的精确度。轴套采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极靴过渡配合。实验开始前，在水槽中注满水，盖上盖板。同时，关闭腔体下端排水管道的阀门，并且拧开腔体上端的螺栓。准备妥善后启动水泵，将水通过输水管道输送到密封腔体内，腔体内的空气通过螺纹孔排出，随着液体的不断注入，当水漫过螺纹孔时，关闭水泵，并将螺栓重新拧紧。此时，打开另一端的电机，带动旋转轴旋转，完成仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试实验。待所有试验结束后，拧开密封腔体下端的排水管道球阀，水在重力的作用下将全部流回到水槽中，实现水的循环利用。腔体内选用的材料均为防水防锈材质，为安全起见，定期打开腔体进行维护保养，以避免生锈。试验中的水在本试验中达到了循环使用的标准，绿色、环保、无污染。如果需要在有外加压力条件下进行，则选用对应的试验样件，并且通过手摇手柄缓缓推动施压支架给予试验样件表面一定压力，由于螺杆的自锁能力，能够使试验样件表面始终存在恒定压力，通过扭矩信号耦合器测出该种恒压条件下的扭矩。当需要更换不同表面结构的试样样件时，拧出腔体右端的螺栓，通过移动组件下面的齿轮齿条啮合传动，将整体的密封腔右端盖以及施压装置向外移动，此时更换试验样件，待试验样件更换好后，将平台往回移动，再拧上螺栓，便可进行下一组试验。

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，电机通过扭矩耦合器带动旋转轴旋转，旋转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通过旋转轴被扭矩信号耦合器所测得。在做有外加压力下的摩擦阻力测试试验时，第二试验样件受到施压支架对其的压力，在第二试验样件旋转表面产生摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩通过旋转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。

本发明有益的效果是：本装置能够实现对仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试试验以及基于在不同压力下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试试验。在做仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试试验时，试验样件可以加工成不同脊状结构，如凹坑结构、凸起结构、矩型结构等；或在试验样件表面涂覆涂层。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，得到不同表面结构的减阻效果，研究仿生非光滑表面结构的减阻特性；在做基于在不同压力下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试试验时，可以比较在不同压力下不同结构的非光滑表面的扭矩大小，进而比较不同工况下的减阻效果。本试验装置数据采集系统结构简单，操作容易，测试准确。当某种情况试验样件试验完成后，只需更改试验样件即可，本试验装置设计移动组件用于试验样件的更换，此更换过程简单、操作容易、节约时间、降低使用成本；供水部分通过协调离心泵、PVC球阀可以实现水的循环利用，且试验流体介质为水，环保无污染；在回转动密封处采用磁流体密封，具有其寿命长、无磨损、可以实现零泄漏、不会产生密封元件与旋转轴的摩擦，因此可以提高扭矩测量的精确度。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明带有椭圆型凸起非光滑表面的第一试验样件。

图4a是本发明带有椭圆型凸起非光滑表面的第二试验样件。

图4b是图4a的剖视图。

图5是本发明的旋转测试部件的结构图。

图6是本发明的移动组件结构图。

图7是本发明的密封组件的结构图。

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 实施本发明所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，包括试验平台支架、带密封腔的旋转测试部件、动力输入组件、配水组件、移动组件和信号处理组件，所述的旋转测试部件、动力输入组件以及配水组件都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焊接；所述动力输入组件通过第一联轴器与所述的信号处理组件的动力输入端连接，所述信号处理组件的动力输出端通过第二联轴器与所述旋转测试部件的旋转轴一端相连接，旋转测试部件另一端安装移动组件；所述配水组件的进水管与所述旋转测试部件的入水孔管道连接，所述配水组件的出水管与所述的旋转测试部件的出水孔管道相连接，

如图5所示，所述旋转测试部件包括旋转轴25、旋转轴上的密封组件、密封腔组件、试验样件测试组件。所述旋转轴25通过密封腔左端盖17上的通孔安装在密封腔左端盖相应位置上，旋转轴左端装有密封组件，右端安装有试验样件测试组件，整个试验样件测试组件安放在密封腔组件内部。旋转测试部件利用肋板50焊在试验平台支架2上，并保持与动力输入组件、信号处理组件和移动组件具有相同的安装中心高度。

如图7所示，所述密封组件为磁流体密封，包括圆环形永久磁铁、两块与永久磁铁相配合的相同的极靴13，每块极靴内壁上有齿槽；两块极靴、形成相对运动的旋转件以及极靴与旋转件之间的间隙构成磁性回路，形成在旋转件上的磁性密封。整个密封组件安放在轴套12内，所述轴套12通过螺钉固连在密封腔左端盖17上。密封组件左右两端分别放置有调整垫片，所述密封组件左端放置有轴承套11对密封组件起到轴向固定的作用，所述轴承套通11过螺钉固连在轴套12上的相应位置。所述轴承端盖8通过螺钉固连在轴承套11上相应位置对旋转轴25上的角接触球轴承10起到轴向定位作用，所述轴承端盖8上开有阶梯型凹槽密封结构，防止外部粉尘进入影响角接触球轴承10的使用寿命。

所述密封腔组件包括带有进水孔和出水孔的密封腔19、密封腔左端盖17和密封腔右端盖29。所述密封腔19上开有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔配有相应的密封螺栓23。所述密封腔左端盖17与密封腔右端盖29分别安装在密封腔19的两端。密封腔左端盖17和密封腔右端盖29通过螺钉固连在密封腔体19上，密封腔左端盖17和密封腔右端盖29与密封腔19接触部分装有密封垫片，利用密封螺栓的预紧力压紧密封垫片来进行密封。所述密封腔左端盖17上设置有环形圆台结构用来安放推力球轴承15，并利用螺钉将推力球轴承端盖16固连在密封腔左端盖17圆台形结构的相应位置，对推力球轴承15起到轴向定位的作用。所述密封腔右端盖29上开有用于安放施压支架30的通孔，每根施压支架30的压杆穿过密封腔右端盖通孔上的相应位置，每个通孔上配有o型密封圈进行密封。所述密封腔右端盖29上开有用于螺栓31连接螺杆支撑座的光孔，每个光孔上配有相应的螺栓31，并利用密封垫片对光孔进行密封。整个密封腔组件通过肋板50焊在试验平台支架2上的相应部位。

所述试验样件测试组件包括试样承载架24、试样挡盖26、轴端挡圈28、第一试验样件22如图3所示、第二试验样件27如图4所示、施压支架30。所述试验样件测试组件除了施压支架30外均安装在旋转轴25右端相应位置上。所述试样承载架24套装在旋转轴25右端通过轴肩进行轴向固定，试样承载架24与旋转轴25之间连有键18对试样承载架24进行周向固定。所述第一试验样件22套在试样承载架24上，将试样挡盖26安放在第一试验样件22右侧相应位置，并通过螺钉将轴端挡圈28固连在旋转轴25上对试样挡盖26起轴向固定作用，从而实现第一试验样件22的固定。所述第二试验样件27通过螺钉固连在试样挡盖26上。所述施压支架30安装在密封腔右端盖29相应位置处，通过o型密封圈对施压支架30的压杆进行密封，施压支架30可通过移动组件上螺杆36受力进行左右的移动，给第二试验样件27表面施加压力，所述螺杆施压面34上安装有压力传感器35，可接收试验时第二试验样件27上所受的力，对不同受力情况下的仿生非光滑表面摩擦阻力进行测试。

如图6所示，所述移动组件包括螺杆支撑座32、螺杆36、手柄37、移动支架39、限位挡板40、圆柱直齿轮41、齿条固定板42、齿条43。所述螺杆支撑座32通过螺栓36固连在密封腔左端盖17上，螺杆支撑座32上通过螺钉固连着带有内螺纹的螺母38，所述螺母38与螺杆36的螺纹进行配合，螺杆36右端固连手柄37，通过手柄37的转动使螺杆36左右移动。螺杆支撑座32通过螺栓与移动支架39固连，所述移动支架39底部安装有圆柱直齿轮41与所述齿条43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43焊在齿条固定板42上，齿条固定板42左右两端焊有限位挡板40，使整个移动组件在一定的范围内移动。

如图1和图2所示，所述动力输入组件包括电机3、第一联轴器4和电机支撑架51，电机3通过螺栓固连在电机支撑架51上，电机支撑架51安放在试验平台支架2上的相应位置，通过焊接固连在试验平台支架2上；电机3轴伸连接第一联轴器4左端，第一联轴器4右端连接所述的信号处理组件。所述信号处理组件包含信号扭矩耦合器6、扭矩信号耦合器支架5、第二联轴器7；所述扭矩信号耦合器6通过螺钉固连在扭矩信号耦合器支架5上，扭矩信号耦合器支架5通过螺钉固连在电机支撑架51上的相应位置；扭矩信号耦合器左接第一联轴器4，右接第二联轴器7。

所述信号处理组件包括扭矩信号耦合器、扭矩信号耦合器支架和第二联轴器，所述扭矩信号耦合器通过螺钉固连在扭矩信号耦合器支架上，扭矩信号耦合器支架通过螺钉固连在电机支撑架上的相应位置；扭矩信号耦合器左接第一联轴器，右接第二联轴器。

所述的配水组件包括水槽48、离心泵47、进水管20和出水管，所述的离心泵的进水口通过管路引入所述的水槽48内，所述的离心泵47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，所述的出水管的进水端与密封腔的出水孔连通，所述的出水管的出水端引入所述的水槽48内，实现测试用水的循环；所述的出水管上设有球阀49。所述密封腔进水管20路利用钢管支撑架33支撑。

所述的施压支架包括用于按压在第二试验样件端面上的按压面、至少一根用于与密封腔右端盖滑动连接的压杆以及用于与移动组件的施力部接触的受力面，所述的压杆贯穿密封腔右端盖上的光孔，并且所述的按压面与压杆内端固接，受力面与压杆外端固接，使得所述的按压面始终位于所述的密封腔内腔，受力面位于所述的密封腔外部，实现试验支架与密封腔右端盖密封滑动连接。

所述的第一联轴器4和第二联轴器7均为弹性柱销联轴器。

所述第一试验样件22和第二试验样件27均为聚四氟乙烯材料。

所述轴套12采用非导磁材料的铝合金制成。

上述结构中：1、9、14、44代表螺栓。

本发明中的密封组件为磁流体密封，由圆环形永久磁铁(N-S)，极靴13和旋转轴25所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在旋转轴25与极靴13顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个的“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，可以提高扭矩耦合器测量的精确度。轴套12采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极靴过渡配合。实验开始前，在水槽48中注满水，盖上盖板。同时，关闭排水管道上的球阀49，并且拧开密封腔体上端的螺栓23。准备妥善后启动离心泵47，将水通过输水管道输送到密封腔体内，腔体内的空气通过螺纹孔排出，随着液体的不断注入，当水漫过螺纹孔时，关闭离心泵47，并将螺栓23重新拧紧。此时，打开另一端的电机3，带动旋转轴25旋转，完成仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试实验。如果需要在有外加压力条件下进行，则选用对应的试验样件，并且通过手摇手柄37缓缓推动施压支架30给予第二试样27表面一定压力，由于螺杆36的自锁能力，能够使第二试验样件27表面始终存在恒定压力，通过扭矩信号耦合器6测出该种条件下的摩擦力。当需要更换不同表面结构的试样样件时，拧出密封腔体右端的螺栓，通过移动组件下面的齿轮41齿条42啮合传动，将整体的密封腔右端盖29壁面以及施压装置向外移动，此时更换试验样件，待试验样件更换好后，将移动组件往回移动，当密封腔右端盖29与密封腔19将密封垫片压紧贴合后，再拧上螺栓，便可进行下一组试验。待所有实验结束后，拧开密封腔体下端的排水管道上的球阀49，水在重力的作用下将全部流回到水槽48中。密封腔选用的材料均为防水防锈材质，为安全起见，定期打开腔体进行维护保养，以避免生锈。试验中的水在本试验中达到了循环使用的标准，绿色、环保、无污染。

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3通过扭矩耦合器6带动旋转轴25旋转，与旋转轴25相连接的第一试验样件22以相同的角速度旋转，第一试验样件22受到流体的摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩通过旋转轴25被扭矩信号耦合器6所测得。在做有外加压力下的摩擦阻力测试试验时，第二试验样件27受到施压支架30对其的压力，在第二试验样件27旋转表面产生摩擦阻力，摩擦阻力转化成扭矩通过旋转轴25被扭矩信号耦合器6所测得。扭矩信号耦合器6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：旋转测试部件的安装：在旋转轴上通过键连接试样承载架，再套入第一试验样件，在第一试验样件的右端贴合试样挡盖，通过螺钉把轴端挡圈压紧在试样挡盖上，从而实现对试样挡盖的固定。第二试验样件通过螺钉固连在试样挡盖上。试样承载架由轴肩和试样挡盖实现轴向固定，通过键实现周向固定。第一试验样件通过试样挡盖的压紧力实现固定。将密封腔通过肋板焊在试验平台支架上的相应位置，通过螺钉将密封腔左端盖固连在密封腔体上，密封腔与密封腔左端盖之间有密封垫片密封，将推力球轴承放置在密封腔左端盖相应位置的圆台处利用螺钉将推力球轴承端盖固连在密封腔左端盖圆台相应位置处，实现对推力球轴承的轴向固定。将之前安装好试验样件的旋转轴从密封腔左端盖的右边装入，再利用螺钉将轴套固连在密封腔左端盖上，在轴套内放入密封组件，通过螺钉将轴承套固连在轴套上，实现对密封组件的轴向固定。在轴承套内放入角接触球轴承，通过螺钉将轴承端盖固连在轴承套上，利用轴肩和轴承端盖实现对角接触球轴承的轴向固定。将压杆焊接在施压面上，穿过密封腔右端盖上相应位置上的光孔，光孔处安装有o型密封圈对压杆起着密封作用，利用螺钉将螺杆施压面固连在压杆上，螺杆施压面上安装有压力传感器，可以实时测量试验过程中螺杆施加的压力。通过螺栓将螺杆支撑座固连在密封腔右端盖相应位置处，螺栓的螺母处安放有密封垫片，利用螺栓预紧力压紧密封垫片起到密封作用。利用螺钉将螺母固连在螺杆支撑座上，利用螺母内螺纹旋入螺杆，在螺杆右端安装手柄。通过螺钉将装配好的密封腔右端盖部分固连在密封腔体上，密封腔右端盖与密封腔中间安装有密封垫片起着密封作用。

将齿条固定板焊接在试验平台支架上的相应位置，在齿条固定板前后两端焊接限位挡板，使整个移动组件在一定范围内移动，再在齿条固定板上面焊接齿条，在齿条上放置圆柱直齿轮，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。将移动支架移动到相应位置通过螺钉使移动支架固连在螺杆支撑架上。

在试验平台支架上相应位置焊接电机支撑架，利用螺钉将扭矩耦合器支撑架固连在电机支撑架上，通过第二联轴器连接旋转轴和扭矩耦合器，将扭矩耦合器安装在扭矩耦合器上支撑座。扭矩耦合器的另一端通过第一联轴器连接电机轴伸，电机通过螺钉固连在电机支撑座上相应位置。确保动力输入组件、信号处理组件、旋转测试部件和移动组件具有相同的中心高度。

在装配配水组件时，密封腔进水管路通过一端带有外螺纹的PVC管连接在密封腔上，密封腔进水管另一端连接在离心泵的出水管道上。离心泵进水管出口连接在离心泵进口处，离心泵进水管进口放置在水槽中。通过离心泵将水槽中的水输送进入密封腔中。密封腔出水管一端连接在密封腔的出水口处，另一端放置在水槽中，实现水的循环利用。密封腔进水管路通过钢管支撑架支撑，密封腔出水管路通过试验平台支架上略大的通孔支撑，分担整个管路的重量，便于管件的稳定性。密封腔上有用于排气的螺纹孔。

当做基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试时。实验开始前，在水槽中注满水，盖上盖板。同时，关闭密封腔下端排水管道的球阀，并且拧开密封腔体上端的螺栓。准备妥善后启动水泵，将水通过输水管道输送到密封腔体内，腔体内的空气通过螺纹孔排出，随着液体的不断注入，当水漫过螺纹孔时，关闭水泵，并将螺栓重新拧紧。此时，打开另一端的电机，带动旋转轴旋转。试验过程中通过变频调节电机在几组不同转速情况下，将不同转速下对应的扭矩信号耦合器所测得的信号值，通过变送器对信号进行放大滤波后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值存储在计算机中。完成仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试试验后，拧开球阀将水排回到水槽中，实现水的循环利用，然后拧开密封腔右端盖上的螺钉，移动移动组件，更换具有不同仿生结构的第一试验样件，重新将密封腔右端盖固连在密封腔体上后，开始下一次的仿生非光滑表面在水环境下的摩擦阻力测试。比较不同仿生试验样件的摩擦系数。

在做有外加压力条件下仿生非光滑表面摩擦阻力测试时，此时不需要往密封腔内注水。选用对应的第二试验样件，并且通过手摇手柄缓缓推动施压支架给予第二试验样件表面一定压力，由于螺杆的自锁能力，能够使样件表面始终存在恒定压力，压力通过螺杆试验面上的压力传感器测得，通过扭矩信号耦合器测出该恒压条件下的扭矩。将不同压力下对应的扭矩信号耦合器所测得的信号值，通过变送器对信号进行放大滤波后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值存储在计算机中。当需要更换不同的表面结构的试样样件时，拧出腔体右端的螺栓，通过移动组件下面的齿轮齿条啮合传动，将整体的壁面以及施压装置向外移动，此时更换第二试验样件，待第二试验样件更换好后，将平台往回移动，再拧上螺栓，便可进行下一组有外加压力条件下仿生非光滑表面摩擦阻力测试试验。 通过计算机记录的试验数据可以比较不同仿生试验样件的摩擦系数。

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.基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，包括试验平台支架、带密封腔的旋转测试部件、动力输入组件、配水组件、移动组件和信号处理组件，所述的旋转测试部件、动力输入组件以及配水组件都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第一联轴器与所述的信号处理组件的动力输入端连接，所述信号处理组件的动力输出端通过第二联轴器与所述旋转测试部件的旋转轴一端相连接，旋转测试部件另一端安装移动组件；所述配水组件的进水管与所述旋转测试部件的入水孔管道连接，所述配水组件的出水管与所述的旋转测试部件的出水孔管道相连接，其特征在于：所述的旋转测试部件包括旋转轴、旋转轴上的密封组件、密封腔组件以及置于密封腔组件内部的试验样件测试组件，所述旋转轴安装在密封腔左端盖上的通孔上，落在密封腔组件的外部的旋转轴外端装有密封组件，落在密封腔组件内部的旋转轴内端安装有试验样件测试组件；所述的旋转测试部件与动力输入组件、信号处理组件和移动组件具有相同的安装中心高度；

所述密封组件为磁流体密封，包括圆环形永久磁铁、两块与永久磁铁相配合并相同的极靴，每块极靴内壁上有齿槽；两块极靴、形成相对运动的旋转件以及极靴与旋转件之间的间隙构成磁性回路，形成在旋转件上的磁性密封；整个密封组件安放在轴套内，所述轴套通过螺钉固连在密封腔左端盖上；密封组件左右两端分别放置有调整垫片，所述密封组件左端放置有轴承套对密封组件起到轴向固定的作用，所述轴承套通过螺钉固连在轴套上的相应位置；轴承端盖通过螺钉固连在轴承套上相应位置对旋转轴上的角接触球轴承起到轴向定位作用，所述轴承端盖上开有阶梯型凹槽密封结构；

所述密封腔组件包括带有入水孔和出水孔的密封腔、密封腔左端盖和密封腔右端盖，所述密封腔上开有用于排气的螺纹孔，所述螺纹孔配有相应的密封螺栓；密封腔左端盖、密封腔右端盖分别与密封腔两端面密封固接；密封腔左端盖和密封腔右端盖与密封腔接触部分装有密封垫片，利用密封螺栓的预紧力压紧密封垫片来进行密封；所述密封腔左端盖的内端面通孔外圈设有用于安放推力球轴承的环形圆台结构，推力球轴承端盖安装在圆台形结构端面；所述的密封腔右端盖上设有用于安装施压支架的光孔，每根施压支架的压杆穿过密封腔右端盖通孔上的相应位置，每个通孔上配有o型密封圈进行密封；整个密封腔组件通过肋板焊在试验平台支架上的相应部位；

所述试验样件测试组件包括试样承载架、试样挡盖、轴端挡圈、第一试验样件、第二试验样件和用于按压在第二试验样件表面的施压支架，所述试验样件测试组件除了施压支架外均安装在旋转轴内端部；所述试样承载架套装在旋转轴内端外壁并通过轴肩和连接键固接；所述第一试验样件套在试样承载架外壁并与之固接，所述的试样挡盖通过轴端挡圈与旋转轴内端面固接，实现第一试验样件的轴向定位；所述第二试验样件与试样挡盖固接；所述的施压支架与所述的密封腔右端盖密封滑动连接并且所述的施压支架外端的施力端面上设有压力传感器。

2.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述移动组件包括螺杆支撑座、螺杆、手柄、移动支架、圆柱直齿轮、用于与圆柱直齿轮啮合的齿条和齿条固定板，所述螺杆支撑座通过螺栓固连在密封腔右端盖外壁，所述的螺杆与所述的螺杆支撑座螺接，并且所述的螺杆内端与压力传感器位置对应，螺杆右端固连手柄；所述的移动支架上部通过螺栓与所述的螺杆支撑座固连，所述移动支架底部安装有圆柱直齿轮；所述齿条焊在预固定在试验平台支架相应位置的齿条固定板上，齿条固定板左右两端焊有限位挡板。

3.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述动力输入组件包括电机、第一联轴器和电机支撑架，电机通过螺栓固连在电机支撑架上，电机支撑架安装在试验平台支架上的相应位置；电机的输出轴通过第一联轴器与所述的信号处理组件连接。

4.如权利要求3所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述信号处理组件包括扭矩信号耦合器、扭矩信号耦合器支架和第二联轴器，所述扭矩信号耦合器通过螺钉固连在扭矩信号耦合器支架上，扭矩信号耦合器支架通过螺钉固连在电机支撑架上的相应位置；扭矩信号耦合器左接第一联轴器，右接第二联轴器。

5.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述的配水组件包括水槽、离心泵、进水管和出水管，所述的离心泵的进水口通过管路引入所述的水槽内，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入水孔相连，所述的出水管的进水端与密封腔的出水孔连通，所述的出水管的出水端引入所述的水槽内，实现测试用水的循环；所述的出水管上设有球阀；所述密封腔进水管路利用钢管支撑架支撑。

6.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述的施压支架包括用于按压在第二试验样件端面上的按压面、至少一根用于与密封腔右端盖滑动连接的压杆以及用于与移动组件的施力部接触的受力面，所述的压杆贯穿密封腔右端盖上的光孔，并且所述的按压面与压杆内端固接，受力面与压杆外端固接，使得所述的按压面始终位于所述的密封腔内腔，受力面位于所述的密封腔外部，实现试验支架与密封腔右端盖密封滑动连接。

7.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述轴套采用非导磁材料的铝合金制成。

8.如权利要求3所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述的第一联轴器和第二联轴器均为弹性柱销联轴器。

9.如权利要求1所述的基于水下的仿生非光滑表面摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述第一试验样件和第二试验样件均为聚四氟乙烯材料。

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